城市桥梁与公路桥梁的荷载标准设计对比分析

俞志国

（兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730000）

0　引言

在我国经济快速发展的背景下，国民内需不断扩大，我国的服务行业也在不断发展，使得交通运输大力发展，各种交通基础设施建设需求也在持续增加。为了缓解交通运输的压力，有效的措施就是修建基础设施如城市桥梁和公路桥梁，打通交通壁垒并缓解现有线路的交通压力，此外城市和公路桥梁的建设还能加快社会沟通，提供现代化社会的建设进程。

城市桥梁和公路桥梁在我国的道路建设中都有着很大的比重，这两者都涉及荷载的问题，对荷载问题的掌握和分析也是进行城市桥梁和公路桥梁设计的关键[1-2]。本文首先分析城市桥梁和公路桥梁的差别；其次分别综述公路桥梁和城市桥梁设计荷载标准的演变过程，分析其中的关键问题发展演化历程；最后总结城市桥梁与公路桥梁荷载标准设计的对比，为更好地开展我国桥梁建设提供参考。

1　城市桥梁与公路桥梁的特点分析

1.1　城市桥梁的特点

广泛意义上的城市桥梁就是出于城市建设区域内的桥梁结构，包括在河道上的桥梁、跨越铁路和道路的桥梁、人行桥梁。这里面按照功能划分不同分为供汽车、火车和行人使用的桥梁，这里主要分析供汽车使用的桥梁。城市桥梁的主要功能是满足交通通行功能，同时因为其所处的城市环境，因此往往需要兼顾美观效果，现代城市桥梁的设计也把美观性作为重要考虑因素，很多地区都把城市桥梁建设成具有地标性的结构。

1.2　公路桥梁的特点

公路桥梁则是区别于城市桥梁的型式，在非城市环境建设的桥梁结构。根据结构型式，公路桥梁有梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥，同时根据其使用对象也有汽车和货车等类型，这里仍然以供汽车使用的公路桥为分析对象。公路桥梁的特点是满足城市之间的交通运输，因此往往以交通通行功能为主要设计目标，美观性相对于城市桥梁而言不是最主要的，但诸多大跨径桥梁的美观设计仍非常受关注。

1.3　相同点与差别分析

根据上述分析，可知城市桥梁与公路桥梁本身结构的特点并不存在很大的差别，城市范围内的桥梁跨径相对较低，而公路桥梁跨径则更大一些，目前超千米级的桥梁也大多是公路桥梁。城市桥梁和公路桥梁都有采用梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等型式。

城市桥梁与公路桥梁的主要区别体现在运输荷载水平上。尽管这两种桥梁都有承载交通运输及行人交通，但是城市桥梁运输荷载等级总体相对而言低一些或者等级较少，因为城市环境货物运输相对较少，而公路运输等级较多，部分区域荷载等级较低而其他地区运输荷载等级很高。

2　城市桥梁与公路桥梁荷载设计历程

2.1　城市桥梁设计荷载

由于我国城市化建设的时间较短，真正的城市桥梁设计荷载标准是从1993年我国建设部颁布的《城市桥梁设计准则》（CJJ 11—1993）开始的，这是我国城市桥梁建造设计的最初规章。随着后续全球化经济的发展、城市的快速发展，相应的荷载标准已经不能涵盖桥梁建设的需求，为了使我国城市桥梁设计荷载标准与国际规范进行接轨，同时满足现代化城市的发展需求，1998年我国建设部颁布了《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ 77—1998），并将该标准设置为强制性，适用于全国范围内的城市桥梁设计。然而当时的城市桥梁也主要是梁桥结构，结构型式较为单一且跨径较短，同时随着城市快速发展及桥梁设计建设理念更新，2011年我国建设部又重新颁布了新的实施规范，即《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011），该规范标准沿用至今。

2.2　公路桥梁设计荷载

公路桥梁设计荷载的改变可以从汽车荷载标准的演变看到整个历程[3-4]。汽车荷载反映了目前社会上运营车辆的荷载水平和等级，中华人民共和国成立后我国当时的车辆类型不多，汽车荷载的标准就是根据这些运营车辆提取的单个车辆或者一个车队，我国1989年的《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—1989）中的荷载模型就是通过市场调研及相关实测数据获得，其55 t车辆荷载模型就是通过基于市面上运输的最大载重车辆确定，其车队荷载模型中各种吨位的车辆（10 t、15 t、20 t、30 t、55 t）也都是通过对市场运营车辆载重大量调查获取的，代表了当时车辆的载重状况。其他的荷载标准也是基于同样的思路进行设定的，随后在交通运输快速发展的背景下，特别是在市场经济的刺激下，车辆运输荷载具有很大的不确定性，很多原本只能装载20 t的车辆经过各种改装能够装载100 t以上，这使得市面上运输车辆荷载不确定，因此相关的荷载标准也在不断提高，形成了2004年的《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）。

随着我国超载重载问题越来越严重，多起因为车辆超载导致的桥梁垮塌事故也验证了这一点。2007年10月23日，包头市民族东路高架桥引桥垮塌事故由 3 辆 151.05 t、153.715 t、151.48 t超载汽车并排行驶所致；2012年8月24日，哈尔滨阳明滩大桥引桥由 4 辆 149.7 t、163.6 t、153.3 t、18.2 t重车排队行驶造成。这些事故说明桥梁实际运营的荷载水平已经远远超过规范值，因此研究设计人员已经意识到目前公路桥梁汽车荷载设计标准对中小桥梁的不适宜性，新版2015年《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）将原来的车道荷载集中力由5 m 180 kN提高到5 m 270 kN，此外许多地区桥梁设计规范采用更大的荷载标准，以考虑地域货运的差别。

3　城市桥梁与公路桥梁荷载标准对比

从城市桥梁与公路桥梁的特点分析来看，城市桥梁的荷载等级相对较少，总体荷载水平相对低于公路桥梁。以下根据最新版本的城市桥梁和公路桥梁设计荷载规范分别从荷载定义和荷载组合两个层面分析了相同及差别。

3.1　荷载标准对比

城市桥梁和公路桥梁的荷载种类仍然主要分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载三大类。永久荷载在两个设计规范中都是相同的，体现了设计方法和所用建设材料是一致的。偶然荷载在两个设计标准中也基本一致，只是偶然地震荷载在城市桥梁设计中受到了突出考虑。因为近年来地震灾害发生较多，而城市属于人口密集度非常大的区域，偶然地震所产生的损失及后果非常严重，因此城市桥梁设计规范对于防震功能提高了设计力度，这方面公路桥梁设计规范相对较简单些。可变荷载在两个设计规范中差别较为显著，主要体现在车辆荷载、人群荷载和温度荷载方面。公路桥梁凸显了温度荷载的作用效应，这往往是因为公路桥梁的建设环境较为开阔，大气温度对其影响较大的原因，因此详细规定了梯度温度和均匀温度的作用效应。此外因为运输荷载类型的差别，汽车荷载和人群荷载在这两种设计标准中具有较大差别。

3.2　汽车荷载设计标准对比

汽车荷载是城市桥梁和公路桥梁差别最为显著的荷载标准，这主要是因为城市环境和公路环境的运输荷载等级及类别不同所致。汽车荷载涵盖了车道荷载、车辆荷载、汽车冲击力、汽车制动力四个方面。早先颁布的1989年的城市桥梁设计规范其荷载标准与2004年的公路桥涵设计规范均有很大的差别，目前2011年版本的城市桥梁设计规范与2004年的公路桥涵设计规范的车辆荷载部分基本相同，而2015年颁布的公路桥涵设计规范对车辆部分改动较少，因此均分析最新版本的设计规范标准。

车道荷载目前城市桥梁和公路桥梁均采用均布荷载+集中力的形式（见图1），公路桥梁分为Ⅰ级和Ⅱ级，城市桥梁分为城A和城B，分别对应。目前所采用的横向分布系数、车道荷载系数、纵向折减系数等取值都是相同的。车道荷载标准主要适用桥梁总体构件的验算。

图1　车道荷载模式

车辆荷载标准在城市桥梁和公路桥梁中的规定具有很大差别，车辆标准是一辆标准重车，公路桥梁采用55 t五轴车，城市桥梁采用70 t五轴车，相关参数比较见表1。车辆荷载标准主要用于桥梁局部构件如桥面板、涵洞、横梁等设计。城市荷载标准的提高也主要是考虑城市经济发展使得超载重载车辆存在的缘故。

表1　车辆荷载标准在城市桥梁和公路桥梁上的差别

汽车冲击力方面两种设计的计算方法不同，城市桥梁计算汽车冲击力以计算跨径和冲击力的反比值为主，公路桥涵的计算则更加全面地考虑了结构刚度、跨径和结构质量，这方面公路桥涵设计标准更加全面些。

汽车制动力方面，公路桥梁与城市桥梁对汽车制动力的规定是相同的，但是因为汽车制动力与车道荷载和车辆荷载标准高度相关，因为公路与城市桥梁在车辆荷载标准方面的差异，使得这两种的汽车制动力也有差别。

3.3　人群荷载设计标准对比

显然因为城市桥梁的人群荷载集度更加显著，因此城市桥梁对人群荷载的规定相对于公路桥梁更加全面和严格。通常规定有车辆和行人的情况下行人和荷载标准值为4.5 kPa，而只有行人的城市桥梁其荷载标准变成5.0 kPa。可以看到只有行人的情况下的荷载标准更加大，这是因为以往的城市桥梁中有出现因为行人荷载过大引起桥梁损失的案例，因此在设计标准中应特别考虑。

3.4　荷载组合标准对比

荷载组合是考虑各种荷载同时发生的情况及其概率折减进行的荷载作用，这种组合就是考虑实际情况下桥梁结构可能同时经受多种荷载作用，需要在单独考虑各种荷载的情况下施加适当的组合进行结构安全性能和使用性能的验算，城市桥梁和公路桥梁的荷载组合标准都是相同的，组合考虑的方式也相同，包括基本永久荷载与各种可变荷载组合，以及加入偶然荷载的组合方式等。

4　结语

明确城市桥梁与公路桥梁的荷载标准相同和差异，对于设计人员更好地掌握结构设计方法非常重要。通过分析城市桥梁与公路桥梁设计荷载标准的演变过程和特点，总结了这两种设计标准在荷载层面的相同点和差别，方便设计人员参考使用。