浅谈汽车荷载.doc

一、概述
桥梁荷载按其时间变化的性质，分为永久荷载（permanent load）、可变荷载（variable load）和偶然荷载（incident load）。
在以往的桥梁设计计算中，公路桥梁汽车活载加载一直沿用1997年交通部发布实施的《公路工程技术标准》所规定的荷载标准。1998年，建设部发布了《城市桥梁设计荷载标准》，规定城市内承建的城市桥梁、高架道路等结构设计必须严格遵守此标准规定。2004年3月1日，交通部发布实施了新的《公路工程技术标准》（JTG B01-2003），同时原97年《公路工程技术标准》废止。本文就三种荷载产生的时代意义、纵向加载之间的同异以及在运用程序进行结构计算时荷载的模拟和内力结果的比较三个方面浅谈自己的看法。
（以下97年《公路工程技术标准》简称“97《公规》”，98年《城市桥梁设计荷载标准》简称“《城规》”，2004年《公路工程技术标准》简称“04《公规》”）

二、三种荷载的时代意义
97《公规》汽车活载来自原苏联的荷载模式，是一种列车布置方式，车型分标准车（两轴式）、加重车（三轴式）和半挂车（五轴式）三种。97《公规》的制定是通过对实际车辆的轮轴数目、前后轴间距、轴重力等情况的分析、综合和概括，所规定出的桥涵设计的标准化荷载，其在形式上仍维持81年所确定标准车辆荷载的四个标准，97《公规》所制定的车辆荷载在桥梁设计方面发挥了极其重要的作用，在《城规》及04《公规》出现之前，一直作为城市及公路结构设计的荷载标准。
《城规》是专门为城市桥梁制定的荷载标准，选用加拿大安大略省公路桥梁规范（OHBDC）的荷载规定为主要参考依据。从我国大中城市的桥梁来看，城市桥梁有着自己的特点：1、车辆密度大，交通高峰小时时，车辆间距只有3～5m。2、行车速度较慢，桥面平整度较好，车辆冲击力比公路桥梁小。3、城市人口密度大，人群荷载值大于公路桥梁标准。综上所述，《公规》车辆荷载轴重小、车距大（10～15m ）的特点与我国现代城市机动车辆的动态分布规律不太相符。因此，实行《城规》显得尤为重要。
为了适应我国现代化发展需要，有利于与国际标准接轨，以便承揽国际桥梁设计任务，2004年国家交通部发布新《公规》，制定新的公路桥梁荷载标准。

三、三种荷载的加载方式
97《公规》汽车活载分为计算荷载和验算荷载两种，其中计算荷载以汽车车队表示，验算荷载以履带车、平板挂车表示。计算荷载的汽车车队一般以汽车-20级、汽车-超20级作为常用数据，验算荷载一般以挂车-100和挂车-120作为常用数据，计算荷载的各等级汽车一列车队的纵向排列均为重车一辆，主车车辆数不限，计入冲击力的影响。用验算荷载验算时，不计冲击力、人群荷载和其他非经常作用在桥涵上的各种外力，平板挂车在桥梁全长内用一辆布载。
《城规》汽车活载划分为城-A级和城-B级两个等级，根据桥梁荷载要求选择相应的等级。同时汽车荷载分为车道荷载和车辆荷载两种，当进行桥梁结构计算时不得将车辆荷载和车道荷载的作用迭加。城-A及城-B级车道荷载按均布荷载加集中荷载计算，均布荷载和集中荷载的标准按桥梁跨径确定。城-A级车辆荷载采用五轴式货车加载，总重700KN；城-B级车辆荷载采用三轴式货车加载，总重300KN。两种汽车的横断面尺寸相同。
04《公规》汽车活载划分为公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级两个等级，汽车荷载亦由车道荷载和车辆荷载组成，当进行桥梁结构计算时不得将车辆荷载和车道荷载的作用迭加。其两种标准车道荷载亦按均布荷载加集中荷载计算，均布荷载和集中荷载的标准按桥梁跨径确定。公路Ⅰ级和公路-Ⅱ级汽车荷载采用相同的车辆标准值，总重550KN。
《城规》与04《公规》这两种汽车荷载标准均由车道荷载和车辆荷载，桥梁的主梁、主拱和主桁等的计算采用车道荷载；桥梁的横隔梁、行车道板、桥台或挡土墙土压力的计算采用车辆荷载。
四、荷载的模拟转化
在我们日常工作中，结构计算多采用计算程序软件来完成，用于计算结构的软件多已定义了中各级的车队荷载标准，在活载加载时，只要选取相应的代码就可以进行计算。但对于《城规》与04《公规》车道荷载多没有定义。这就需要对相应荷载进行模拟。
利用计算程序在活载响应参数信息中“自定义汽车”或特殊车列选项可以解决这一问题，根据“车队荷载”中车队纵向排列重车一辆，主车车辆数不限的特性，对《城规》与04《公规》进行模拟，模拟方法为：将后两种均布荷载加集中荷载的一列车道汽车荷载标准中的集中荷载定义为重车，同时将重车的车轴数定义为两车轴，首轴至尾轴距离定义为0.01米，每轴重为集中荷载的一半。对于均布荷载，将其定义为主车，其车轴数仍然定义为两轴，首轴至尾轴距离定义为0.5米，每轴的轴重为相应均布载在0.5米范围内的荷载值，重车首轴至相应主车尾轴与重车尾轴至相应主车首轴的距离定义为0.5米。

模拟转化图示
运用以上的方法可以将程序中没有定义的荷载标准模拟出来，将新颁布荷载标准与老的荷载标准相结合，弥补程序中的欠缺。

五、荷载结果的比较与分析
以下通过连续结构与简支结构两组典型算例对新荷载标准模拟带入同一计算程序进行计算,并对三种荷载标准所产生的弯矩及剪力结果进行比较，所加活载标准分别为：汽-超20、城-A级、公路-Ⅰ级。应用计算程序为BSACS 98（同济大学）。
算例1：30+35+35+30m连续箱梁，桥宽9m，按两车道加载。计算结果如下：

活载效应弯矩包络图 活载效应剪力包络图
荷载
内力
汽-超20
城-A级
公路-Ⅰ级
Max
Min
Max
Min
Max
Min
弯矩
(kn.m)
5479
-5541
6056
-5019
6156
-5166
剪力
(kn)
1249
-1241
1104
-1097
1126
-1119

活载内力最值列表

支点
荷载
1（边）
2
3
4
5（边）
汽-超20
2619
7651
6780
7652
2621
城-A级
2565
7498
6647
7499
2558
公路-Ⅰ级
2578
7536
6687
7538
2571

支反力数值表（kn）

比较算例1连续箱梁计算结果:弯矩计算结果中城-A级活载与公路-Ⅰ级活载包络图型相似(因其加载型式相似)；在中跨支点负弯矩区，城-A与公路-Ⅰ级活载弯矩绝对值较汽-超20车载小，偏小大约10%。而在边跨正弯矩区，城-A与公路-Ⅰ级活载弯矩绝对值比汽-超20车载大，偏大大约10%。剪力计算结果中，城-A与公路-Ⅰ级活载最大剪力值小于汽-超20活载剪力值，偏小大约10%。支反力计算结果中，城-A与公路-Ⅰ级活载所产生支座反力与汽-超20活载支座反力相近。

算例2：25m 简支T梁边梁，横向分布系数0.75。

活载效应弯矩包络图 活载效应剪力包络图
荷载
内力
汽-超20
城A级
公路-Ⅰ级
弯矩
(kn.m)
1850
2112
1939
剪力
(kn)
365.6
346.7
318.7

活载内力最值列表
比较算例2简支T形梁弯矩计算结果:汽-超20活载跨中最大弯矩小于其他两种荷载，偏小大约10%。三种荷载剪力计算结果相近，汽-超20支点剪力较大一点。
通过对三种荷载结果的比较，我得出几点总结：1、三种活载加载型式所产生结构内力数值虽有差异，但内力包络图型式基本一致，并且数值差异均在10%左右（在安全系数提高范围之内），这就充分体现了《城规》与04《公规》制定中的兼容性原则，新的结构加载型式制定后，结构计算中城市桥梁必须加载按照《城规》执行，公路桥梁加载必须按照04《公规》执行。通过算例可以看出，对于以97《公规》列车加载型式为标准所计算的结构仍能满足车辆通过要求，现状公路桥梁仍可以安全运营。2、由连梁反力可见：三种活载加载型式的反力很相近，所以新的荷载型式对基础不会产生影响，这同样体现了兼容性原则。3、模拟出的《城规》荷载与04《公规》荷载与荷载自身所体现的原则是一致的，以0.5m为节段转化成的密布集中力加载在杆系结构与荷载自身均布力型式极接近，有特殊需要可将节段更加细化。
六、结束语
三种荷载标准有各自的特点和加载方式，我对两种新荷载的模拟是自己在平时工作中的一点经验，也方便了我用新荷载进行结构计算。希望对运用《城规》与04《公规》一定的帮助作用。