从某种意义上讲,一个国家的交通发展历程,就是这个国家现代化的缩影。1966年,时任美国总统林登·约翰逊在签署创立美国交通部的法案时说,“在很大程度上, 美国历史就是她的交通运输史。”确实,人们常说美国是一个由轮子驱动的国家。先进文化思想的传播,超越地域、种族和习俗的融合,无不依赖于使人们得以自由迁徙的交通系统。
1956年6月,美国国会通过联邦高速公路法案,拨款300多亿美元建设长达41000英里(65600公里)的联邦(州际)高速公路。这是美国有史以来最大的一个公共建设项目,它开启了美国州际公路的时代。
这个由艾森豪威尔总统签署的交通法案,在当时也被称为国家州际公路和国防公路法(National Interstate and Defense Highways Act)。“国防”一词作为这个法案的标题,是因为投资款项中有部分是国防经费,而且这个公路系统与大多数美国空军基地都有直接的通道,可以在战时形成防卫系统。联想到50年代正处于二战结束后不久即开始的美苏冷战时期,“国防”一词出现在交通法案中,既体现了当时的历史背景,也突显了交通的重要。
州际高速公路项目启动之前,尚未有过联邦政府限制卡车的尺寸和毛重的立法。各州根据当地的运营情况,对在州政府管辖范围的道路上运行的卡车尺寸和毛重,有各自的限制条件。在大规模投资公路建设的同时,国会认为联邦政府应该对使用州际公路的卡车实行更直接有效的控制。于是,1956年国会通过了限制卡车尺寸、最大轴重、车辆总重的立法。规定在州际公路上行驶的卡车,总重不得超过73280磅,单轮轴重不得超过18000磅,纵列轮队(tandem)总轴重不得超过32000磅。卡车的宽度不得超过96英寸。车辆的高度和长度则由各州自行限制。这个关于卡车总重和轴重的限制,与AASHO当时的桥梁设计标准规范中,对于汽车活荷载的规定是一致的。
同时,联邦法律也授权各州,允许原来已经在各州公路系统合法运营的重车在联邦公路系统行驶。这就是所谓的“祖父权利”。“祖父权利”条款是一种弥补,它的作用是避免联邦法与原有的各州独立实施的公路条例冲突,增加特定情况下的适应性。截至2012年,美国国会授权法律修订委员会(Section 127, Title 23, United States Code)一共颁布了3次“祖父权利”。
第一次于1956颁布,对当时联邦公路法中限制轴重和卡车毛重的条款进行补充;第二次是1975年,国会将1956年容许的最大卡车总重提高为8万磅,对应的单轮轴重增至2万磅,纵列轮队(tandem)总轴重增至3.4万磅。这个法案修订是应对当时燃料大幅度涨价,相当于容许卡车货运以附加的载货能力来补贴燃油的涨价。第三次于1991年颁布,批准所谓的“组合长车”(Long Combination Vehicles,LCV’s)在联邦公路上行驶。
商业运输车辆的经济效益与道路和桥梁的保护是一对矛盾。仅仅限制卡车的毛重和单个轴重,不足以有效保护路面和桥梁。在50年代末,AASHO组织了一系列道路和桥梁的实地测试研究,以确定货运车辆对路面的磨损和对桥梁结构的损伤。这些研究结果成为AASHO颁发的“刚性和柔性路面设计指南”的基础,也促使AASHO在1964年向国会呈报一个提案,建议用“桥梁公式”来取代单纯的毛重和轴重,从更多的方面限制卡车活载。1975年,在国会批准提高卡车总重量为8万磅时,这个“桥梁公式”也同时在联邦公路法案中正式使用,成为联邦桥梁公式,表示为——
W=500 [LN/(N-1)+12N+36]
其中,W=两轴或多轴卡车的最大容许毛重(磅),根据卡车的轴数和轴距计算得出
L=任何两个或多个连续车轴的外侧车轴间距(英尺)
N=计算中考虑的(L范围内)轴数。
任意两轴都必须进行验算。以此车为例:
一辆拖车加3辆长28英尺或28.5英尺的挂车
一辆拖车加两辆48英尺或45英尺挂车(上)
一辆拖车加一长(48或45英尺)一短(28或29英尺)两辆挂车(下)
1-5轴,L=51, N=5,计算所得W=79.875,约等于总重8万磅;(基本满足联邦桥梁公式要求)
1-3轴,L=20,N=3,计算所得W=51千磅>34+12=46千磅;
2-3轴,L=5,N=2,计算所得W=35千磅>17+17=34千磅。
活载的限制由于不断发展更新的卡车配置变得更加复杂。联邦公路法案有8万磅的限重规定,在密西西比河以西的公路上,一直有总重超过8万磅的长车畅通无阻,这种长车在东部的高速公路干道上也时常出现。1991年,第三次“祖父权利”条款颁布,使得组合长车在联邦公路上行驶成为合法。
所谓的组合长车是指下列三种车型——
1.一辆拖车加3辆长28英尺或28.5英尺的挂车。
2.一辆拖车加两辆48英尺或45英尺的挂车。
3.一辆拖车加一长(48或45英尺)一短(28或29英尺)两辆挂车。
卡车的拖-挂组合有很多种可能,而且实际应力与根据卡车模型计算所得的结构应力之间也有差异。AASHTO在桥梁检测和维护手册里,定义了两个应力水平,一个是根据HS20计算得出的设计应力,另一个是运营的实测应力。实测数据表明,尽管不是常态,但是确实出现实测应力高出设计应力30%的情况!
1993 年, AASHTO第一版以荷载和抗力系数设计(LRFD)的桥梁设计标准规范颁布。与之对应的,以概率统计为依据制定的汽车活载称为HL93,取1993年首次采用的公路活载之意。HL93覆盖了H20、HS20和“祖父权利”包含的卡车,可以认为是用一种新的活载模式,概括了以往联邦公路法案容许的卡车类型(HL93活载表示如下图)。
HL93活载表示