城市橋梁限載噸位的研究

劉世明，范光明，陳榮融，孫夢(mèng)夢(mèng)，許立成，苗佳強(qiáng)

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

如今，城市橋梁在緩解城市交通問題中起著越來越重要的作用，橋梁在運(yùn)營(yíng)過程中的安全問題也備受關(guān)注．

筆者在對(duì)武漢市城市橋梁限載情況實(shí)地考察時(shí)發(fā)現(xiàn)，武漢市的月湖橋?yàn)殡p向4 車道，其限載噸位為55 t．而在橋梁設(shè)計(jì)中，需要考慮汽車荷載的多車道橫向折減，若參照上海城市橋梁限載標(biāo)準(zhǔn)，按城－A級(jí)設(shè)置該橋梁的限載噸位為40 t［1］，則原限載噸位55 t 與實(shí)際所需限載噸位存在差異．

對(duì)于橋梁限載噸位的設(shè)置，全國(guó)沒有統(tǒng)一的規(guī)范可參考，一般借鑒經(jīng)驗(yàn)，很多地方橋梁限載噸位的設(shè)置是以城－B 級(jí)車輛荷載55 t［2］進(jìn)行限載的，當(dāng)車道數(shù)少于2 車道時(shí)，限載噸位設(shè)置的原則是滿足橋梁的理論限載要求．但是在橋梁設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮理論限載要求，還需根據(jù)其功能、等級(jí)和發(fā)展要求等具體情況綜合設(shè)計(jì)其限載噸位［2］，同時(shí)要考慮到多車道的效應(yīng)折減．

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于橋梁限載噸位設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的研究比較少，上海市有系統(tǒng)的城市橋梁限載標(biāo)準(zhǔn)，其他省份都沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)． 考慮到現(xiàn)行的城市橋梁限載標(biāo)準(zhǔn)的不完善，需要對(duì)現(xiàn)有橋梁的限載噸位進(jìn)行校核，根據(jù)校核結(jié)果設(shè)定合理的限載噸位，避免因橋梁限載噸位設(shè)置不合理引起的安全隱患．

1 橋梁限載噸位的理論計(jì)算公式

為了便于說明橋梁限載噸位的設(shè)置過程，現(xiàn)以城市橋梁中的梁橋、拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，按車道荷載方式加載，即均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值滿布于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利效應(yīng)的同號(hào)影響線上，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值只作用于相應(yīng)影響線中一個(gè)最大影響線峰值處［2］． 將汽車荷載加載于橋梁上，從2 車道開始，分別討論不同車道數(shù)情況下橋梁實(shí)際需要的限載噸位值．

當(dāng)橋梁全長(zhǎng)為L(zhǎng)，車道荷載的均布荷載滿布的總長(zhǎng)度為l0時(shí)，對(duì)于有n 條車道的城市橋梁加載的總汽車荷載為:

式中:W 為設(shè)計(jì)的總汽車荷載，kN;qk為車道均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m;l0為均布荷載滿布總長(zhǎng)度，m;Pk為車道荷載的集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN;n 為車道數(shù);η1為車道荷載橫向折減系數(shù)［3］;η2為車道荷載縱向折減系數(shù)［3］．

每個(gè)車道所需要分擔(dān)的荷載值w =W/n． 而橋梁的限載噸位值就是每個(gè)車道所承擔(dān)的荷載最大值，即限載噸位P≤w．

2 城－A 級(jí)、城－B 級(jí)橋梁的限載噸位分析

在《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中規(guī)定，當(dāng)橋涵的跨徑小于或等于50 m 時(shí)，宜采用標(biāo)準(zhǔn)化跨徑［3］．文中只討論城－A 級(jí)橋梁的限載噸位設(shè)置，城－B 級(jí)橋梁的限載方式同城－A 級(jí)橋梁的，只需將均布荷載值、集中荷載值改為城－A 級(jí)的0．75 倍［2］．

2．1 梁式橋

2．1．1 簡(jiǎn)支梁橋

在普通鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋［4］中，其經(jīng)濟(jì)跨徑一般為20 m;預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋［5］的經(jīng)濟(jì)跨徑為40 m．若將經(jīng)濟(jì)跨徑作為橋梁設(shè)計(jì)中最大的單孔計(jì)算跨徑，依據(jù)對(duì)橋梁加載方式中車道荷載的加載原則，同時(shí)結(jié)合簡(jiǎn)支梁的影響線形式［6］，得到均布荷載滿布的總長(zhǎng)度，經(jīng)式(1)計(jì)算得到的結(jié)果見表1，并如圖1 所示，其中P 為選取的限載噸位值．

表1 部分跨徑簡(jiǎn)支梁橋的限載噸位

圖1 部分跨徑簡(jiǎn)支梁橋的限載噸位隨車道數(shù)的變化曲線

從圖1 和表1 中可以看出:該種橋梁的限載噸位隨車道數(shù)的增加而減小，當(dāng)車道數(shù)增大一倍，其限載噸位并不成倍減小，即二者不是線性關(guān)系;同時(shí)，其限載噸位隨主跨跨徑的增大而增大，當(dāng)主跨跨徑成倍增大，其限載噸位沒有相應(yīng)地成倍增加，即二者間也不存在線性關(guān)系．

2．1．2 懸臂梁橋

帶馬蹄形的T 型截面的鋼筋混凝土懸臂梁橋的適用跨徑在30 m 以內(nèi);底部加寬的T 型截面橋適用于跨徑在30 ～50 m 的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋．對(duì)于帶掛梁的單孔懸臂梁橋，邊孔跨徑一般取中跨跨徑的0．6 ～0．8 倍:對(duì)于鋼筋混凝土橋梁，掛梁長(zhǎng)度取中跨跨徑的0．4 ～0．6 倍;對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，掛梁長(zhǎng)度取中跨跨徑的0．20 ～0．40 倍．對(duì)于多孔懸臂梁橋，邊孔跨徑取中跨跨徑的0．75 ～0．80 倍:鋼筋混凝土類橋的掛梁長(zhǎng)度取中跨跨徑的0．50 ～0．60倍，預(yù)應(yīng)力混凝土類橋的掛梁長(zhǎng)度取中跨跨徑的0．50 ～0．70 倍［5］． 依據(jù)橋梁加載方式中車道荷載的加載原則，同時(shí)結(jié)合單孔懸臂梁橋的影響線形式［6］，取邊跨跨徑為中跨跨徑的0．60 倍，鋼筋混凝土橋梁的掛梁長(zhǎng)度為中跨跨徑的0．50 倍，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的掛梁長(zhǎng)度為中跨跨徑的0．30 倍，算得均布荷載滿布的總長(zhǎng)度，將其值和其他各值代入式(1)，得到該種橋梁應(yīng)該設(shè)置的限載噸位，具體見表2，并如圖2 所示．

表2 部分跨徑單孔懸臂梁橋的限載噸位

圖2 部分跨徑單孔懸臂梁橋的限載噸位隨車道數(shù)的變化曲線

由圖2 和表2 可以看出:該種橋梁的限載噸位隨車道數(shù)的增加而減小，當(dāng)車道數(shù)增大一倍，其限載噸位并不成倍減小，二者不是線性關(guān)系;同時(shí)，其限載噸位隨主跨跨徑的增大而增大，當(dāng)主跨跨徑成倍增大，其限載噸位沒有相應(yīng)的成倍增加，二者也沒有線性關(guān)系．

2．1．3 T 型剛構(gòu)橋

對(duì)于鋼筋混凝土T 型剛構(gòu)橋，常見跨徑為40 ～50 m，在帶掛梁的T 型剛構(gòu)橋中，掛梁的經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度一般為跨徑的0．5 ～0．7;預(yù)應(yīng)力混凝土T 型剛構(gòu)橋的常用跨徑為60 ～120 m，在帶掛梁的T 型剛構(gòu)橋中，掛梁的經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度一般為跨徑長(zhǎng)度的0．22 ～0．50．當(dāng)主孔跨徑較大時(shí)，掛梁的經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度取較小的值，并使掛梁跨徑不超過35 ～40 m［5］．依據(jù)對(duì)橋梁加載方式中車道荷載的加載原則，結(jié)合T 型剛構(gòu)橋的影響線形式［6］，并取邊跨跨徑為中跨跨徑的0．6 倍，取鋼筋混凝土掛梁為中跨跨徑的0．5 倍，取預(yù)應(yīng)力混凝土掛梁為中跨跨徑的0．3 倍，得到均布荷載滿布的總長(zhǎng)度，經(jīng)式(1)計(jì)算得到該類橋梁的限載噸位，具體如圖3 和圖4 所示，并見表3 和表4．

圖3 部分跨徑帶掛梁T 型剛構(gòu)梁橋的限載噸位隨車道數(shù)的變化曲線

圖4 部分跨徑帶鉸T 型剛構(gòu)梁橋的限載噸位隨車道數(shù)的變化曲線

表3 部分跨徑帶掛梁T 型剛構(gòu)梁橋的限載噸位

表4 部分跨徑帶鉸T 型剛構(gòu)梁橋的限載噸位

由圖3 和圖4 及表3 和表4 可以看出:該類橋梁的限載噸位隨車道數(shù)的增加而減小，當(dāng)車道數(shù)增大一倍，其限載噸位并不成比例減小，二者不是線性關(guān)系;同時(shí)，其限載噸位隨主跨跨徑的增大而增大，當(dāng)主跨跨徑成倍增大，其限載噸位沒有相應(yīng)地成倍增加，二者也沒有線性關(guān)系．在主跨跨徑和車道數(shù)相同的情況下，帶鉸T 型剛構(gòu)梁橋比帶掛梁T 型剛構(gòu)梁橋的限載噸位大．

2．1．4 連續(xù)梁橋

在連續(xù)梁橋中，普通鋼筋混凝土連續(xù)梁橋的適用跨徑為15 ～30 m［4］． 對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［7］，其截面形式有等截面和不等截面2 種，根據(jù)其立面布置形式有等跨布置和不等跨布置2 種． 等截面連續(xù)梁橋一般采用中等跨徑(40 ～60 m)，以等跨徑布置為宜．不等截面連續(xù)梁橋主跨跨徑在70 m 以上，一般采用不等跨布置．連續(xù)梁的邊跨與中跨跨徑比一般為0．600 ～0．800，連續(xù)剛構(gòu)橋的邊跨和主跨的跨徑比值為0．500 ～0．692［5］．

根據(jù)連續(xù)梁橋的特點(diǎn)，當(dāng)跨徑小于或等于50 m時(shí)，選擇標(biāo)準(zhǔn)化跨徑作為限載橋梁的跨徑;當(dāng)跨徑大于50 m 時(shí)，采用現(xiàn)今建成的連續(xù)梁橋跨徑值作為限載橋梁跨徑，且將跨數(shù)設(shè)定為3 跨和4 跨2 種．依據(jù)對(duì)橋梁加載方式中車道荷載的加載原則，結(jié)合各跨數(shù)下的連續(xù)梁的影響線形式［6］，得到其均布荷載滿布的總長(zhǎng)度，經(jīng)式(1)計(jì)算得到該類橋梁的限載噸位，具體如圖5 和圖6 所示，并見表5 和表6．

圖5 部分跨徑3 跨連續(xù)梁橋的限載噸位隨車道數(shù)的變化曲線

圖6 部分跨徑4 跨連續(xù)梁橋的限載噸位隨車道數(shù)的變化曲線

表5 部分跨徑3 跨連梁橋的限載噸位

表6 部分跨徑4 跨連梁橋的限載噸位

由圖5 和圖6 及表5 和表6 可以看出:該類橋梁的限載噸位隨車道數(shù)的增加而減小，當(dāng)車道數(shù)增大一倍，其限載噸位并不成倍減小，二者不是線性關(guān)系;同時(shí)，其限載噸位隨主跨跨徑的增大而增大，當(dāng)主跨跨徑成倍增大，其限載噸位沒有相應(yīng)地成倍增加，二者也沒有線性關(guān)系． 當(dāng)主跨跨徑、車道數(shù)相同的情況下，連續(xù)梁跨數(shù)越多，其限載噸位相應(yīng)也會(huì)越大，但不隨主跨跨數(shù)的成倍增加而成倍增大．

2．2 拱式橋

拱式橋按照橋面的位置可以分為上承式拱橋、中承式拱橋和下承式拱橋．對(duì)于上承式拱橋，分為兩類:一類是普通型上承式拱橋;另一類是整體型上承式拱橋．其中，鋼筋混凝土普通桁架拱的應(yīng)用范圍以20 ～50 m 的中等跨徑為宜;鋼架拱橋被廣泛用于跨徑為25 ～70 m 的橋梁［5－8］中，其凈矢跨比一般為1/6 ～1/10．在一般情況下，小跨徑拱橋可采用實(shí)腹式圓弧拱或?qū)嵏故綉益溇€拱;大中跨徑拱橋可采用實(shí)腹式懸鏈線拱［5］． 對(duì)于中承式拱橋，根據(jù)其受力性能［9］一般采用無鉸拱形式，拱軸線采用高次拋物線或者懸鏈線形式． 下承式拱橋?qū)暗倪x用原則參考中承式拱橋的．

拱橋模型采用等截面懸鏈線無鉸拱整體型上承式拱橋，假定拱軸系數(shù)m =2．240，矢跨比為1/6．依據(jù)車道荷載的加載原則，同時(shí)結(jié)合整體型上承式拱橋的影響線形式［6］，查文獻(xiàn)［10］附錄Ⅲ表Ⅲ－14(44)，并計(jì)算得到反彎點(diǎn)位置和彎矩影響線正面的長(zhǎng)度，查文獻(xiàn)［10］附錄Ⅲ表Ⅲ－13(30)得到彎矩影響線的最大正值位置和均布荷載滿布的總長(zhǎng)度，經(jīng)式(1)計(jì)算得到該類橋梁的限載噸位，具體見表7，并如圖7 所示．

表7 部分跨徑整體型上承式拱橋的限載噸位

圖7 部分跨徑整體型上承式拱橋的限載噸位隨車道數(shù)的變化曲線

由圖7 和表7 可以看出:該種橋梁的限載噸位隨車道數(shù)的增加而減小，當(dāng)車道數(shù)增大一倍，其限載噸位并不成倍減小，二者不是線性關(guān)系;同時(shí)，其限載噸位隨主跨跨徑的增大而增大，主跨跨徑成倍增大，其限載噸位不會(huì)相應(yīng)地成倍增加，二者也沒有線性關(guān)系．

3 結(jié) 語

1)同一種橋型，其限載噸位隨著車道數(shù)的增加而減小，但車道數(shù)成倍增加，其限載噸位并不成倍減?。?/p>

2)同一種橋型，其限載噸位受到跨徑的限制，其隨主跨跨徑的增大而增大，主跨跨徑成倍增大，其限載噸位不會(huì)相應(yīng)地成倍增大．

3)對(duì)于不同橋型、相同跨徑情況下的理論限載噸位:簡(jiǎn)支梁橋的限載噸位等于帶鉸T 型剛構(gòu)梁橋和3 跨連續(xù)梁橋的限載噸位，大于帶掛梁T 型剛構(gòu)梁橋的限載噸位;帶掛梁T 型剛構(gòu)梁橋的限載噸位又大于單孔懸臂梁橋的限載噸位．

4)對(duì)于以城－A 級(jí)設(shè)計(jì)的橋梁，理論上梁橋的限載噸位不超過55 t 時(shí)的均布荷載滿布長(zhǎng)度:2 車道的均布荷載滿布長(zhǎng)度小于26．9 m，4 車道的均布荷載滿布長(zhǎng)度小于45．6 m，6 車道的均布荷載滿布長(zhǎng)度小于57．9 m，8 車道的均布荷載滿布長(zhǎng)度小于64．8 m．上承式拱橋的限載噸位不超過55 t 的主跨跨徑:2 車道的均布荷載滿布長(zhǎng)度小于37．1 m，4 車道的均布荷載滿布長(zhǎng)度小于62．9 m，6 車道的均布荷載滿布長(zhǎng)度小于80．0 m，8 車道的均布荷載滿布長(zhǎng)度小于89．5 m． 對(duì)于以城－B 級(jí)設(shè)計(jì)的橋梁，其主跨徑要比城－A 級(jí)的主跨跨徑大．

［1］上海市市政工程處． 上海城市橋梁限載標(biāo)準(zhǔn):SZ －C －E02—2007［S］．上海:上海市市政管理局，2007．

［2］上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院． 城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范:CJJ 11—2011［S］． 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011．

［3］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院． 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范:JTG D60—2004［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［4］姚玲森，程翔云．鋼筋混凝土梁橋［M］．北京:人民交通出版社，1982．

［5］邵旭東． 橋梁工程［M］． 2 版． 北京:人民交通出版社，2007．

［6］龍馭球，包世華，袁駟主． 結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］．3 版． 北京:高等教育出版社，2012．

［7］范立礎(chǔ)．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］． 北京:人民交通出版社，1988．

［8］范立礎(chǔ)．橋梁工程(上、下冊(cè))(橋梁工程專業(yè)用)［M］．2 版．北京:人民交通出版社，1993．

［9］孟聞遠(yuǎn)，孟楓林．中承式系桿拱橋承載力評(píng)定與加固技術(shù)研究［J］． 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，36(1):33 －37．

［10］顧懋清，石紹甫． 公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè):拱橋(上冊(cè))［M］．北京:人民交通出版社，1997．