汽車荷載-汽車荷載由什么組成
汽車（消防車）輪壓以其荷載數值大、作用位置不確定及一般作用時間較短而倍受結構設計者關注。結構設計的關鍵問題在于汽車輪壓等效均布荷載數值的確定。輪壓荷載作用位置的不確定性，給等效均布荷載的確定帶來了一定難度，一般情況下，要精確計算輪壓的等效均布荷載是比較困難的，且從工程設計角度看，也沒有必要。“等效”和“折減”的本質都是“近似”，且其次數越多，誤差就越大。
01
影響等效均布荷載的主要因素
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跨度：
等效均布荷載的數值與構件的跨度有直接的關系，在相同等級的汽車輪壓作用下，板的跨度越小，則等效均布荷載的數值越大；而板的跨度越大，則等效均布荷載數值越小。結構設計中應注意“等效均布荷載”及“效應相等”的特點，汽車輪壓荷載具有荷載作用位置變化的特性，是移動的活荷載，其最大效應把握困難，且效應類型（彎矩、剪力等）不同，等效均布荷載的數值也不相同，等效的過程就是一次近似的過程。
動力系數：
汽車荷載屬于動力荷載，板頂填土或面層對汽車動力荷載起緩沖和擴散作用，板頂覆土或面層太薄時，一般可不考慮其有利影響。而當板頂覆土厚度較大時，輪壓荷載對頂板的動力影響已經不明顯，可取動力系數為1.0(表1)?！逗奢d規范》表4.1.1 中給出的車輛荷載，是一種直接作用在板上的等效均布荷載，已考慮了動力系數，可直接采用。
覆土層厚度：
1）《荷載規范》表4.1.1 中第8 項所規定的汽車荷載，是輪壓直接作用在樓板上的等效均布荷載。
2）結構板面的覆土及面層對汽車輪壓具有擴散作用(車輪壓力擴散角，在混凝土按45°考慮，在覆土中可按30°考慮)，覆土越厚，汽車輪壓擴散越充分，當覆土層厚度足夠厚，輪壓擴散足夠充分時，汽車輪壓荷載可按均布荷載考慮。當覆土層厚度足夠時，可按汽車在合理投影面積范圍內的平均荷重計算汽車的輪壓荷載，見表2。
足夠的覆土厚度指：汽車輪壓通過土層的擴散、交替和重疊，達到在某一平面近似均勻分布時的覆土層厚度。足夠的覆土厚度數值應根據工程經驗確定，當無可靠設計經驗時，可按后軸輪壓的擴散面積不小于按荷重比例劃分的汽車投影面積（圖1）確定相應的覆土厚度為hmin，當實際覆土厚度h≥hmin 時，可認為覆土厚度足夠。
以300kN 級汽車為例（圖1）：考慮汽車合理間距（每側600mm）后汽車的投影面積為（8+0.6）×（2.5+0.6）=26.66m2
后軸輪壓占全車重量的比例為240/300=0.8
取后軸輪壓的擴散面積為0.8×26.66=21.33m2
根據后軸輪壓的擴散面積不小于按荷重比例劃分的汽車投影面積有：
則：h≥2.28m，取h=2.3m，此時可確定為覆土層厚度足夠，車身合理投影范圍內的平均重量為300/26.66
=11.3 kN/m2。
足夠的覆土層厚度計算示意/m
02
等效均布荷載的折減
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1）《荷載規范》按跨中彎矩相等的原則進行等效荷載的計算，并將其用于所有的各類構件（板、梁、柱和墻等）全部效應（彎矩、剪力、軸力等）的設計計算。采用的是按構件類型及從屬面積折減的方法。
2）對現澆梁板結構，汽車輪壓荷載在地下結構頂板及頂板梁內都有分布和傳遞，結構設計時可將輪壓荷載按：板→次梁→主梁的路徑傳遞，以簡化設計過程。
3）由于等效均布荷載與其效應具有一一對應的關系，不同效應之間的等效均布荷載不同，原則上不能通用?？梢园l現，此處對等效均布荷載的折減又是一次更大程度的近似過程。同時也再次表明，對等效均布荷載進行所謂精細計算是沒有意義的，計算以滿足工程精度為宜。
03
汽車等效均布荷載的簡化計算
1）《荷載規范》明確規定了等效均布荷載的計算原則，但由于消防車輪壓位置的不確定性，實際計算復雜且計算結果有時與規范數值出入很大。特殊情況下（如雙向板等），等效均布荷載的計算結果明顯不合理，當支承情況越復雜、局部荷載的作用面積越小、板頂面層或覆土層很薄時，等效均布荷載的數值偏差幅度越大，因此，應注意對等效均布荷載的比較并合理取值。舉例說明如下：
小結：
1）汽車等效均布荷載與板跨、覆土層厚度等密切相關。
2）汽車的等效均布荷載還與效應的選擇有關，效應不同等效均布荷載的數值也不相同，不同效應之間等效均布荷載不可通用。
3）規范按跨中彎矩相等原則確定等效均布荷載，并將其用于所有效應的計算。等效的本質就是近似。
4）等效均布荷載的計算屬于結構估算的范疇。追求過高的計算精度對設計而言完全沒有必要。實際工程中可采用簡化計算方法確定等效均布荷載，滿足工程精度要求即可。
案例：
本工程最小板跨為2.4m×2.5m，板厚180mm，汽車最大輪壓為100KN（根據《城市橋梁設計荷載標準》第4.1.3條城—A級車輛荷載）,汽車輪壓著地面積為0.6m×0.2m（參考《建筑結構荷載規范》規范說明中4.1.1條“對于20~30T的消防車，可按最大輪壓為60kN作用在0.6m×0.2m的局部面積上的條件決定；”），動力系數為1.3，板頂填土S=0.9m。平面簡圖詳見圖：
擴展了解：
04
汽車荷載組合值、標準值
頻遇值及準永久值取值探討
公路橋梁設計時，規范提出了汽車荷載的4種取值，分別是組合值、標準值、頻遇值和準永久值。
標準值：公路工程技術標準2014版，汽車荷載的標準值為公路-I級。依據參考文獻1和2的分析，公路-I級基本上與汽車-超20級等效，后者對應于車速約20km/h的車輛間距布置，涵蓋了各級公路對應的車速和基準通行能力。
當重載車比例≤30%時，等效汽車荷載未超過公路-I級標準值，可采用修訂的公路-I級標準值計算；當重載車比例>30%時，等效汽車荷載超過公路-I級標準值，應根據等效汽車荷載進行計算。
組合值
設計基準期內，橋梁結構要保證安全、適用、耐久。橋梁結構的安全性主要通過可靠度來衡量，即通過設計基準期內，結構抗力與載荷產生內力之差為正的可靠概率來衡量，可靠概率也可以用可靠指標表示，即可靠概率分布值/標準差。例如公路橋梁的可靠指標要求為4.2，其對應的可靠概率為99.99867%，失效概率為1.334575E-05。
橋梁結構的安全性，通過強度設計來保證，對應的設計狀態為承載能力極限狀態，對應的汽車荷載為組合值，對應的材料工作狀態為塑性。
組合值，為設計基準期內，滿足可靠度要求時的最大荷載，通過標準值乘以組合系數來體現，公路橋涵通用規范規定的汽車荷載的組合系數為1.4。
依據參考文獻2的分析，嚴重堵車時，前、后車輛凈距按2m計算，則對汽-超20級主車來說，車重20t，車距10m，等效為均布力2t/m，是汽-超20級1.05t/m的1.9倍，接近2倍，即此時的組合系數應為2.0。
采用規范規定的組合系數1.4并未考慮嚴重堵車工況，這和可靠度設計的理念不符，建議設計時，承載能力極限狀態應考慮嚴重堵車工況。
頻遇值
設計基準期內，橋梁結構要保證安全、適用、耐久。橋梁結構的適用性，一般是指設計基準期內，橋梁運營期間，結構剛度滿足要求，通?？刂平Y構的撓度不超過限值。橋梁結構的耐久性，一般是指設計基準期內，結構的性能下降幅度滿足要求，通?？刂平Y構裂縫不超過限值。
橋梁結構的適用性和耐久性，分別通過控制撓度和裂縫寬度來保證，對應的設計狀態為正常使用極限狀態，對應的汽車荷載為頻遇值或準永久值，對應的材料工作狀態為彈性。
依據參考文獻1，頻遇值，可靠度標準給出了定義，但未給出具體數值，指出需要根據統計結果及工程經驗綜合確定；通用規范給出的定義與可靠度標準不同，且給出了頻遇值具體數值為0.7*標準值。
筆者認為，考慮重車超載的情況下，采用0.7*標準值作為頻遇值可能偏低，適用性及耐久性可能達不到要求。
通常情況下，重車一般位于外側行車道，對于一定的交通組成，當重車比例小于50%時，可假設重車均位于一條車道；當重車比例大于50%，例如60%時，可假設50%重車位于一條車道，另外10%位于另一條車道。這種布載工況可概括為重車按交通組成比例布置，并優先集中于一條車道布置，筆者建議將此工況視為頻遇工況，并采用與參考文獻2相同的方法進行分析，結果如下表：
由表可見，重車比例小于30%時，標準值可取公路-I級標準值，頻遇值系數0.83；重車比例大于30%時，標準值大于公路-I級標準值，頻遇值接近公路-I級標準值；重車比例大于50%時，標準值大于公路-I級標準值，頻遇值大于公路-I級標準值；頻遇值系數0.83~1.0。
準永久值
依據參考文獻1，準永久值，可靠度標準給出了定義，但未給出具體數值，指出需要根據統計結果及工程經驗綜合確定；通用規范給出的定義與可靠度標準不同，且給出了準永久值具體數值為0.4*標準值。
筆者認為，考慮重車超載的情況下，采用0.4*標準值作為準永久值可能偏低，適用性及耐久性可能達不到要求。
如上所述，建議的頻遇值工況，可概括為重車按交通組成比例布置，并優先集中于一條車道布置；準永久值工況，可概括為重車按交通組成比例減半布置，并優先集中于一條車道布置。采用與參考文獻2相同的方法，進行分析，結果如下表：
由表可見，重車比例小于30%時，標準值可取公路-I級標準值，準永久值系數0.64；重車比例大于30%時，標準值大于公路-I級標準值，準永久值系數0.62~0.66。綜合兩者，準永久值系數可取0.65。
關于2004/2018橋規持久狀況應力計算
首先對比一下85橋規和2004/2018橋規各設計狀態對應的汽車荷載，如下表所示：
由表可見：
1、承載能力極限狀態，汽車荷載均采用組合值。
2、正常使用極限狀態，85規范，應力、撓度、裂縫計算均采用標準值，應力計算未明確是否計入汽車沖擊力，撓度、裂縫明確不計汽車沖擊力；而2004/2018規范，撓度、裂縫計算采用頻遇值，可不計汽車沖擊力，應力計算采用標準值，應計入汽車沖擊力。
對此認為：
1、若按照可靠度標準關于頻遇值的定義，即設計基準期內，95%時段汽車荷載不超過頻遇值，正常使用極限狀態采用頻遇值是合理的。應力屬于正常使用極限狀態控制指標，采用可靠度標準定義的頻遇值控制是可以的。
2、2004/2018規范的頻遇值與可靠度標準定義的不同，較標準值下降較多（頻遇值不計沖擊，與標準值計沖擊相比，前者僅相當于后者的約54%），所以提出了應力計算用標準值控制。根據前述分析，當重載車比例較高時，頻遇值大于公路-I級標準值，用公路-I級標準值也控制不住。
3、汽車沖擊力，是與結構固有頻率相關的一個動力，類似于彈簧掛重物，在重物上下往復運動過程中，彈簧拉力會在某些位置大于重物重力，比重力多出來的這部分，就是汽車沖擊力。汽車荷載是動荷載，汽車沖擊力始終存在，無論是組合值、標準值、頻遇值、準永久值，都應該考慮汽車沖擊力。
4、建議規范根據重車不同比例，建立標準值、頻遇值、準永久值的關系，在正常使用極限狀態計算時，統一采用汽車荷載頻遇值并考慮汽車沖擊力進行控制。
建議：
1、考慮超載情況下，頻遇值通常大于規范規定的頻遇值。當重載車比例較高時，頻遇值可能大于公路-I級標準值，建議根據重載車比例進行頻遇值計算。
2、嚴重堵車工況下，汽車荷載大約為公路-I級標準值2倍，目前規范組合系數僅為1.4，未考慮嚴重堵車工況，建議規范考慮嚴重堵車工況。
3、建議規范加強頻遇值研究，給出重載車不同比例下的頻遇值，在正常使用極限狀態計算時，應力、撓度、裂縫統一采用汽車荷載頻遇值并考慮汽車沖擊力進行控制。
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