桥梁上的汽车制动力是桥梁设计中的重要荷载,主要用于验算桥墩、支座以及固定装置的受力。其计算并非简单的物理摩擦力,而是根据结构设计规范,考虑多种因素后确定的等效静力荷载。

根据中国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015),汽车制动的计算核心原则是:制动力按车道荷载计算,不计冲击系数。制动力的大小与桥梁的计算跨径、车道数及荷载等级密切相关。
计算方法如下:
1. 制动力标准值计算公式: 一个设计车道上的制动力标准值,为车道荷载的标准值在加载长度(通常为主跨跨径)上计算的总重力的10%。但此值不应小于165kN,也不应大于900kN。
2. 多车道折减: 同向行驶的多车道桥梁,其制动力标准值应为上述一个车道制动力的倍数,并乘以规定的横向折减系数。纵向折减系数不适用于制动力计算。
3. 制动力方向与作用点: 制动力作用方向为行车方向,其作用点在桥面以上1.2米处。在计算墩台时,可移至支座中心(铰或滚轴中心)或滑动支座、橡胶支座的底面;计算刚构桥、拱桥时,可移至桥面。
以下为不同车道数和加载长度下的制动力标准值计算示例表(基于公路-I级车道荷载,均布荷载qk=10.5 kN/m,集中荷载Pk随跨径变化):
| 计算跨径 (m) | 一个车道总重力 (kN) (qk*L+Pk) | 一个车道制动力 (kN) (取总重力×10%,且介于165~900kN) | 多车道制动力合计 (以三车道为例,乘横向折减系数0.78) |
|---|---|---|---|
| 20 | 10.5*20 + 270 = 480 | Max(480*10%, 165) = 165 | 165 * 3 * 0.78 = 386.1 |
| 50 | 10.5*50 + 360 = 885 | Max(885*10%, 165) = 88.5 → 165 | 165 * 3 * 0.78 = 386.1 |
| 100 | 10.5*100 + 360 = 1410 | 1410*10% = 141 → 165 | 165 * 3 * 0.78 = 386.1 |
| 150 | 10.5*150 + 360*1.2 = 2205 | 2205*10% = 220.5 | 220.5 * 3 * 0.78 = 515.97 |
| 200 | 10.5*200 + 360*1.2 = 2532 | 2532*10% = 253.2 | 253.2 * 3 * 0.78 = 592.49 |
| 300 | 10.5*300 + 360*1.2 = 3582 | 3582*10% = 358.2 | 358.2 * 3 * 0.78 = 838.19 |
| 500 | 10.5*500 + 360*1.2 = 5682 | Min(5682*10%, 900) = 568.2 | 568.2 * 3 * 0.78 = 1329.59 |
| 800 | 10.5*800 + 360*1.2 = 8832 | Min(8832*10%, 900) = 883.2 → 900 | 900 * 3 * 0.78 = 2106 |
扩展相关要点:
1. 与摩擦力的区别: 制动力是规范规定的设计荷载,与实际车辆刹车产生的动态力不同。它考虑了所有车轮并非同时以最大摩擦系数刹车,以及车流的概率分布,因此是一个统计意义上的等效静力。
2. 制动力分配: 对于多跨桥梁,制动力在固定支座与活动支座间的分配取决于支座类型和桥墩刚度。通常认为固定支座承受全部制动力,若设多个固定支座,则按各墩刚度分配。
3. 与桥梁形式的关系: 对于连续梁桥、刚构桥,制动力会影响桥墩弯矩和梁体轴向力。对于斜拉桥、悬索桥,制动力是主梁纵向设计的重要荷载,影响伸缩装置选型和塔墩设计。
4. 橡胶支座的考虑: 板式橡胶支座在制动力作用下会发生剪切变形,部分制动力会通过支座传递到下部结构,另一部分由梁体的惯性力平衡,计算时需考虑支座剪切刚度的影响。
5. 欧洲规范(EN 1991-2)对比: 欧洲规范将制动力表达为集中力Qlk,其大小与荷载模型及车道数相关,例如对于主要荷载模型LM1,Qlk为0.6αQ1Q1k(介于90kN至600kN之间),思路与中国规范相似但具体数值和算法有差异。
综上所述,桥梁上汽车制动力的求解是一个基于规范条款的标准化过程,关键在于理解其作为设计荷载的统计本质,并准确应用规范中的计算公式、上下限规定以及多车道折减系数。

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