1浅析四浅析四级级公路小公路小桥桥按新按新车辆车辆荷荷载标载标准要求准要求进进行改造的承行改造的承载载力力问题问题潮州市交通局 施泳鑫【 【摘要摘要】 】： ：公路桥梁荷载标准的变化，使许多四级公路旧桥改造面临承载力达不到新技术标准的问题，本文以较为常见的整体简支办（梁）小桥为例，从控制桥梁肢体结构设计的两个重要效应：板（梁）跨中弯矩和墩顶压力入手，通过对汽－10 级、汽－15 级计算荷载产生的效应与公路－II 级车辆荷载效应的 0.8 倍进行计算分析对比，并对四级公路小桥改造的可行性和方案进行粗略的探讨，认为原设计为汽－15 级计算荷载的小桥改造利用比较可行，而技术状况较佳的汽－10 级计算荷载小桥下部构造有一定改造利用的潜力，希望对旧桥改造能起一定参考作用 【关关键词键词】 】： ：公路 桥梁 改造 荷载【 【正文正文】 】： ：旧桥加固改造是公路养护中一项重要课题，我国有数量众多的中小桥梁，随着车流量的增多，公路建设的日益深入，地方经济发展加快，旧桥由于荷载标准低，宽度窄，将逐渐成为交通瓶颈，对旧桥进行改造日益成为一项紧迫的任务我国的四级公路桥梁按照以前的《公路工程技术标准》（JTJ 01－72、81、88、97）要求，多数采用汽－10 级计算荷载，也有部分采用汽－15 级的计算荷载，这两级荷载在 2004 年颁布的《公2路工程技术标准》（JTG B01－2003）中已被取消，但为保持标准的连续性，并兼顾四级公路桥梁的改造加固，新标准规定“四级公路重型车辆少时，其桥涵设计可采用公路－II 级车道荷载效应的 0.8 倍，车辆荷载效应的 0.7 倍”。
新标准一项重大的变化就是将沿用多年的桥涵设计车辆荷载由车队荷载计算模式调整为车道荷载模式，简化了桥梁结构设计时的计算，对不同跨径产生的荷载效应更合理，更具连续性，有利于改变以往荷载标准造成的设计荷载与实际运营允许荷载相同的错误观念针对四级公路桥梁多，建成年代久，设计标准低，改造迫切的情况，对汽－10 级、汽－15 级计算荷载产生的效应与公路－II级车道荷载效应的 0.8 倍进行进一步的对比分析，有利于寻求合理可行的桥梁改造方案，节约工程造价，提高投资效益，对指导四级公路桥梁改造具有一定意义由于四级公路多数为小桥，且有不少为整体简支板（梁）的上部结构，因此就以整体简支板（梁）构造为例，对在三种车辆荷载单车道布载作用下产生的两个控制桥梁设计主要效应：板（梁）跨中弯矩和墩（台）顶压力进行对比分析，这两项效应涉及的结构设计属于整体计算，需采用车道荷载小桥单孔标准跨径范围是 5～20 米，为方便计算，计算跨径L 也按 5～20 米的范围变化虽然新《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62－2004）中对汽车冲击力系数的计算方法与旧规范不同，但两者结果相差不大，不会对荷载效应的对比产生根本性的影响，因此以下计算不考虑汽车冲击力。
一、板（梁）跨中弯矩效一、板（梁）跨中弯矩效应应比比较较3跨中弯矩影响线如图：影响线峰值为：Yi=1/2×L×1/2＝L/4，影响线面积为：Wi＝1/2×L×L/4＝1/8×L2汽－10 级计算荷载的重车后轴重 100KN，前轴重 50KN；主车后轴重 70KN，前轴 30KN汽－15 级计算荷载的重车后轴重 130KN，前轴重 70KN；主车后轴重 100KN，前轴 50KN一）汽－10 级计算荷载1、计算跨径 L：5 米～8 米，其最不利位置如图：车辆荷载在跨中产生的弯矩为：1/2×100×1/2×L＝25L（KN.M）2、计算跨径 L：8 米～10 米，其最不利位置如下图，跨中产生的车辆荷载弯矩为：1/2×100×1/2×L＋（L/2－4）/2×50＝37.5L－100（KN.M）LL/2Yi10050L/2L/241005043、计算跨径 L：10 米～18 米，其最不利位置如下图，车辆荷载在跨中产生的弯矩为：1/2×100×1/2×L＋（L/2－4）/2×50＋（L/2－5）/2×30＝45L－175（KN.M）4、计算跨径 L：18 米～20 米，其最不利位置如下图，车辆荷载在跨中产生的弯矩为：1/2×100×1/2×L＋（L/2－4）/2×50＋（L/2－5）/2×30＋（L/2－9）/2×70＝62.5L－490（KN.M）（二）汽－15 级计算荷载其最不利荷载位置同汽－10 级，将以上图示车辆布置分别调整为汽－15 级的重车和主车。
1、计算跨径 L：5 米～8 米，5L/2410050470305L/2410050470305车辆荷载在跨中产生的弯矩为：1/2×130×1/2×L＝32.5L（KN.M）2、计算跨径 L：8 米～10 米，车辆荷载在跨中产生的弯矩为：1/2×130×1/2×L＋（L/2－4）/2×70＝50L－140（KN.M）3、计算跨径从 L：10 米～18 米，车辆荷载在跨中产生的弯矩为：1/2×130×1/2×L＋（L/2－4）/2×70＋（L/2－5）/2×50＝62.5L－265（KN.M）4、计算跨径从 L：18 米～20 米，车辆荷载在跨中产生的弯矩为：1/2×130×1/2×L＋（L/2－4）/2×70＋（L/2－5）/2×50＋（L/2－9）/2×100＝87.5L－715（KN.M）（三）公路－II 级车道荷载效应的 0.8 倍其最不利荷载布置如下图根据《公路工程技术标准》（JTG B01－2003）的规定，公路－II 级车道荷载的集中荷载标准值 Pk 和均布荷载标准值 qk 分别按以下计算：集中荷载 Pk＝【180＋（L－5）/45×180】×0.75＝120＋3L（KN）均布荷载 qk＝10.5×0.75＝7.875KN/m车辆荷载在跨中产生的弯矩为：(Pk×Yi＋qk×Wi)×0.8＝【（120＋3L）×L/4＋7.875×1/8×L2】×0.8＝1.3875L2＋24L（KN.M）。
6根据以上分析计算，在三种荷载作用下跨中弯矩随跨径变化如下图表：跨中弯矩（KN.M）跨径 （M）汽－10 级汽－15 级车道荷载5125162.5154.696150195193.957175227.5235.998200260280.89237.5310328.3910275360378.7512365485487.814455610607.9516545735739.218635860881.552076010351035qkL/2Pk车辆荷载产生的板(梁）跨中弯矩效应图0200400600800100012000510152025 跨径弯矩汽－10级 汽－15级 公路－II级0.8倍7二、墩顶压力比较墩顶压力影响线如图：影响线峰值：Yi＝1，影响线面积 Wi＝1/2L（一）汽－10 级计算荷载1、计算跨径 L：5 米～11.6 米，其最不利荷载位置如下图，车辆荷载在墩定产生的压力为：100＋（L－4）/L×50＝150－200/L（KN）2、计算跨径 L：11.6～20 米其最不利荷载位置如下图，车辆荷载在墩定产生的压力为：LYi4100508100＋（L－5）/L×30＋（L－9）/L×70＝200－780/L（KN）（二）汽－15 级计算荷载其最不利荷载位置同汽－10 级，但其随跨径变化临界点是10.875 米，并将以上图示车辆布置分别调整为汽－15 级的重车和主车。
1、计算跨径 L：5 米～10.875 米，车辆荷载在墩定产生的压力为：130＋（L－4）/L×70＝200－280/L（KN）2、计算跨径 L：10.875～20 米车辆荷载在墩定产生的压力为：130＋（L－5）/L×50＋（L－9）/L×100＝280－1150/L（KN）（三）公路－II 级车道荷载效应的 0.8 倍其最不利荷载布置如下图，车道荷载在墩顶产生的压力为：0.8×（Pk＋1/2×L×qk）＝0.8（120＋3L＋1/2×L×7.875）＝5.55L＋96（KN）qkPk5410050470309根据以上分析计算，在三种荷载作用下墩顶压力随跨径变化如下图表：墩顶压力(KN.M)跨径 （M）汽－10 级汽－15 级车道荷载5110.00144.00123.757121.43160.00134.859127.78168.89145.9510.88131.61174.25156.3611.60132.76180.86160.3813140.00191.54168.1515148.00203.33179.2517154.12212.35190.3520161.00222.50207.00三、旧桥改造情况分析根据以上分析和计算，车道荷载效应的 0.8 倍无论是在板（梁）跨中弯矩或墩顶压力上都比汽－10 级荷载效应大很多，而车辆荷载产生的墩顶压力效应图0501001502002500510152025 跨径压力汽－10级 汽－15级 公路－II级0.8倍10且随跨径增大相差更明显，两者的比例在跨中弯矩上的变化是1.24～1.36，在墩顶压力则是 1.13～1.29。
而车道荷载效应的 0.8倍与汽－15 级荷载效应在板（梁）跨中弯矩上则比较接近，对比例系数最大的也只有 1.08，在墩顶压力上则车道前者一直比后者小，两者的对比系数在 0.84~0.93 间变化因此，采用汽－10 级计算荷载的四级公路小桥，简支板（梁）的设计承载能力无法满足车道荷载效应 0.8 倍，简单的改造利用是不能达到新技术标准要求的，可考虑新建上部结构、增厚增强板（梁）或将多孔简支梁改造为连续梁而墩台则可根据实际情况进一步分析其改造利用可行性，对受地基承载力控制的墩台设计，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》规定，经多年压实未受破坏的旧桥基，其地基承载力提高系数为 1.5，在这种情况下如果跨径较小，则墩台改造利用比较可行采用汽车－15 级计算荷载的四级公路小桥，其简支上部构造基本能够达到车道荷载效应 0.8 倍的要求，可以考虑改造利用；而墩台由于原设计考虑的效应比车道荷载效应的 0,8 倍还大，改造利用则更加可行，甚至在墩台受地基承载力控制，旧桥基经多年压实未受破坏的小跨径桥梁中，其墩台有可能经改造后达到公路－II 级的荷载要求当然，桥梁的承载能力受很多因素影响，如管养、超限运输、施工质量等，单纯通过理论分析是不够的，旧桥改造前应首先对旧桥的技术状况进行全面深入的分析调查，需从外观状况、行车情况、原设计等级等方面进行考察，最可靠的办法则是进行承载力试验。
11对新建四级公路桥梁，个人则认为其设计车辆荷载标准直接采用公路－II 级较好，而不要进行折减，虽然会使投资略有增加，但在超限运输比较普遍又难以控制的情况下，提高桥梁设计承载力标准是相对较为经济可行的 【结语结语】 】：公路工程技术标准、规范是工程技术的指南，但单纯从字面上理解和执行规范是远远不够地，还需要进一步对标准、规范的要求和变化及其产生的影响进行分析论证，才能更好地指导实际工程运用作者由于工程经验和学识有限，本文进行地分析探索也比较粗略，可能还有不少错漏之处，请同行和专家指正，也希望与大家共勉，不断提高和积累公路工程技术知识 【参考文献参考文献】 】： ：《公路工程技术标准》（JTG B01－2003）《公路工程技术标准》（JTJ 01－97）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ 024－85）《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60－2004）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62－2004）《结构力学》二〇〇六年六月三十日。