許 莉，鄭圣基（福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350108）

簡(jiǎn)支空心板橋車輛荷載效應(yīng)分析

許 莉，鄭圣基
（福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350108）

車輛荷載模式隨著中國(guó)橋梁相關(guān)規(guī)范的更新進(jìn)行了調(diào)整，以空心板橋?yàn)檠芯繉?duì)象 ，利用Midas/ Civil建模分析。分別針對(duì)《城市橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》（CJJ1l-93）、《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ77-98）和《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ11-2011）3種不同時(shí)期發(fā)布的規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載進(jìn)行加載，計(jì)算并分析新舊規(guī)范下的荷載組合效應(yīng)差異，以及撓度和沖擊系數(shù)之間的差別。研究結(jié)果表明，對(duì)于簡(jiǎn)支空心板橋，必須加強(qiáng)支座處抗剪驗(yàn)算；同時(shí)，在3種不同時(shí)期城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載（不計(jì)沖擊力）作用下產(chǎn)生的撓度效應(yīng)均能滿足各自規(guī)范要求。

既有城市橋梁；城市橋梁規(guī)范；標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載；荷載效應(yīng)

簡(jiǎn)支空心板橋是梁式橋中應(yīng)用最早、使用最廣泛的橋型之一，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展 ，城市道路交通量的日益增長(zhǎng)，超重超限的車輛也不斷涌現(xiàn)，給在役的中小跨徑城市橋梁運(yùn)營(yíng)帶來了巨大沖擊［1-2］。因此，確定中小跨徑既有城市空心板橋的適用性就顯得尤為重要。

本文以簡(jiǎn)支空心板橋?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合工程算例，采用有限元軟件建立計(jì)算模型，分別采用橋梁初始設(shè)計(jì)規(guī)范“93”規(guī)范［3］以及“98”規(guī)范［4］和現(xiàn)行“11”規(guī)范［5］中的標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載進(jìn)行加載，通過分析承載能力極限狀態(tài)下荷載組合效應(yīng)差異，以及撓度、沖擊系數(shù)之間的差別，探討了按照該結(jié)構(gòu)橋梁在新舊規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載效應(yīng)作用下各控制截面產(chǎn)生的不同響應(yīng)。

1 工程概況

某城市主干道跨河橋梁，初始設(shè)計(jì)計(jì)算荷載為汽-超20級(jí)，驗(yàn)算荷載為掛車-120，主橋上部結(jié)構(gòu)為單跨裝配式簡(jiǎn)支空心板梁，計(jì)算跨徑取 L0= 15.46 m（支座中心距離）。橋梁總寬40 m，橫向有35片主梁，該橋上部結(jié)構(gòu)在橫向上分為人行道、慢車道、機(jī)動(dòng)車道5個(gè)部分，本文選取橋梁上部最不利的慢車道部分進(jìn)行計(jì)算分析，該橋慢車道的橫斷面如圖1所示。

圖1 橫斷面圖（單位:cm）

由于“98”、“11”規(guī)范［4-5］的材料參數(shù)取值均與初始設(shè)計(jì)“93”規(guī)范［3］一致。具體的取值結(jié)果如下:主梁采用30號(hào)混凝土，車行道橋面分別采用25號(hào)混凝土和瀝青混凝土；普通鋼筋主筋采用Ⅱ級(jí)鋼筋，箍筋采用Ⅰ級(jí)鋼筋；二期恒載為6.75 kN/m。

2 有限元模型的建立

本文利用有限元軟件Midas/Civil［6-7］采用空間梁?jiǎn)卧⒛Ｐ?。該鋼筋混凝土?jiǎn)支空心板的主梁采用空間梁?jiǎn)卧M，模型中共有316個(gè)單元及235個(gè)節(jié)點(diǎn) ，其長(zhǎng)度單位為m，力的單位為kN，其它單位均由以上單位進(jìn)行換算。模型截面和單元?jiǎng)澐秩缦聢D2所示。

圖2 鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板橋模型

3 模型的計(jì)算及結(jié)果

本文根據(jù)初始設(shè)計(jì)規(guī)范以及“98”和“11”規(guī)范［4-5］中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載進(jìn)行選取，并按要求布置在橫橋向的最不利位置，利用有限元軟件計(jì)算承載能力極限狀態(tài)下荷載組合效應(yīng)、主梁的撓度值以及沖擊系數(shù)［8-9］。

3.1 荷載組合效應(yīng)的比較

本文進(jìn)行初始設(shè)計(jì)規(guī)范和“98”規(guī)范及“11”規(guī)范［4-5］規(guī)定的在標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載模式相應(yīng)荷載等級(jí)下的計(jì)算分析，并將“98”規(guī)范及現(xiàn)行“11”規(guī)范［4-5］分別與初始設(shè)計(jì)規(guī)范在承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)荷載組合效應(yīng)進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

從表1可看出，“98”規(guī)范城-A級(jí)車輛荷載在承載能力極限狀態(tài)下設(shè)計(jì)時(shí)的荷載組合與“93”規(guī)范汽車-超20級(jí)車輛荷載組合產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本一致。不同的等級(jí)荷載組合產(chǎn)生的跨中最大彎矩及支座最大剪力不同，相對(duì)于汽車-超20級(jí)而言，城-A級(jí)車輛荷載組合產(chǎn)生的跨中最大彎矩及支座最大剪力比它分別大4.9%和小0.5%；城-B級(jí)車輛荷載組合比它分別小5.6%和11.8%；城-A級(jí)車道荷載組合比它分別大2.3%和28.9%；城-B級(jí)車道荷載組合比它分別小1.1%和大10.1%。

表1 “98”規(guī)范與“93”規(guī)范荷載組合效應(yīng)比

表2 “11”規(guī)范與“93”規(guī)范荷載組合效應(yīng)比

由表2可看出，“11”規(guī)范城-B級(jí)車輛荷載在承載能力極限狀態(tài)下設(shè)計(jì)時(shí)的荷載組合與“93”規(guī)范的汽車-超20級(jí)車輛荷載組合產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本一致 ，而特種平板掛車-160與掛車-120也基本相當(dāng)。不同等級(jí)荷載組合產(chǎn)生的跨中最大彎矩及支座最大剪力也不同。相對(duì)于汽車-超20級(jí)而言，城-A級(jí)車輛荷載組合產(chǎn)生的跨中最大彎矩及支座最大剪力比它分別大6.2%和小3.3%；城-B級(jí)車輛荷載組合產(chǎn)生的跨中最大彎矩比它大2.9%，支座最大剪力一致；城-A級(jí)車道荷載組合比它分別大4.2%和41.7%；城-B級(jí)車道荷載組合比它分別小10.1%和大15.7%；另外，特種平板掛車-160比掛車-120分別大1.0%和小1.4%。

3.2 主梁撓度值的比較

由于初始設(shè)計(jì)“93”規(guī)范［3］與“98”、“11”規(guī)范［4-5］對(duì)恒載作用效應(yīng)的考慮一致，因此在恒載作用下?lián)隙戎档挠?jì)算結(jié)果也是一致的，因此，本文僅根據(jù)以上各個(gè)版本規(guī)范規(guī)定的可變荷載（不考慮沖擊系數(shù)）作用下計(jì)算的撓度值進(jìn)行比較分析 ，計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

表3 “98”規(guī)范與“93”規(guī)范可變荷載效應(yīng)撓度比

由表3可看出，“98”規(guī)范的車道及車輛荷載產(chǎn)生的撓度效應(yīng)基本大于“93”規(guī)范的計(jì)算結(jié)果。相對(duì)于汽車-超20級(jí)而言，城-A級(jí)車輛荷載產(chǎn)生撓度值比它大15.5%；城-B級(jí)車輛荷載比它小15.8%；城-A級(jí)車道比它大54.3%；城-B級(jí)車道比它大14.3%。

表4 “11”規(guī)范與“93”規(guī)范可變荷載效應(yīng)撓度比

從表4可看出，現(xiàn)行“11”規(guī)范的車道及車輛荷載產(chǎn)生的撓度效應(yīng)基本較小于“93”規(guī)范的計(jì)算結(jié)果。相對(duì)于汽車-超20級(jí)而言，城-A級(jí)車輛產(chǎn)生撓度值比它大7.3%；城-B級(jí)車輛比它小8.3%；城-A級(jí)車道比它小10.7%；城-B級(jí)車道比它小33.0%；另外，特種平板掛車-160比汽 -超20小9.2%。

因此，由以上“98”規(guī)范及現(xiàn)行“11”規(guī)范與初始設(shè)計(jì)規(guī)范產(chǎn)生的撓度效應(yīng)的比較可以得到，“93”規(guī)范的汽車-超20級(jí)產(chǎn)生的撓度值與“11”規(guī)范的城-A車輛荷載的計(jì)算結(jié)果基本一致?！?8”規(guī)范除了城-B車輛荷載產(chǎn)生的撓度值比“93”規(guī)范的汽車-超20級(jí)的計(jì)算結(jié)果小，其余的均大14%以上；而現(xiàn)行“11”規(guī)范除了城-A級(jí)車輛荷載以外，其余的荷載等級(jí)均小8%以上?？傮w來說，該主干路的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板橋在不同版本城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載（不計(jì)沖擊力）作用下產(chǎn)生的撓度效應(yīng)均能滿足各自規(guī)范規(guī)定的撓度允許值L/600 =25.77 mm。

3.3 沖擊系數(shù)的比較

本文對(duì)簡(jiǎn)支空心板橋分別采用初始設(shè)計(jì)規(guī)范、“98”規(guī)范和現(xiàn)行11城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［4-5］規(guī)定的沖擊系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果及比較見表5。

表5沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果及比較

從表5中對(duì)于該鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板橋的結(jié)構(gòu)在各個(gè)規(guī)范規(guī)定的沖擊系數(shù)比較結(jié)果可以看出，“98”規(guī)范車道荷載的沖擊系數(shù)比“93”規(guī)范小5.5%，而車輛荷載的沖擊系數(shù)比“93”規(guī)范大39.0%，說明“98”規(guī)范車道荷載和車輛荷載的沖擊系數(shù)分別考慮，結(jié)果的差別還是比較大?，F(xiàn)行“11”規(guī)范對(duì)與車道荷載和車輛荷載的沖擊系數(shù)沒有分開考慮 ，其值比“93”規(guī)范大46.6%。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)城市中小跨徑的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板橋介紹了在初始設(shè)計(jì)規(guī)范及“98”規(guī)范、現(xiàn)行11城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的材料參數(shù)下，利用有限元程序Midas/Civil進(jìn)行建模，計(jì)算其承載能力極限狀態(tài)下荷載組合，以及撓度、沖擊系數(shù)，通過比較分析，從中可得以下結(jié)論:

（1）“98”規(guī)范城-A級(jí)車輛荷載及現(xiàn)行“11”規(guī)范城-B車輛荷載組合所引起的跨中最大彎矩組合及支座最大剪力組合與“93”規(guī)范的汽車-超20級(jí)車輛荷載組合產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本一致，與特種平板掛車-160與掛車-120也基本相當(dāng)。因此，可近似為一個(gè)級(jí)別的承載能力荷載等級(jí)。

（2）新舊規(guī)范的荷載等級(jí)產(chǎn)生的相應(yīng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)有一定差異?！?3”規(guī)范、“98”規(guī)范及現(xiàn)行“11”規(guī)范的荷載組合效應(yīng)所引起的跨中最大彎矩及支座最大剪力均比初始設(shè)計(jì)規(guī)范的汽車-超20級(jí)荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)要大。因此，在進(jìn)行城市橋梁車輛荷載組合驗(yàn)算時(shí)，必須對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)型式的橋梁加強(qiáng)支座處的抗剪核算。

（3）對(duì)于主干道的橋梁來說，該鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板橋的初始設(shè)計(jì)汽-超20級(jí)荷載基本能滿足“98”規(guī)范的城-A級(jí)車輛荷載及“11”規(guī)范的城-B車輛荷載組合的驗(yàn)算要求，而不能“98”規(guī)范及現(xiàn)行“11”規(guī)范規(guī)定的城-A級(jí)車道荷載的驗(yàn)算要求，這點(diǎn)值要引起有關(guān)部門的重視。

（4）“93”規(guī)范的汽車-超20級(jí)產(chǎn)生的撓度值與“11”規(guī)范的城 -A車輛荷載的計(jì)算結(jié)果基本一致?？傮w來說，該主干道的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板橋在不同版本城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載（不計(jì)沖擊力）作用下產(chǎn)生的撓度效應(yīng)均能滿足各自規(guī)范規(guī)定的撓度要求。

（5）對(duì)于該鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板橋的結(jié)構(gòu)在各個(gè)規(guī)范規(guī)定的沖擊系數(shù)比較結(jié)果可以看出，“98”規(guī)范車道荷載和車輛荷載的沖擊系數(shù)分別考慮 ，結(jié)果的差別還是比較大，而現(xiàn)行“11”規(guī)范對(duì)與車道荷載和車輛荷載的沖擊系數(shù)沒有分開考慮，其值比“93”規(guī)范大。

［1］ Kozikowski M.WIM based live load model foe bridg reliability［D］.Nebraska:Dissertation to the University of Lincoln，2009.

［2］ Eugene J.Obrien，Bernard Enright.Modeling same-direction two-lane traffic for bridge loading［J］.Structural Safety，2011，33（4-5）:296-304.

［3］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.CJJ11-93.城市橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.

［4］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.CJJ77-98.城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

［5］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.CJJ11-2011.城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［6］ 邱順冬，桂滿樹，姜毅榮.橋梁工程軟件Midas/Civil應(yīng)用工程實(shí)例［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［7］ 邱順冬，鄭海霞，桂滿樹，等.橋梁工程軟件Midas/Civil常見問題解答［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［8］ Fu G K，You J.Extrapolation for future maximum load statistics［J］.Journal of Bridge Engineer，2011，16（4）:527-535.

［9］ LI Hongyi，Wekezer J，Kwasniewski L.Dynamic response of a highway bridge subjected to moving vehicle［J］.Journal of Bridge Engineering，2008，13（5）:439-448.

Research on Different Standard Vehicle Load Effect of Simply Supported Hollow Slab Bridges

XU Li，ZHENG Sheng-ji
（College of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350108，China）

The vehicle load patterns have changed along with the updating of Chinese bridge design codes.To investigate the different load effect combinations，deflections，and impact coefficients under old and new Chinese codes，simply supported hollow slab bridges were analyzed based on real engineering projects.The FEM software MIDAS/Civil was adopted to establish the numerical model.Different vehicle load patterns defined in 3 versions of Chinese bridge design codes，which are Code for Design of the Municipal Bridge（CJJ 11-93），The Standard of Loadings for the Municipal Bridge Design（CJJ 77-98），and Code for Design of the Municipal Bridge（CJJ 11-93），were used in the analyzing process. The difference of load effect combinations，deflections，and impact coefficients under the 3 versions were studied.The research result indicates that the shearing resistances of bridge bearings are essential for simply supported hollow slab bridges.The deflection effects of the different vehicle load patterns can respectively meet the requirements of the 3 codes.

existing municipal bridges；municipal bridge code；standard vehicle load；vehicle load effect

U448.42；TU997

A

1672—1144（2015）02—0007—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.002

2014-11-01

2014-12-10

福建省自然科學(xué)基金（2013J05072）

許 莉（1976—），女，福建福州人，博士 ，副教授 ，主要從事工作為橋梁工程教學(xué)與科研。E-mail:563083537@qq.com