11-美国公路桥梁设计规范中关于设计汽车荷载的研究

1、公路桥據没it規屮汽1 钱的研究 fe怀利f65美国公路桥梁设计规范中关于设计汽车荷载的研究阮怀圣，马润平(中铁大桥勘测设计院集W冇限公司.湖北武汉430056)摘 要：笑IM公跻桥來没计规范(AASIITO LkFh)中没计汽乍俏钱种炎衫杆H.U众介招该规范屮关十 HL93没M汽牟蒭鲮的和又規丄.以及ft栽彩鴯线的动态舰M法分析廉理进rfu研宄殳轴形式的 HL-WS计汽卒碑找在MIDAS Civil通用有M元软打屮的快速实现方法,对M外M实桥进行HI.-93设计汽年 薷載效A分析并与屮W規范做对比分析 结果表«!««*等裁雄-梁着轴郎的塌加主梁支点负穹 矜屮1E

2、穹妬战漸城小iiftjMifil-a?的増加妗屮1EQ»!姑本1变支点负勾矩兄现;tm人Iftjr；逐渐城小的拽汴，.屮 W公略I级与夹ra HL 93设计汽午«快效构扣比主梁的力勾跨中E与ft- iii A比Ifi秭大.支点ft筠前*比招 矜小1S外左；G*关轤调：AASHTO LRFFhit计汽本舞我i影响浅：动态规划法:分析 中困分类号：U44l.2iU442.51文獻标志W: A文章纗号：1671-7767(2012)01-0065-05994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

3、rights reserved, I引言随着中国桥梁辻设的快速发展.中W桥梁设计 逐步向海外市场拓展在亚洲、非洲等地承袒建设各 种ft速公路和桥梁11。U前在很多非洲和什.洲W 家.灾国桥梁结构设计规范(AASIIK) LRFD)被曹 遽接受，AASHTO LKFD(1994)中设计汽车荷毂 种类多样其不(H存车道份栽，而I L介变轴斯.变车 卵笄形式的车鹣荷级.这与屮w公路桥涵设计a用 規范(JTG D602004(簡称屮ffl 04规范对P汽 车荷伐的規记冇牧人+ 对AASHTO I.REI) (1994)中关于HL-93设计汽乍荷栽的相关規定及 其在通用有限元软件中的劣现方法进行研ft,

4、并与 中田規范作对比分析.2 HL 93设计汽车荷载2.1多车逬荷a布黃参照 AASHTO LRHX1994)第 3.6.1. 1条.与 衫午道进行疴战布背时W考虑横向折减，屮、关网 W没ilW范对半道撗向折减系数的取值左W较人 (见农1).由农1可见.丨个车道时AASHTO LR- FD(1994)的车道檐向折减系数大于1，这主要是因 为ii拽范足按2个小W按照中个:道來统讣 的.因此為只有1辆车作用在桥上时，有可能比料 作用在析I.吋的仟意-辆牢还要里，故取值1.2 n 合实际怕况。外.AASHTO LRFD(1994)与中H 04现范相比.乍道搽14折减系数大，表1车道橫向折滅系数取值.

5、午道折减系ft w取ftm| _2選 AASHTO LRFIX 1991)(1 )中曲 041 1.201.001.202L00LOOI. 0030.350. 781.0910.850.671.2750.8S0.601.42fi0,35D.S5L5570.850.521.6380.85O.SO1.702.2没计汽车权的炎切AASHTO LRFD( 1994)規*对子 1 辆设计 il 车«ft(HL-93设计汽车荷栽)，应包括卜列2项 的组介:a计货车或设计轴1a计车道«載设计货每:的前车轴呎力35 kN.两后车轴釈为 145 kN.2个145 kN的轴跑在4. 3-9.0

6、 m之间变 化.横向轮跖1.8 m;没i|双轴应乜括1对110 kN 的轴重，粬跑1.2 m,横向轮距1.8 m;设计车逬萄 载由1个9. 3 kN/m的纵向均布荷载组成，横向銀 定没计午逬荷我均布在3.0 m的宽度上。HL-93 中1辆设计汽午荷荘的计»阁示见阁1。2.3设计汽乍荷权的选用»则AASHTc LRFD( 1994)規定，对于设i|汽车ft 毂产生的fi大内力效W取F列3种悄况的ft大也: 没汁双轴的效应1j设计车堪菊栽效应的叠加;I 辆没计货f:(变轴距)的效应没H东道(i載效1、5的 竹加：2納设汁KT效应的90% 设it午边荷®收 W卩 _:2

7、011-的一19作者閨介：怀(1982-).yj. EKW.2006屮毕业rWl«1交通人学土木Iff V业.1.学f »：.2008牢毕ft f A A通人孚桥梁Eft 专业.L学场 fc(E-mail：ranRlvUa! 163. rom.IW公FS桥比ttil規&屮X j- W il汽1兑钱的研宄 奴怀十 'Y6735 kN145 kN14S kNI,rr(a)没if货T佾伐no kN 110 kN 丄c)(乂1.2b(b)设计双轴两钱(c)没计车道角我，位：a图I Hl. V3设计汽车荷数的计3围示1994-2012 China Academic J

8、ournal Electronic Publishing House. All rights reserved, 圈2汽一20荷載计算囹示效碎的90%的盘加(本条K针对2个怄钱反穹点之 间的矩及肉墩反力)。2辆Sil ft 的布迓方 式为：G午的前轴*nW的C轴之间的乍距不小丁-15 m毎解货车中的2个145 kN的柚駔为1.3 m.掠1:所述.结构的不同ft栽内力效应職分析 工况W农2_表2设计汽车荷教产生的鱖大内力效应及分析工况没汴汽乍ftrt夾咿分析1况1辋番计ft车<A>内墩S力、2个hi级反巧点之叫的(ft巧矩外堆反力、钧力*2个反穹点之间的正弯矩设计双轎(B)设计l&#

9、171;(c)2|R设计费车<D>mRx( A * C.B+C，0. 9C+0. 9D>max(A + (B+C)3彩响线计算原理介绍AASHTO 1.RFIX 1994 )汽乍荷拔的计算箱费 利叫彰响线2进打，以公路桥涵设讣通川鴂范> JTJ02I89中汽一20车辆菊弦为例对其计算原 押8*4做»要介绍.计算曲示见B 2.苗先研究1列轻车(即乍列中没有®今:的怕 况。用来表承作用于z处的丨辆轻车对内力的 影晌值:/(') =十pzy<t 士 ft)式中为影响线在/点的纵平标。假没妗午:布我b< M为“ .6.在0.6卜.H时布

10、茛w辆汽车其车位为-<tb,则此 »辆乍的总影响值为:鏵 F(W.h “2 "/«) =Ttt.求K时a.6卜.1列起的记+利内 力M(a,6)可归结力求H仃变(».“, “ ')的 呐数!:(：“'”.C>在找性约束卜的扱人仉 M题：= max! maxF(n./| ./)这足一个数7: W划问题.W屮敁为饤效的数tti 解法为Bellman提出的动态規划法。按照动态 规划的本»押.可让V. l"J题的递推公穴。杓选 扞步长A 将布我I*:问«,/>肉敝化，此少长将1<问 m等分，則

11、等分点位置为:X, = a 十'X A </ = 0,1，'"> ，“ =(I)： + /A)/A ；lC 乂2 = (Du + /Z +LMA则|X(R«-r.上W辆轻乍Ilf能发t的Jd个利内 力Uh = M(a，！,)，经数学推纾知«.G)满足如 下递推公式：M.ii (f) = max ： /(X,) + uH(i Li".，(' 一 1)- 利用上式可依次求得MitOXw/Xtfid), u, (Nt),则 M,(wi) = jU(u ./;) I* M 上籽车引起的砧不利内力tf。对T在汽车4-队中(攻Y的

12、悄况可将整个车 队fi ll山3部分组成:重车本fl 它的加理内力记 作(;< I山X车左込的标准车.该标准车产生的内 力值«.( !-/>,)»篥车右边的标准车.该标准车产 生的内力值当重车摆在处(见H3 吋，就得到此时列车91起的内力LCr.):L(.r. > = (V( j , > 十<)/*|)十 ii.()十 In ) 将乎:车逐次在裱个区M托分点布筲，则可求得 粮个列车作用下的总的鉍大内力为：.V/ = maxL(xt) (i = 0.1 ./«)4有限元软件中HI.-93设计汽车荷数的实现4. I变轴8、变车妒的实现方法

13、HL-93设汁W车荷裁摘®类型多样.ft存在 变轴Hi、变牢形穴.01W内IIiWlIW的疥梁V业 软件还没冇针対® W桥梁设计现范专门开发的模 块，因此給I程师的海外桥梁设计带来定的布®,行th.D* O»Pi*fh围J重车加数位置MIDAS Civil软件是H前桥梁设计領域应用较 为广泛的通用空间釘限元软件之一，K对于汽车ft 战的计锌fe埋采川的也足动态规划理论.例在W体 操作处理上显M更加方便.该软件可通过“用户自 定义”的方式任意定义窄辆的轴攻 '轴职以及4:职.从 Iftj形成一卒辆荷。对于HI.-93没计汽T荷珙中 车辆的变轴距以及

14、变r距问購可以通过妃义“午辆 组”的方式来实现.即每隔K千炬离（轴Hi或车 此）将其定义为-车辆荷载，然后不同摘K（成车圯 的车辆定义到冋-个"车辆份伐组”屮.对丁埒一个 “V辆荷钱组'按照影响线般不利方式进行加饯.从而 计钌出It结构的荷我内力效A.Jii后冉对外个“乍辆 荷载组”按照衣2中的分析I:况进行效应组介分析。经反H澜试发现该W序对£“汁车逬”沿钱i4 以n动计入冲击系败.而-没计货车与“没汁双轴” 荷载由于只能用“挂车菊載”类型来模拟.而程序对 干该种釣伐災m未能汁入冲山系数< w此.为了汁 符心迚达议d:移动荷伐分析前处理铯体il 时先 忽略冲

15、山系数的影响，而将Jt放在G处现的荷载组 介中以纽介系数的方式农芩出改闪尜的影响， 4.2加我方法MIDAS Civil的移动加ft h式分为2种：fi +利点的影响浅加伐：所介点的影响线加®。W小利点加钱:4:轮只加战在®内力W大、®小的位置，即当前、后车轮位丁影响线WV不 同的区域吋.忽略负值（或lEfrt）。该方法的结果将 比实h结果稍人.a川于所仃移动荷载的强度加钱。 所打点加战：*J影响线的lE.ft符号尤又.各炎 中荷栽依次沿着乍道进行，加栽3所有点t，该方法 接近于实际荷我的作用情况.适月! f火车等列车荷 媒的影响线疲劳加级，因此.HL-93设计汽

16、乍荷载可使用-最不利 点”的影响线加弦方式。4.3车辆W不利加伐位罝的确W对于菜加裁£况下，如何确定车辆的最不利加 载位筲也垃没计人心的问题。据f解内人 多数专仆桥梁软件般都只输出W不利内力，并小 提供车辆的»不利加栽位置，这对f要求精细的海 外桥梁结构没汴来说.V.得相、不足.对子此问题MIDAS Civil Hi供了一种快速斛决方法-移动 荷ttic踪器”，该tw可以力便、快速地追踪并n观 地W示#致梁单元产t挝大（般小 > 内力崦 反力）的车辆加我位罝，5算例分析非洲苏丹共和ffl某桥为（3O+5X4O + 3O） m的 连悚！4讲梁装配式公路钢桥.押论计釕跨垵

17、分别为 30. 18 m 和 39. 624 m.贝（I；梁标准段长 3. 048 m, 离2. 13.1 m双向两车道位FWffK内側.车道序宽7. 35 in，多车道系数"' = 1.0.活tt冲击系数丨+戸=1.196.主梁横断面见曲4.7 350图4贝宙梁横断面示意 si汽车荷a加钹分析5. 1 1敁不利加ft I:况该桥采用AASHTO LRFIX199O进行结构设 计，为简化计算，汽车荷栽计锌时只考虑其中1片1： 桁.且按照加栽1车道考进其中支座最大、最小反 力值见阳5.«对应的®不利加载况为0.9X（设 计东道銪載十2辆没计货fnj ft）

18、I剪力包络田见ffi«令&力|大fi力_505丨 I 0021 0416. 其对应的ft不利加我T.况力0. 9X （设计车进菊 後十2辆没计货个荷战）：巧妬包络mwjvi 7,jt对极 的番不利加级I:况为時中垣大正弯矩：1辆设计货 车载十S计车遒梅栽*支点最大负穹矩:0.9X（设 计车逬荷我+ 2辆没计货车荷我）。圈S支座反力值从W5阁7可见.采用HL-93没计汽车ft 伐lM,i崦反力.I.梁叻力及i点W大负巧对叫的 »不利加栽n况均为设计车道b 2網设计货车ft载 i«jw加议：上梁跨屮w人正a圯对应的w小利加a 匸况为1« s计货年w钱

19、与设计+:逬«钱冋吋加栽，5. 1.2最不利I:况下的车辆布钱怙况以第3支点产生敁大负弯矩的鉍+利加钱工况 为例.K车辆布奴位罝见18.鐘大i 663»太671最At 673 蛐大672鱸大：667最人：3 624 最人：3 651 贛大：3 624单诳,kN.nffi?弯矩包络93X145 kN 3X145 kN没计货T««T*介W第3支点S大负弯矩影明钱及费:不利工况下的车辆布i没汁+:通微錢布置囹H由W 8 iifAL.弟3 i点产生砬大负巧矩时.一 2 辆设计货车荷载中两车的车距为21.36 m,且前车 距离支点的距离为12. 19 mi4设计车

20、道荷tt”加级 在® 2与染3跨.5.1.3中，关两W Hl i&效碎对比分析 喊屮、央两B设计车荷栽效应做了对比分 析表3_表J中、美两国没计汽车荷紱效应对比份级荠级变KR力kM«力/kN克以ft巧fl! /kN iu時中正碍®/kN m中W公路1銀1 043750-3 1974 216公 KDtt782561-2 6233 162Xl« Hh-931 019673-4 0603 651由衣3可见:三宥中，中B公路U级荷tt的内 力效应最小I中H公路I级与突B HL 93设计 汽车荷钗怍用卜支痄反力堪本相3土梁剪力4跨 屮正弯矩前者比后者大10

21、%15%，但是支点负穹 矩翁#比后者小15%左右。5.2车圯、轴此对份a效应的影响HL-93设计汽车荷我屮“丨辆设计汽车荷 精距在4.3-9 m间变化.“2辆设计汽车荷K”车跑 不小于15 m为分析这2个参数对荷律效应的彩响 規律.对酋文中提到的实桥运用HL-93设计汽车 荷伐进行加伐分析.苁汽乍轴距、卞距对荷伐效应的 影响w.ra 9.从阌9珂知：随葙轴距的增加，屮梁支点负弯1 000 +支点负+ 觭屮WHi/m(a)轴距对荷载效应的影响2 500r(b) T昨对荷效戍的影咮0B9汽车轴距，车距对荷数效应的影响 矩、歸中正穹矩逐渐减小，轴距在4.3 m时荷裁效 应込刊记人：站狞车扑的増加跨中

22、正依本+ 变.似足支点负3矩先增大而后逐渐减小.并在牟fli 为22 m左右达到妯大。IW公路tt梁Sit規fc屮X r没il汽视的研究fit怀 3利Y696结论U）运用 MIDAS Civil 枵卬对 AASHTO I.R- FD（1994中HL-93设计汽车荷栽进行分析时，应 注意荷栽加栽方式的筹別以及冲击系数的£瘌考虑 方法.并贐议在前处理整体计算时宄忽略冲*系数 的影响.而将K放在后处砰的荷我组介中以纽介系 数的方式来考虑。（2）采用HL-93设计汽1:荷钱吋支痄反力、 上梁剪力及i点Ai人对闷的敁4、利加伐I:况 为设计车道与2辆议汁货¥荷我M时加载（考虑0.9

23、的系数）.而主梁W中最大正弯®对应的B不利加班 况为I辆没计货车麴栽与设计车遒倚載FJ吋 加栽.（3）X-J T- 40 m跨的多矜等舣而迕纹梁.屮W公 路I级与关国HL-93设计汽车荷栽效应对比结果 K示：支座反力衹本相丰，生梁剪力勺跨中正巧炻前 者比后齐大10%15%.i点负弯矩ift行比后者小 15%左右。（4）对40 m跨的多跨等截面连续梁.车距，轴历对ft议效以的影响規什农现为：随石轴距的增加. 主梁支点负弯矩、碑中正巧矩逐渐城小.轴距在4, 3 m时荷我效内达到挝大：随行乍趴的W加.跨屮iE6 矩本不变，但是支点负弯矩先増大面后逐渐城小。 参考文献：1 刘 利.关子中笑桥

24、蜿设计准则的对比及祖考J.桥 梁建没.2007.（6）:3437.2 范曲.疥嗳l:fVM.北以：人W交通出KIL.2001.3 杨納珙.公赂桥梁屯待钫二版）M.北Mi人氏交通 出贩杜UWS._L - fr:. - V. H不利内力的汗算公赂，1980 12）,2023.5 记优化ff论1法：M.北兑：讲平人亇出坂 H .2005.6 利洪#.川动态W钊的方法求影响线极位门.叫川辻 筑.2008, 28（5）： 158-162.7 王AR.*少波石明番.屮笑桥梁设U规范的内力it算 比较研究J.卅界桥粱.2007,（4）,7880.（编铒：赵兴雅1994-2012 China Academic

25、 Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Study of Design Truck Load in AASHTOLRFI) Bridge Design SpecificationsR(»AN Huai shenn. MA Kun pin(C hina Railway Major Bridge Reronnaissanrr & I Jcsinn (>roup Co. Ltd.，Wuhan 130056 ( liina IAbstract： The categories of design tru

26、ck loads in the AASH 1() LRFD Bridge Design Specifications arc varied and complex. In this paper the relevant provisions on the truck load HL-93 in the specifications and the analysis philosophy of dynamic programming method for influential lines of the load arc presented and in a further step% the method for rapid executing of the load HL-93 of variable axle spacing and variable truck spacing types in the general finite element software MIDAS Civil is studied. The effect of the HL-93 of a foreign bridge is analyzed and the analysis is compared to that based on the Chine