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[国外桥梁] “车轮上”的古与今——美国公路桥梁活载的变迁 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2017-4-1 09:53:25 |显示全部楼层 |          |
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文/尹德兰

       艾森豪威尔总统,在他的第一个任期的回忆录《变革的任务1953年至1956年》(Mandate for Change 1953- 1956)中,对州际公路系统有如下预言:“(它)对美国经济的影响,在制造行业和建设行业创造的工作机会,尤其开发的乡村面积,将是无法计算的。”这则预言,即使已经过了60年,依然无比正确!

        “公路”一词,对应的英文是Highway。维基百科对于Highway词条的定义是:A highway is any public road or other public way on land。即“Highway”是陆地上对大众开放的道路。中文用“公路”——公众的道路,实在精妙!

       公路桥梁的活载也称为移动荷载,是在桥上通过的车辆和行人的重力对桥梁的作用,这个作用包括静力和动力效应两部分。早期的桥梁,移动活载只是行路的人群,以及人力所能及的负重;通行条件较好的桥梁,移动活载也许是骑马的旅人,也许是饱餐了对岸青草的羊群和牧童。接着,桥上的移动活载出现了“车”——人力车、马车、蒸汽车、内燃车、电动车等等。随着驱动能从“人—— 畜——煤——油——电”的过渡,车上装载的物品也越来越丰富。在某个经济腾飞的时期,人们开始用“客运”和“货运”来区分运输的功能。客运一直都是服务于乡镇与城市之间,城市与城市之间流动的人群;货运则从最初的轻型货物诸如邮政信件包裹、简单的生活用品、农副产品,逐渐变成矿石、煤炭、钢铁、机器、建材等工业原材料和成品。公路上活载的变迁,是工业革命的缩影,更是经济发展、社会变革的重要标志。

       移动荷载是现代桥梁设计的控制指标。之所以此处特别标明“现代桥梁”,是因为在18世纪以前的桥梁,多为圬工拱桥。相对于当时的活荷载,圬工拱桥的设计由桥梁自身的重量控制。可以说,在通火车之前,砖石拱桥只要能够砌起来就算成功。与恒载相比,无论从静力效应还是动力效应,移动活载都可以忽略不计。在T.M.Charlton 所著《A History of Theory of Structures in the Nineteenth Century》一书中,曾经间接引用了法国结构力学奠基人、圣维南的学生拉维(M.Levy)的一段话,表明1869年前, 桥梁的强度计算只考虑恒载。据说是由于一次桥梁事故, 公共工程部(Minisry of Public works)修改了桥梁设计规定,要求必须将活荷载应力纳入桥梁强度设计。

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早期公路桥梁设计的库柏活载

       19世纪中叶是美国桥梁设计的一大转折点。1847年之前,几乎所有的桥梁设计都纯粹依赖经验。那个时期桥梁的建造大多使用木材。尽管在19世纪初,已经有了桥梁建筑原理的专著,但大多数的大桥建造仍然是由经验丰富的木匠完成。到了19世纪50年代,应力计算方法开始被人们学习认识;同时,铁在很大程度上取代木材作为桥梁的建筑材料,这个时期也是美国铁路建设的高峰期。大部分的桥梁设计改由铁路工程师完成,同时,桥梁的制造及监管也由铁路工程师控制。随后不久,桥梁设计也转手到桥梁制造公司。每个桥梁制造公司有自己特殊的专长,拥有多项专利。这段时期建设的桥梁以铁路桥为主。

       在这个时期,桥梁的活载是以设计功能的方式,与桥梁的其他功能要求,如桥宽、平纵曲线,有时还包括桥梁的跨度,一起写入招标合同。桥梁设计采用的活载轴重, 轴距、加载方式等,均由设计桥梁的总工程师敲定。每座大桥都需要由桥梁建设承包商编制建造规范,大桥的设计活载,是建造规范中一个必不可少的内容。

       1873年,先是Clarke, Reeves & Co.,,接着George S. Morison为Erie铁路编制了规范(这也许是美国铁路的第一份印制并采用的规范)。在1875年,L.F.G.Bouiscaren为辛辛那提南方铁路制定了轮重集中力。1877年,Charles Hilton为Lake Shore and Michigan Southern Railway制定了桥梁设计规范;同年,C. Shaler Smith为Chicago, Milwaukee,St.Paul铁路制定了桥梁设计规范。1878年,西奥多·库柏(Theodore Cooper)为Erie铁路制定了一个规范系列。几经修订后,这个规范系列获得广泛应用。这就是美国铁路库柏活载(也有译为古柏氏活载)的前身。

       值得注意的是,这个时期的“公路”与我们现在所说的公路有较大差别。上世纪初,现代汽车尚未成为“一统” 公路的运输工具,“公路”被用各种动力驱动的“车”,如有轨电车、马车,人力车平分路面。一些次要公路,运营车辆的轴重远低于筑路机械的轴重。可以想象,桥梁设计时, 移动荷载的选择以及荷载组合是多么繁琐。

       到1905年,已经有一些非官方认定的公路桥梁设计通用规范在流行,这些规范分别由独立的咨询工程师、桥梁设计公司或是桥梁制造厂的技术部门编制,在一定范围内通用。这些通用规范中,移动活荷载基本是依照各个独立公司业务范围覆盖地区通行的车辆来确定,各公司的通用规范也有很多相互借鉴和采纳的内容。公路移动活荷载的规定,是这些通用规范中必不可少的内容。

       例如,在西奥多·库柏为公路桥梁编制的通用规范中,将活载分为7个等级。位于城市的桥梁选用A级,位于郊区桥梁选用B级,位于运输砂石和工业产品的乡镇道路桥梁选用C级, 位于一般乡村公路的桥梁选用D级,通行有轨电车的桥梁用E 级。其中的A和E又再分成1、2两种情况。具体规定如下:

       总体来说,这个时期的公路桥梁,有轨电车是控制设计的活载。桥梁专家(如Waddell, J.A.L.)在活载方面的努力,也主要集中在研究不同轴距和轴重分布的车辆产生的应力效应,期望用统计分析的方法,找出集中典型的轴重和轴距组合,作为桥梁设计的标准活荷载。


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[1]加载方式:集中荷载分为两个相等轮重,横向间距为3m;B级和C级道路,若铺设有轨电车道,集中荷载采用24t(B级)或18t(C级), 普通车道则采用12t;E1级和E2级的集中荷载是每一个轨道上的活载。

均布荷载考虑人群、马车等,与集中荷载同时施加在桥面上。

[2]加载方式:桁架根据跨度确定活载数值。跨度不超过100m(D级为75m)的桥梁,用括号内较大值;跨度超过200m的桥梁,用较小值; 跨度在100m(D级为75m)和200m之间的桥梁,活载数值用括号内的数值内插。


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1931年后AASHO的移动活载(H20& HS20)

       在20世纪初,汽车已经取代马车,成为富有人群的交通工具。福特汽车运用组装线的方式,成功降低了T型车的价格,使得组装工人用4个月的工资,就可以拥有一台自己

       公司的产品。福特汽车逐渐进入千家万户。不过,轿车在道路上的普及,并不影响桥梁设计。公路上运送货物的卡车,无论从价格还是速度,都无法与铁路货运匹敌,因而只局限在城乡之间,运送一些农副产品。这个时期桥梁设计的移动活载,仍然是由有轨电车控制。

       第一次世界大战突显了公路运输的价值。随着美国在1917年4月介入欧洲战场,铁路运输能力被用到极致。于是,用卡车承担军用物资的运输,成为铁路货运必不可少的补充。军用重型卡车提升了公路的使用价值,尽管此时的公路路面普遍很差,基本上都是土路。战后,随着铺路材料和工艺的改善,从30年代起,卡车开始涉足民用物资运输,并且逐渐取代货运列车,成为短途货运的绝对主力,由此开始了汽车“一统天下”的年代。30年代也是实施罗斯福“新政”的年代,卡车运输成为一个十分重要的服务业。大量的原材料、成品、半成品,经由卡车从原产地和工厂运送到零售中心;大量的水泥砂石、木材、钢结构构件,也经由卡车运送到建筑工地。卡车承接了陆地上主要的货运业务,成为制造、运输和仓储业的重要工具。道路和桥梁不得不将重型卡车作为主要移动荷载,纳入设计。

       1931年,AASHO (American Association of State Highway Officials,AASHTO的前身)颁布了第一版的桥梁设计标准规范。在这份标准规范中,最重的移动活载定为H20 (图1),代表一辆总重20吨(这里的“吨”是2000英磅, 即907公斤,而非1000公斤)的两轴卡车,前轴8千磅,后轴32千磅,两轴相距14英尺。较轻的卡车用H15(前轴6千磅,后轴24千磅)、H10(前轴4千磅,后轴16千磅)表示,另外将一辆H20与多辆H15随机组合,构成车队荷载。

        与H20对应的车道荷载,是0.64kip/ft (千磅每英尺, 约9.34千牛每米)和集中力的组合:与一个26千磅的集中力组合验算支座和建立,与两个18千磅的集中力组合,验算弯曲应力。与H15和H10对应的车道荷载,分别为H20对应数值的3/4和1/2。

       在1944年版的桥梁设计标准规范中,移动活载增加了一种HS20。字母“S”代表当时已经在道路上使用的重型拖车。HS20总重70千磅,分配在三个轴上,分别为前轴8千磅,中轴和后轴为相同的32千磅(图2)。HS20并不是一种真实卡车的构造,它是根据等效荷载效应抽象的一种理想移动活载。它的原型是3-S2s,一种18轮的大卡车。


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1956年后州际公路时代的活载

从某种意义上讲,一个国家的交通发展历程,就是这个国家现代化的缩影。1966年,时任美国总统林登·约翰逊在签署创立美国交通部的法案时说,“在很大程度上, 美国历史就是她的交通运输史。”确实,人们常说美国是一个由轮子驱动的国家。先进文化思想的传播,超越地域、种族和习俗的融合,无不依赖于使人们得以自由迁徙的交通系统。

1956年6月,美国国会通过联邦高速公路法案,拨款300多亿美元建设长达41000英里(65600公里)的联邦(州际)高速公路。这是美国有史以来最大的一个公共建设项目,它开启了美国州际公路的时代。

这个由艾森豪威尔总统签署的交通法案,在当时也被称为国家州际公路和国防公路法(National Interstate and Defense Highways Act)。“国防”一词作为这个法案的标题,是因为投资款项中有部分是国防经费,而且这个公路系统与大多数美国空军基地都有直接的通道,可以在战时形成防卫系统。联想到50年代正处于二战结束后不久即开始的美苏冷战时期,“国防”一词出现在交通法案中,既体现了当时的历史背景,也突显了交通的重要。

州际高速公路项目启动之前,尚未有过联邦政府限制卡车的尺寸和毛重的立法。各州根据当地的运营情况,对在州政府管辖范围的道路上运行的卡车尺寸和毛重,有各自的限制条件。在大规模投资公路建设的同时,国会认为联邦政府应该对使用州际公路的卡车实行更直接有效的控制。于是,1956年国会通过了限制卡车尺寸、最大轴重、车辆总重的立法。规定在州际公路上行驶的卡车,总重不得超过73280磅,单轮轴重不得超过18000磅,纵列轮队(tandem)总轴重不得超过32000磅。卡车的宽度不得超过96英寸。车辆的高度和长度则由各州自行限制。这个关于卡车总重和轴重的限制,与AASHO当时的桥梁设计标准规范中,对于汽车活荷载的规定是一致的。

同时,联邦法律也授权各州,允许原来已经在各州公路系统合法运营的重车在联邦公路系统行驶。这就是所谓的“祖父权利”。“祖父权利”条款是一种弥补,它的作用是避免联邦法与原有的各州独立实施的公路条例冲突,增加特定情况下的适应性。截至2012年,美国国会授权法律修订委员会(Section 127, Title 23, United States Code)一共颁布了3次“祖父权利”。

第一次于1956颁布,对当时联邦公路法中限制轴重和卡车毛重的条款进行补充;第二次是1975年,国会将1956年容许的最大卡车总重提高为8万磅,对应的单轮轴重增至2万磅,纵列轮队(tandem)总轴重增至3.4万磅。这个法案修订是应对当时燃料大幅度涨价,相当于容许卡车货运以附加的载货能力来补贴燃油的涨价。第三次于1991年颁布,批准所谓的“组合长车”(Long Combination Vehicles,LCV’s)在联邦公路上行驶。

商业运输车辆的经济效益与道路和桥梁的保护是一对矛盾。仅仅限制卡车的毛重和单个轴重,不足以有效保护路面和桥梁。在50年代末,AASHO组织了一系列道路和桥梁的实地测试研究,以确定货运车辆对路面的磨损和对桥梁结构的损伤。这些研究结果成为AASHO颁发的“刚性和柔性路面设计指南”的基础,也促使AASHO在1964年向国会呈报一个提案,建议用“桥梁公式”来取代单纯的毛重和轴重,从更多的方面限制卡车活载。1975年,在国会批准提高卡车总重量为8万磅时,这个“桥梁公式”也同时在联邦公路法案中正式使用,成为联邦桥梁公式,表示为——

W=500 [LN/(N-1)+12N+36]

其中,W=两轴或多轴卡车的最大容许毛重(磅),根据卡车的轴数和轴距计算得出

L=任何两个或多个连续车轴的外侧车轴间距(英尺)

N=计算中考虑的(L范围内)轴数。

任意两轴都必须进行验算。以此车为例:


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一辆拖车加3辆长28英尺或28.5英尺的挂车


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一辆拖车加两辆48英尺或45英尺挂车(上)

一辆拖车加一长(48或45英尺)一短(28或29英尺)两辆挂车(下)


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1-5轴,L=51, N=5,计算所得W=79.875,约等于总重8万磅;(基本满足联邦桥梁公式要求)

1-3轴,L=20,N=3,计算所得W=51千磅>34+12=46千磅;

2-3轴,L=5,N=2,计算所得W=35千磅>17+17=34千磅。

活载的限制由于不断发展更新的卡车配置变得更加复杂。联邦公路法案有8万磅的限重规定,在密西西比河以西的公路上,一直有总重超过8万磅的长车畅通无阻,这种长车在东部的高速公路干道上也时常出现。1991年,第三次“祖父权利”条款颁布,使得组合长车在联邦公路上行驶成为合法。

所谓的组合长车是指下列三种车型——

1.一辆拖车加3辆长28英尺或28.5英尺的挂车。

2.一辆拖车加两辆48英尺或45英尺的挂车。

3.一辆拖车加一长(48或45英尺)一短(28或29英尺)两辆挂车。

卡车的拖-挂组合有很多种可能,而且实际应力与根据卡车模型计算所得的结构应力之间也有差异。AASHTO在桥梁检测和维护手册里,定义了两个应力水平,一个是根据HS20计算得出的设计应力,另一个是运营的实测应力。实测数据表明,尽管不是常态,但是确实出现实测应力高出设计应力30%的情况!

1993 年, AASHTO第一版以荷载和抗力系数设计(LRFD)的桥梁设计标准规范颁布。与之对应的,以概率统计为依据制定的汽车活载称为HL93,取1993年首次采用的公路活载之意。HL93覆盖了H20、HS20和“祖父权利”包含的卡车,可以认为是用一种新的活载模式,概括了以往联邦公路法案容许的卡车类型(HL93活载表示如下图)。


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HL93活载表示

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卡车尺寸和重量VS公路成本的研究

从1931年的H20到1993年的HL93,AASHTO桥梁设计标准规范的活荷载基本上保持了一致,未曾有重大的轴重和毛重的改变。在这60多年间,“太阳底下”有了许多新鲜事,以计算机技术和互联网主导的技术革命,几乎彻底改变了传统工业模式,使得发达国家的社会经济结构和社会生活结构都发生了根本变化。这些改变无疑也会冲击作为社会经济支柱的交通运输行业。

1994年,美国交通部基于统一的卡车运输基础数据, 开展了卡车尺寸和重量的综合研究和联邦公路的成本分配研究,目的是划分成本责任,为收费细则提供依据。成本分配研究于1997年完成。卡车尺寸和重量综合研究报告却由于各种原因,直到2000年,才由交通部呈报国会。这两项研究表明,公路运输效益的提高,主要得益于“组合长车”(LCV’s),然而如果在联邦公路和各州自己管辖的公路上全面放开LCV’s,将导致许多州交通厅必须投入资金改善道路系统。此外,也会引起对铁路货运和公路运输安全系统的负面冲击。

2012年6月,奥巴马签署了“推进21世纪发展”的法令(Moving Ahead for Progress in the 21st Century Act)。在2013和2014两年间,拨款1000亿美元,改善美国的地面交通系统。MAP-21是美国经济和地面交通系统发展的一个里程碑。这个法令通过投资政策的引导,促进地面交通系统增长,整合公路、轨道交通、自行车和行人系统,构建高效方便的地面交通系统。根据这个法令的要求,美国交通部对2000年完成的“卡车尺寸和重量综合研究”内容进行了补充,并于2016年提交了新的研究报告。

新的研究报告是一组专题报告的总和。研究工作针对8 种卡车的毛重和轮重组合,分为下列五个方面:1.对桥梁结构影响效应比较分析。2.综合经济指标的合理性比较分析。3.公路安全和卡车碰撞频率,车辆性能(稳定性和控制),检查和违规模式对比分析。4.运输模式转换的比较分析,这里的模式转换包括卡车种类和运输模式转换,以及公路货运与铁路货运之间模式的转换。5.路面损耗比较分析。

报告没有就卡车的尺寸、毛重和轮重配置提出结论意见。在许多方面,这项研究工作提出了更多问题。报告同时指出,即使投入更多的时间和资金,付出更多努力作进一步的研究,也不能圆满答复是否应该从政策上,容许调整卡车的尺寸、毛重和轮重配置。这个问题的复杂,涉及面之广,从另一个方面验证了艾森豪威尔60年前的预言。

(编辑:江北)

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