车辆荷载的“稳”与“进”

学以致用3 2023-06-08 发布于广东

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任何事情都是有极限的，桥梁的承载能力也是如此。

桥梁在服役过程中，需要承担各种各样的荷载，包括桥梁结构本身自重，以及车辆荷载、非机动车荷载、人群荷载等。桥梁设计荷载的合理性，是影响公路桥梁安全性、经济性、耐久性的重要因素之一。其中，车辆荷载作为公路桥梁的基本可变荷载之一，在公路桥梁设计中占有很重要的地位。桥梁设计车辆荷载标准必须适应于公路交通流特性、交通量大小、道路运输状况，以及今后的发展趋势。

从新中国成立之初，我国着力恢复交通运输，到21世纪，交通运输迈向科学发展新阶段，我国交通部门对公路桥梁设计汽车荷载进行了七次修订，以满足各个时期公路交通运输实际。

基于实际兼顾发展的迭代

新中国成立前

荷载标准基本借鉴国外标准

新中国成立以前，与公路桥梁相关的技术标准主要来源于国外规范，其中有2本比较重要的准则对我国早期公路等级划分和桥梁设计载重标准有了明确规定——

1940年，在公路工程的设计准则及公路桥涵设计准则中，明确将公路分为甲、乙、丙3个等级，各级公路又按照地形分为平原、丘陵、山岭3个标准。该设计准则还规定了永久性公路桥梁的设计载重为15t或20t, 半永久性公路桥梁为10t～15t, 临时性公路桥梁为7t～10t。后来，因为各主要公路需通过军用重武器的原因, 所有桥梁载重均规定为15t。

1947年，在当时的《公路桥涵设计准则》中，标准车辆荷载取自美国规范，但增加了主要参考赵国华公式确定的等代荷载的均布荷载值。

1949年至2003年

与时俱进释放运输活力

新中国成立后，百废待兴。1951年我国发布了首部具有历史意义的公路技术标准——《公路工程设计准则（草案）》。此后直到21世纪初，随着经济社会的发展，以及各个时期交通运输的实际情况，公路工程设计准则（公路工程技术标准）共历经5次修订，总计形成6个版本。在这段时期中，桥涵或受车辆影响的构造物所用的车辆荷载，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, 验算荷载则在不同时期以拖车、履带车或平板挂车表示。

第一次修订。1954年9月，我国颁发了《公路工程设计准则》，确定了5种计算荷载，计算荷载车队包含若干标准车辆和一辆加重车。

第二次修订。1956年6月，我国颁发了《公路工程设计准则（修订草案）》，增列了六级公路和3种验算荷载，统一了公路工程技术标准。

第三次修订。1972年3月，我国颁发了《公路工程技术标准（试行）》，该标准将公路划分为1～4个等级，这对今后的公路建设起到了一定的促进作用。而计算荷载则调整为3个等级，分别是汽-10、汽-15、汽-20。验算荷载同样调整为3个等级，分别是履带-50、挂车-80、挂车-100。此次修订的车辆荷载标准模式，基本上奠定了其后三十多年车辆荷载标准的基础。

第四次修订。1981年5月，我国正式颁布了《公路工程技术标准》（JTJ1—81）。该标准在1～4级公路之上增列了高速公路，从而使得公路等级更加齐全。1985年，我国颁布了《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—85），增加了汽车-超20级及挂车-120，从而确定了4种计算荷载和4种验算荷载。本次修订后的车辆荷载标准模式一直被沿用至2003年。

图1 汽车-超20级（各级汽车车队纵向排列）

图2 平板挂车和履带车荷载的纵向排列和横向布置

第五次修订。1989年，我国颁布的《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—89）将公路按交通量及其使用任务、性质分成两类五个等级，即汽车专用公路与一般公路两类，高速公路、一级、二级、三级、四级等五个等级。目的是把汽车从混合行驶的车辆中彻底解放出来，这一调整也改变了我国交通运输的面貌，充分发挥了汽车运输在整个运输网中的作用。

2003年至今

理顺标准助推高质量发展

自改革开放以后，我国经济实力突飞猛进，公路交通事业蓬勃发展。进入21世纪后，我国特大跨径斜拉桥与悬索桥的建造与日俱增，这对公路桥涵设计用车辆荷载标准模式有了更高更新的要求。若继续使用车队荷载模式设计桥梁结构时，计算会变得非常繁琐且难以适应不同跨径的需求。

与此同时，世界范围内现代桥梁的结构设计理念，已由传统的容许应力法走向极限状态法。纵观英美等发达国家，简洁实用的车道荷载已被普遍采用。①随跨径变化的均布荷载+单一集中荷载：英国早在1978年就颁布了第一个极限状态设计规范BS 5400，分别定义了HA荷载（由一个120kN的常量集中荷载和一个均布荷载W组成，均布荷载W随跨径变化而变化）和HB荷载（特殊车辆荷载），其最突出的特点就是在车道荷载中充分考虑了大、中、小跨径的不同要求。②均布荷载+单一集中荷载：美国于1994年首次颁布了基于荷载和抗力系数设计的LRFD桥梁设计规范。新的AASHTO考虑了三种活载：设计货车、设计双轴和设计车道荷载（qk=9.3kN/m）。设计车道荷载分别与设计货车和设计双轴进行效应组合，取最不利组合作为控制组合。后来，德国、加拿大、日本都相继在可变荷载中采用车道荷载，只不过根据各国国情作了一些特殊变化。

随着各国逐步采用车道荷载与车辆荷载并行制，我国也需要解决原有公路桥涵设计用车辆荷载标准中不尽合理的部分，并结合社会经济和公路桥梁的发展趋势，调整公路桥梁荷载标准，同时与国际接轨。

第六次修订。在交通部颁布的《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）和《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）中，公路桥梁结构设计的车辆荷载标准模式有了重大调整：调整后的汽车荷载分为公路-I级和公路-II级，并取消了验算荷载。公路-I级相当于原汽车-超20级标准荷载，公路-II级相当于原汽车-20级标准荷载。汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，车道荷载采用更为直观有利的均布荷载（qk=10.5kN/m）+随跨径变化的集中荷载的模式，而车辆荷载则采用550kN的五轴标准车辆。车道荷载同计算荷载一样可用来计算结构整体效应，包括倾覆效应，并在全桥车道范围内根据影响线进行布置；车辆荷载同验算荷载一样可用来计算局部构件，其中车辆荷载沿纵向只能布置一辆，沿横向可布置多辆，验算荷载全桥纵横向都只能布置一辆。

图3 车道荷载计算图示

图4 车辆荷载的立面、平面尺寸

（尺寸单位：m；荷载单位：kN）

第七次修订。2008年至2011年，公路桥涵设计规范编写组结合交通运输部西部交通建设科技项目“桥梁设计荷载与安全鉴定荷载的研究”，开展了全国汽车荷载现状调查和统计分析。结果表明，汽车荷载变异性较过去增加很多。由于中小跨径桥梁恒活载比例较小，这对小跨径桥梁的影响较大，实际中出现的重载车辆压垮桥梁的事故，也多为中小跨径桥梁。

鉴于此，在2014年交通部实施的《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）和《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）中，除了增加桥涵结构的设计使用年限规定、明确各类公路桥涵结构设计安全等级以外，还对公路桥梁设计汽车荷载标准进行了调整，提高了二级公路的汽车荷载等级，取消了四级公路的折减系数；提高了跨径在5m以下桥梁的车道荷载集中荷载标准值，对50m跨径以内的桥梁设计汽车荷载效应有所增加。该规范一直被沿用至今。

综合考量聚力高质量发展

现如今，立足于新的发展阶段，我国也正逐步由“桥梁大国”向“桥梁强国”迈进。

截至2020年末，全国公路总里程达519.81万公里，公路桥梁达91.28万座、6628.55万延米。与建国之初相比，我国的交通运输行业发生了翻天覆地的变化。

在公路桥涵设计用标准车辆荷载方面，我国在充分调查、研究的基础上，经过大量的科学计算、分析和研究，先后经历了七次修订，反映了当前一段时期公路交通荷载的真实情况，并考虑了今后相当时期内的发展趋势。

纵观国外公路、桥梁的发展，在世界经济不断协调发展的前提下，各个国家根据自己的汽车工业的发展需求、交通运输的发展要求、公路（桥涵）的承载能力及管理和养护技术情况，寻求最佳的社会效益与经济效益的增长点，制定有关的公路桥涵设计标准车辆荷载。