中英现行桥梁规范汽车载荷对比研究

文献标识码:B

No．4(TotalNo．232)

August2018

文章编号:1001－7291(2018)04－0109－05

中英现行桥梁规范汽车载荷对比研究1，233超，罗齐，高荣雄

(1.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北武汉430040;2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉430040;3.华中科技大学，土木工程与力学学院，湖北武汉430074)

曾

1，23

卓，范世磊，徐

摘要:为适应海外工程建设的需要和为桥梁设计规范的修订提供参考，对比研究英国桥梁设计规范(BS5400－2－2006)与中国现行桥梁设计规范关于汽车荷载的模式和相关规定。基于可靠度理论，深入探究了中英两国规范关于汽车荷载模式的制定依据及其理论背景。在此基础上，总结了两国规范关于汽车设计荷载模式及其效应的异同，并通过算例比较两国规范关于汽车荷载的应用差异。

关键词:公路桥梁;汽车荷载;规范对比;桥梁设计规范;BS5400

本文对中国桥梁设计通用规范(JTGD60—2015)(以下简称“中标”)与英国桥梁设计规范(BS5400－2－2006)

(以下简称“英标”)关于汽车

荷载部分，对汽车荷载从四个方面(车道划分、荷载标准、车道折减、冲击荷载)进行深入对比，同时对汽车荷载模式的制定理论背景进行分析。最后，以一桥梁算例，对其二者异同进行梳理。11.1

汽车荷载车道划分

桥梁结构的汽车荷载效应与桥宽、桥长紧密关联。两国现行规范对桥面车道的划分如表1。

英标中还规定，当车道宽在5m以内时，将车道宽度分成两部分，其中一部分宽度为2.5m，该部分

2

按标准车道荷载加载;余下的部分按5kN/m的均布

求和基于汽车工业发展水平不同而导致的。

表1

车道数12345678标准车道的划分

JTGD60－2015单向行驶(m)W＜7.07.0≤W＜10.510.5≤W＜14.014.0≤W＜17.517.5≤W＜21.021.0≤W＜24.524.5≤W＜28.028.0≤W＜31.528.0≤W＜35.021.0≤W＜28.014.0≤W＜21.06.0≤W＜14.0双向行驶(m)BS5400(不分单双向)(m)W≤5.005.00＜W≤7.507.50＜W≤10.9510.95＜W≤14.6014.60＜W≤18.2518.25＜W≤21.90－－1.2荷载标准

英标BS5400将汽车荷载划分为HA和HB两类。

荷载加载。

由表1可知，当车道数相同时，英标车道宽度普遍小于中标，无论车道数多少，英标车道总宽大体比中标小2.5m。反之，若相同的桥面车行道宽度，则按英标划分的车道数一般多于中标。按中标规定，当车道宽度相同时，双向通行的桥面车道数则一般少于单向车道。差异的主要影响因素是二者对道路安全要

*

06-29收稿日期:2018-

其中，HA为英国公路上行驶的一般车辆荷载;HB为特种车辆荷载，即除工业荷载以外的公路荷载，用若干个单位荷载表示其大小。两类载荷均已考虑冲击作用。

中标将汽车荷载也分为车道荷载和车辆荷载。车道荷载在整体计算时采用，车辆荷载在局部分析时采

—110—

华东用，二者不得叠加使用。

详细对比如下:

(1)HA荷载与车道荷载比较

英标HA荷载包括均布荷载(UDL)和一个集中荷载(KEL=120kN)(图1)。

图1HA荷载标准

其中，均布荷载(UDL)值需根据加载长度计算得到，其值满足如下条件:

①当L≤50m时，UDL=336(

10.67

L

)②当L＞50m且L≤1600m时，UDL=36(1)0.1

L

③当L＞1600m时，需向相关机构征询后再确定UDL值，其值分布如图2。

图2HA均布荷载分布模式

中标车道荷载标准(图3)与HA荷载类似，由均布和单个集中组合而成。其中，均布荷载根据荷载设计等级确定:当设计荷载为公路－I级，均布荷载qk=10.5kN/m;当设计荷载为公路－II级，均布荷载qk=7.875kN/m;

图3车道荷载(中标)

公路2018年第4期

集中荷载pk根据桥梁计算跨径L0，按表2内插得到。

表2

集中荷载取值

计算跨径L0(m)L0≤55＜L0＜50L0≥50公路－Ⅰ级(kN)2702(+130)360公路－Ⅱ级(kN)上述值乘以0．75关于车道荷载，二者详细比对见图4、图5。

图4均布荷载对比(HA荷载与车道荷载)

图5集中荷载比较

从图4可见，中标车道均布荷载为定值，不随加载长度而变，而英标则不同，其UDL值与加载长度密切相关。当加载长度小于1600m时，中标车道荷载均布值始终小于英标UDL，加载长度越小，两者差距越大。在加载长度介于0～50m时，BS5400的车道荷载UDL值为中标均布荷载的240%及以上;在加载长度为50m～1600m时，英标的车道荷载UDL值约为中标的170%～240%。然而，不论加载长度，英标KEL值均为恒定值，中标集中载荷pk随加载范围而变。且车道集中载荷中标始终大于英标规定值，图5对比可知，无论公路－I级或II级，中标车道载荷的集中力大约为英标KEL的2.0倍～3.6倍。

(2)HB荷载与车辆荷载比较

单个HB荷载共四轴(图6)，单轴重10kN。设计时一般最小采用30个单位HB荷载，最大可达40

2018年第4期曾卓等:中英现行桥梁规范汽车载荷对比研究

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个单位。两中轴之间的距离为6m、11m、16m、21m及26m多种规格。

图6HB荷载加载图示

中标车辆荷载的布置图如图7所示。

图7车辆荷载示意图(长度单位:m)

英标中一个单位的HB荷载为40kN，在进行设计时HB荷载值一般介于1200kN～1600kN;中标车辆荷载为550kN。通常情况下，中标车辆荷载效应小于英标HB加载效应。与中标不同的是，进行结构最不利效应分析时，HB荷载可与HA荷载叠加作用于结构，而中标车辆荷载与车道荷载不允许同时作用在结构上。

可见，英标车辆荷载的荷载效应大于中标车辆荷载。

1.3车道折减

中标采用等量折减法:在车道上施加荷载计算得到荷载效应后，乘以综合车道折减系数;而英标选择以单个车道为基准，其余车道上的加载则分别乘以相对应的折减系数。中标纵横向折减分开计算，英标纵横向折减综合一起计算。两国桥梁规范关于车道折减系数的详细规定见表3～表5。

表3

中标JTGD6－2015横向分布系数

横向布载车道数(条)12345678横向车道布载系数1．201．000．780．670．600．550．520．50表4

中标JTGD6－2015纵向折减系数

计算跨径L0(m)纵向折减系数

150＜L0＜4000．97

400≤L0＜6000．96600≤L0＜8000．95800≤L0＜10000．94L0≥1000

0．93

表5

HA折减系数

加载长度

第一车道第二车道第三车道第四及其余L(m)系数β1

系数β2

系数β3车道系数βn

0＜L≤20

α1α10.60.6α120＜L≤40α2α20.60.6α240＜L≤501.01.00.60.650＜L≤112N＜61.07.1/(L1/2)

0.60.650＜L≤112N≥61.01.00.60.6L＞112N＜61.00.670.60.6L＞112N≥6

1.0

1.0

0.6

0.6

说明:α1=0.274bL，且α1不大于1.0;α2=0.0137{bL(40－L)

+3.65(L－20)};bL为名义车道宽度(m);N为加载长度为50m以上时的HA加载车道数。当桥梁为所有车道都可双向行驶的桥梁

时，N值为桥梁名义车道总数值;当桥梁为单方向行驶桥梁时，N值为桥梁名义车道数的两倍。

由表3～表5可以看出，当车道数为1～3时，中标折减系数比英标平均高14%，即中标比英标偏安全;当车道数超过4时，中标折减系数比英标低，即在多车道情况下英标比中标偏安全。其原因为中英两国车辆类型、车轴参数以及交通量的差异。1.4冲击荷载

中标采取冲击系数对冲击荷载加以考虑，冲击系数的计算由结构基频决定，具体计算如下:

当f＜1.5Hz时，μ=0.05

当1.5Hz≤f≤14Hz时，μ=0.1767lnf－0.0157

当f＞14Hz时，μ=0.45其中f为结构基频(Hz)

英标在制定荷载标准HA和HB时，就已经将冲击效应计入在内，无需单独计算。2

汽车荷载制定依据

中英两国桥梁规范的汽车荷载标准均基于可靠度理论编制。其中，BS5400依据《结构可靠度设计一般原则》(Generalprinciplesonreliabilityforstruc-tures，ISO－2394)，中标桥梁规范根据《工程结构

—112—华东可靠性设计统一标准》(GB50153)。中标《工程结构可靠性设计统一标准》借鉴了国际标准化组织的《结构可靠度设计一般原则》(ISO－2394)和欧洲规

范《结构设计基础》

，并结合我国工程经验和科研数据编制的。对比两国桥梁规范关于荷载标准可靠度设

计，二者在可靠度极限状态方程(下式)、结构可靠概率和可靠指标等概率描述(图8)没有差异。

Z=g(x1，x2，x3，…x4)=Ｒ－S式中

Z———结构功能函数;

x1，x2，x3，…x4———结构基本变量(如效应、

材料特性、几何参数

等);

Ｒ———抗力效应;S———作用效应;

Z＞0，结构处于可靠状态;即Z=0，结构处于

极限状态;Z＜0，结构处于失效状态。

图8结构功能函数Z的概率密度分布

注:据两国工程实际经验，设Ｒ和S均为正态随机变量且相互独立，故结构功能函数Z服从正态分布。由图可知，即为结构可靠度，且可靠概率、失效概率与有一一对应关系。

但两国可靠度具体规定存在不同，英标规范规定公路桥梁设计基准期为120年，中标取用100年。另外两国规范对可靠度的取值不完全相同:

中标根据《工程结构可靠性设计统一标准》，对目标可靠度指标如表6所示。

表6

公路桥梁结构目标可靠指标建议值

破坏类型安全等级

一级二级三级延性破坏4.74.23.7脆性破坏

5.2

4.7

4.2

英标得出目标可靠度选用建议如下:

公路2018年第4期

对正常使用极限状态:若结构状态可逆，β=0;若结构状态不可逆，β=1.5;

对疲劳极限状态:根据其检测可能性，采用β=2.3～3.1;

对承载能力极限状态:对于不同工程状况，采用β=3.1，3.8和4.3。

对比分析可知，对于不同工程状况，中标对目标可靠指标取值皆大于英标取值，即中标于可靠度设计较英标偏安全。

中标桥梁规范关于汽车荷载标准制定，依据全国各地交通量长期的观测资料，并在山西晋城南郊区、杨洼(207国道)、江苏扬州郊万福闸(328国道)、辽宁盘锦大洼县(305国道)以及河北承德三叉口(101国道)等地设立观测点，得到真实的公路交通荷载数据。每个测点选取五天的数据，主要在白天十二个小时内连续进行采集，总计得到六万多辆车的各项数据，包括车重、轴重等各个方面内容。同时，还通过人工的方法收集到道路一般堵塞情况下的相关数据。根据上述采集的数据得出:我国车辆荷载数据的分布参数一般满足伽马分布或对数正态分布。建立车辆模型并根据设计基准期100年内最大荷载效应某一概率来确定汽车荷载的标准值、频遇值及准永久值。最后以弯矩效应概率分布为准，取保证率为95%分位值(即失效概率)。通过分析，将频遇值系数取为ψ=0.7，准永久值系数取为ψ=0.4。

英国规范BS5400的HA荷载和HB荷载是在BS153的基础上修订得来，HA荷载包括在英国车道上所有正常行驶车辆的情况，HB荷载为车道存在的一些特殊工业荷载。HA和HB荷载的轴线重载、车辆重量等数据也是通过一系列实地调查得到。结合影响车辆加载的因素，如车辆交通流率、车流中重载车辆的比重、交通拥堵出现的频率及持续时间还有交通拥堵的车辆间距等，英国标准学会研究了诸多主干车道的交通模式，引入统计方法，利用敏感性分析来检验荷载的相关假设，最终得到HA与HB荷载的标准值。3算

例

本文以国内某项目作为实例用于对比中英车辆荷

载下的主梁内力。该项目纵桥向采用标准跨径为18m的装配式钢筋混凝土简支梁桥，根据英标，净宽7m取2车道，车辆荷载采用分别取HA荷载+HA荷载、HA荷载+30单位HB荷载组合加载;根据中标，应加载2车道，考虑冲击系数，使用公路－I级进行加载。使用MidasCivil以梁格法建立有限元模

2018年第4期曾卓等:中英现行桥梁规范汽车载荷对比研究—113—

型。

从表7可得，英标HA荷载+HB荷载组合内力大于HA荷载+HA荷载组合，故英标设计过程中最不利情况以HA荷载+HB荷载组合为准;英标计算弯矩比中标大62%，英标计算支点剪力较中标大1.08倍，其原因为英标计算考虑车辆重载效应更大。综上，英标的车辆荷载效应大于中标。

表7

计算结果

跨中截面弯矩(kN·m)支点剪力(kN)①中标703.7211.2②英标HA+HA994.5299.0③英标HA+HB1144.7441.0②与①差值比41%42%③与①差值比62%108%4

结论

(1)关于车道划分，当车道数相同时，英标车道

宽度普遍小于中标，无论车道数多少，英标车道总宽大体比中标小2.5m。按中标规定，当车道宽度相同时，双向通行的桥面车道数则一般少于单向车道。造成两国规范对车道规定差异的主要影响因素是二者对道路安全要求和基于汽车工业发展水平的不同。(2)关于车道荷载，英标车道均布荷载值远大于中标，在加载长度介于0～50m时，BS5400的车道荷载UDL值为中标均布荷载的240%及以上;在加载长度为50m～1600m时，英标的车道荷载UDL值约为中标的170%～240%。中标车道载荷的集中力大约为英标KEL的2.0倍～3.6倍。

(3)关于车辆荷载，英标中一个单位的HB荷载为40kN，在进行设计时HB荷载值一般介于1200kN～1600kN;中标车辆荷载为550kN。通常情况下，中标车辆荷载效应小于英标HB加载效应。与中标不同的是，进行结构最不利效应分析时，HB荷载可与HA荷载叠加作用于结构，而中标车辆荷载与车道荷载不允许同时作用在结构上。故英标考虑车辆荷载重载效应大于中标。

(4)中英两国规范都是基于极限状态的总原则，对荷载、荷载组合、极限状态等内容进行细化。关于荷载标准可靠度设计，二者在可靠度极限状态方程、

结构可靠概率和可靠指标等概率描述相同，由于实际情况不同，车辆和交通规则差异，因此荷载标准在细节上存在区别。

(5)经简支梁模型和工程计算，在最不利状况下，英标计算弯矩比中标大62%，英标计算支点剪力较中标大1.08倍，其原因为英标考虑车辆重载效应更大。综上，英标的车辆荷载效应大于中标。

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