肖小艳
(中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉430056)
摘要 以非洲加纳共和国索芙兰立交枢纽工程为计算实例，对比分析了中国桥梁规范和英国桥梁规范中汽车荷载标准值效应与跨径的关系。研究发现，中英汽车荷载效应不同跨径对应的差别变化较大；英国规范HB荷载比我国车辆荷载取值灵活且大于我国车辆荷载；英国规范中当HA荷载与HB荷载进行组合加载时，总的荷载效应远大于我国车道荷载效应。
关键词 海外工程 桥梁设计 规范 汽车荷载
据ENR年度全球最大250家国际承包商排名显示，中国内地共有65家位列其中，实现海外市场营业收入近1 000亿美元，同比增长13. 9%，明显高于国际平均水平。然而，与此不相称的是，所执行的项目主要还是采用西方标准，即便某些项目采用了中国标准，也是以中国政府“经援”或“两优”项目为主，中国标准也仅是作为援助性质资金的额外条件捆绑进入受援国。因此，在向外推广我国标准时，首先需要了解我国规范与外国主流规范的异同。其中，汽车荷载效应是桥梁工程设计中最重要的参数之一，下面将结合索芙兰互通立交桥，探讨中英规范中汽车荷载效应与跨径的关系。
1工程概况
索芙兰立交枢纽工程是加纳“新千年发展目标”中的6个重点项目之一。2008年，加纳政府将该项目施工合同授予中国地质工程集团，在中方团队的积极推动下，加纳政府最终接受了采用中国标准进行设计、施工和监理。值得注意的是，该项目资金全部来自加纳政府，对推广中国标准“走出去”具有重要意义。
索芙兰互通立交桥采用全苜蓿叶互通立交，该项目详细情况可参见文献[1]。截止2015年8月，索芙兰互通立交桥以及相关道路接线的建设已经基本结束，其他剩余工程仍在施工之中，整个枢纽工程总造价预计达到1.5亿美元，图1为立交桥主体结构成桥后照片。
2 汽车荷载效应对比分析
以等截面简支梁为例，假设计算跨径为L，则跨中弯矩影响线和支座处剪力影响线见图2，按照影响线加载，可得到不同跨径下相应的汽车荷载标准值效应谱。
2.1 中国规范——公路I级《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）
《规范》第4.3条规定：“汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。桥梁结构的整体计算采用车道荷载；桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。车道荷载与车辆荷载的作用不得叠加。”，其中公路I级车道荷载均布荷载为恒载10.5 kN／m，集中力根据跨径不同取180～360 kN。
假设公路I级车道荷载与跨径关系函数为F(L)，单位荷载效应影响线函数为M1 (L)，则总效应M等于F(L)与M1 (L)乘积。按照规范，计算剪力时，集中荷载乘以1.2的系数。于是可得到如下公式。
汽车荷载在影响线加载后得：
代入得分段函数表达式(4)和(5)。
2.2英国规范-BS5400-2006
BS5400 - 2006汽车荷载包括HA荷载和HB荷载，其中：HA荷载与我国车道荷载类似，包括均布荷载(UDL)，和集中力荷载(KEL)；UDL取值与加载长度L相关，集中力KEL则为恒载120 kN。HB荷载是特种车辆荷载，单位轴重10 kN，设计中取值25～45单位，HB荷载可与HA荷载组合。
同理通过影响线加载，可得HA荷载弯矩和剪力标准值效应与跨径的关系为
综合以上表明，2种规范的汽车荷载取值都与跨径相关，相应的汽车荷载弯矩和剪力标准值效应也是跨径L的函数。
2.3汽车荷载标准值效应谱对比
通过上述式(4)，(5)，(6)，(7)可得到任意跨径下2种规范汽车荷载标准值效应的差异，即2种规范对应的不同跨径简支梁弯矩和剪力标准值效应谱。为了更好地了解各自的变化趋势，将跨径L在常规使用范围内向2侧拓展，得到图3～图5变化规律曲线。
图3和图4表明，HA荷载加载的弯矩和剪力标准值效应均大于公路I级；图5是2种规范荷载标准值效应的比值，发现2种规范荷载标准值效应比值随跨径的变化有较大差异。当L-5m时，比值最大，对应英国规范的弯矩和剪力效应分别是中国规范的2. 03倍和1.67倍；当L=50 m时，比值最小，分别为1.17倍和1.05倍。纵观整个曲线变化过程，当跨径5 m<L<50 m时，比值呈拟线性快速下降；跨径L超过50 m后，先缓慢增长，后趋于稳定（对应弯矩和剪力分别约为1.6和1.5）。
对于连续梁结构，应用上述类似原理，同样可获得不同跨径下汽车荷载标准值效应谱。比如，常用的等截面3跨连续梁结构，根据能量法可求得中跨跨中弯矩影响线方程为
应用上述类似原理加载，并根据图6所示影响线函数变化规律，将集中力布置在影响线函数极大值处，同时通过对影响线最不利区域进行积分后乘以均布荷载，2项效应的和即为汽车荷载标准值效应总和。该效应值同时也是跨径L的非线性函数，即得到3跨连续梁最不利荷载效应谱。
因此，要做到结构的经济性和安全性都较好，设计师可对相应的效应谱进行深入分析，而不是简单地通过固定的“安全系数”来将2种规范体系的荷载等同，最终保证既能满足结构安全要求，又能避免过于保守而造成浪费。
3算例
以加纳索芙兰互通立交桥C，E匝道桥为例。C匝道第1联为3×20 m连续梁，E匝道第2联为3×25 m连续梁，匝道桥宽8m，双车道，采用单箱单室钢筋混凝土和预应力混凝土结构。公路I级加载时考虑冲击系数为0.3；英国规范BS5400汽车荷载已经计入了车辆的冲击作用，直接采用HA和HB加载，HB选择40单位轴重。采用式(10)影响线函数与规范中汽车荷载标准值函数乘积（均布荷载采用积分方式）可得到汽车荷载标准值效应对比，见表1。
表1结果说明，在考虑汽车冲击作用后，索芙兰互通立交桥中C匝道第1联3×20 m连续梁和E匝道第2联3×25 m连续梁桥，采用HA荷载得到的汽车荷载标准值效应是采用公路I级的1. 18倍和1.15倍，较为接近。但HA和HB荷载组合后，差距扩大到1.6倍，说明HB车辆荷载参与组合后对荷载效应影响很大。事实上，英国规范中的HB荷载为特种车辆荷载，取值为25～45单位轴重，当取40单位轴重时候，总车辆荷载可达到1 600 kN，远远大于我国车辆荷载550kN。此外，我国车辆荷载不参与整体桥梁设计荷载效应组合。故总体上英国规范的汽车荷载效应较中国桥梁设计规范要高很多。国内有研究者对近些年桥梁事故原因进行了分析，发现汽车超载原因引起的事故愈来愈多。因此，考虑到加纳的经济发展水平和政府管理能力有限，工业产品主要依赖进口，后期有可能从英美国家进口各种特种设备，比如，大型变压器和发电机等，本项目设计时充分考虑了HB荷载的影响。
4结语
综上所述，中英桥梁设计规范的汽车荷载效应都与跨径相关。总体上，英国HA荷载效应较我国规范中公路I级大，但不同跨径对应的差别变化较大；英国规范HB荷载比我国车辆荷载取值灵活，且荷载取值远大于我国车辆荷载。此外，当HA荷载与HB荷载进行组合加载时，总的荷载效应亦远大于我国车道荷载效应，故在海外推行我国桥梁设计规范时，应根据具体跨径布置来研究荷载效应的差别，选择合适的安全系数，以防范结构安全风险。
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