公路橋梁疲勞荷載譜

李幸杰 余世杰

摘要：本文簡要介紹了公路橋梁疲勞荷載譜的制定過程，并對美國公路橋梁（AASHTO）疲勞荷載譜以及我國公路及城市橋梁疲勞荷載譜的研究現狀進行了簡要介紹。

關鍵詞：公路橋梁疲勞荷載譜AASHTO標準疲勞車

中圖分類號：TU997文獻標識碼： A

一、概述

和結構的靜力設計不同，鋼橋疲勞設計所采用的荷載不是按強度設計時的標準活載，而是考慮采用經常作用的各種實際的車輛荷載，從而計算它們所引起的各種累計損傷。因此，需要研究車輛荷載的頻值譜,也稱荷載譜。

荷載譜是將設計基準期內橋梁構件所經歷的實際營運荷載（或營運荷載與標準活載的比值），按其大小及出現次數全部開列出來，又稱活載頻值譜?，F實中，不同大小的活載時間上出現的先后次序完全是隨機的，但由于研究時間較長，這種不同大小活載出現的先后次序一般具有相同的規律，可以認為這個先后次序對構件的疲勞破壞沒有影響，因此實踐中為了計算方便，一般按照活載的大小順序排列。構造各裂源點受到應力變化是疲勞開裂的直接原因，在得到活載頻值譜之后，再計算設計應力頻值譜。應力頻值譜應該將橋梁使用壽命期間驗算點將受到的不同應力脈及其次數逐個列出，大小應力脈的先后次序一般不考慮。

制定疲勞荷載譜時必須從實際出發，進行大量的交通調查。對于已建橋梁，可以實地調查交通量，然后統計分析得出比較準確的數據，但是對于設計階段的橋梁，就必須通過調查分析，盡可能較準確地預測橋梁使用壽命期內所經歷的荷載歷程。在制定荷載譜時應注意以下幾個問題：短期測量得到的荷載不可能完全反映未來荷載的變化，應考慮橋梁用途的可能改變，可能導致的運量的增加及負荷變化等；動荷載產生動力效應時應考慮動力作用的影響；當外載引起結構的變形或振動而產生次效應時，也應考慮。

鐵路上通過的列車是有一定規律的。對于公路，經過大量的交通量數據統計分析，也可以找到一些規律，因此在應用上可以將運營期荷載用一種或幾種“典型列車編組”（或“標準營業車”）來代表。各典型列車、標準營業車出現的次數應根據與實際營運荷載等效的原則確定。 “典型列車編組”或“標準營業車組”疲勞驗算時稱為“疲勞車”。這樣，只需計算“疲勞車”的內力歷程，再乘以其出現的累計次數，總加起來，就能得到所需要的荷載譜。

二、美國公路橋梁（AASHTO）疲勞荷載譜[1]

AASHTO規定的標準疲勞車是一輛三軸設計貨車，設計貨車的軸重、軸距及輪距見圖2-1，并規定動荷載增大15%施加于疲勞荷載上（特殊部件除外）。

圖2-1AASHTO公路橋標準疲勞車

美國公路橋梁設計規范規定疲勞荷載的頻率應取單車道日均貨車交通量ADTTSL。此頻率應施加于橋梁的全部構件，包括那些位于承受貨車數量少一些的構件上。

當缺少可靠的交通量資料時，單車道日平均貨車交通量取值為：

AMTTSL=P×ADTT

式中：ADTT表示在設計壽命期限內平均每天的單向貨車數；AMTTSL表示在設計壽命期限內平均每天的單車道貨車數；P按表2-1取用。

表2-1 單車道內貨車交通量占的比率P

容納的車道數 P

1 1.0

2 0.85

3或更多 0.80

極值力效應也可由一條車道內的一個145kN的軸和另一車道內的220kN的軸，雙軸產生，這在理論上是可能的，但在實際設計中太過復雜，不值得。

疲勞及斷裂極限狀態是用累積應力范圍循環來定義的，僅有荷載規范是不夠的，荷載與荷載出現的頻率應一起規定。

單車道ADTT是指大部分貨車過橋時所走的那條車道的ADTT。在一座附近沒有出入匝道的橋梁時，臨近路肩的車道承受大部分貨車交通。由于將來橋梁上的交通模式不能確定，因此假定對單車道疲勞荷載的頻率適用于所有車道。

研究表明，日平均交通量ATD包括所有汽車——小汽車和貨車，在正常情況下，每條車道每天實際上限于20000輛左右。因此，在估計ADTT時，應考慮交通的限定值。ADTT可以通過ATD乘以貨車在交通量中的比率來確定。對于常規的橋梁，對于不同的公路等級——鄉村州級、城市州級、其它鄉村公路、其它城市公路，貨車所占的比率依次為：0.20、0.15、0.15、0.10。

三、我國公路及城市橋梁荷載譜簡介

我國公路和城市道路橋梁，還沒有疲勞設計的車輛荷載譜。我國《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ025—86）的1.2.17條規定：“驗算疲勞強度時，可根據橋梁的實際行車情況，選用實際經常發生的荷載組合中的車輛荷載進行計算”。但對于荷載大小、布置形式以及加載規定等均未說明。

目前我國的橋梁設計人員在作疲勞設計時選用“疲勞車”時，都基本上參照國外例如英國、美國等國家的規范規定或采用靜力強度設計時標準活載中的一輛重車進行的。目前我國關于疲勞荷載譜所做的研究主要有：

（1）童樂為、沈祖炎等[2]以上海市內環線中山路3號橋的地面橋為例，對城市道路橋梁的車輛荷載譜作了研究。他們分別于1994年和1995年對此橋作了兩次交通調查，采用了1995年交通調查的數據。得到了由18類日常典型的運營車輛組成的荷載頻值譜。并按照等效疲勞損傷原理，從實測的車輛荷載頻值譜提煉出一種由6類模型車輛組成的、占總交通量20.17%的荷載頻值譜。

（2）王榮輝、池春等[3]于2003年對廣州市內環線恒福路段高架橋進行了交通調查，得到了由6類日常典型運營車輛組成的荷載頻值譜，并根據等效疲勞損傷原理，從實測的車輛荷載頻值譜提煉出一種由2類模型車輛組成的、占總交通量16.37%的荷載頻值譜。

（3）周泳濤、鮑衛剛等[4]以2007年交通部公路工程標準修訂項目“公路橋梁疲勞設計荷載標準”為依托，基于全國范圍內實地調查高速公路正在運營的各種車輛荷載狀況，從疲勞致傷理論的角度，采用數理統計和可靠度理論的分析方法，建立公路鋼橋疲勞設計標準車輛荷載模型。

疲勞荷載譜必須具有通用性，制定必須以大量實地的橋梁交通調查為依據，需要耗費很多人力和財力。要制定一個適用于我國實際情況的公路橋梁疲勞荷載譜，需要橋梁工作者的不懈努力。

參考文獻：

[1]美國各洲公路和運輸工作者協會．美國公路橋梁設計規范(1994)．辛濟平等譯．人民交通出版社，1997

[2]童樂為，沈際炎等．城市道路橋梁的疲勞荷載譜．土木工程學報．1997， 30（5）：20-27

[3]王榮輝，池春等．廣州市高架橋疲勞荷載車輛模型研究．華南理工大學學報(自然科學版)．2004，32（12）：94-96

[4]周泳濤，鮑衛剛等．公路鋼橋疲勞設計荷載標準研究．土木工程學報．2010， 43（11）：79-85