中美公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)比研究

魯玉忠，于劍麗，宋銀平

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003)

目前中國(guó)建筑行業(yè)進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的份額日漸增多，近幾年國(guó)內(nèi)公司在南美國(guó)家相繼承攬了一些大型水利水電、公路橋梁工程項(xiàng)目，在合同中都明確寫明采用美國(guó)規(guī)范，我公司在承接厄瓜多爾CCS項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)中也是如此。筆者參加了厄瓜多爾CCS項(xiàng)目中的公路橋梁設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)中美兩國(guó)橋梁規(guī)范進(jìn)行了一些研究工作，對(duì)中國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)［1]、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)［2](以下簡(jiǎn)稱中國(guó)橋梁規(guī)范)和美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［3](以下簡(jiǎn)稱美國(guó)橋梁規(guī)范)進(jìn)行對(duì)比，找出兩國(guó)規(guī)范的差異。中美橋梁規(guī)范主要區(qū)別是:(1)設(shè)計(jì)方法不同;(2)汽車荷載取值不同;(3)荷載組合系數(shù)不同;(4)計(jì)算基本假定和截面抗彎承載力表達(dá)式不同;(5)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸及保證率不同。本文通過(guò)對(duì)單跨6～35 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑汽車活載工況跨中彎矩計(jì)算統(tǒng)計(jì)，找出兩國(guó)規(guī)范活載效應(yīng)差別，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)跨徑配筋計(jì)算，給出因規(guī)范差異導(dǎo)致截面配筋的具體變化，總結(jié)出幾點(diǎn)設(shè)計(jì)體會(huì)，對(duì)我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的改進(jìn)和修訂提出建議。

1 設(shè)計(jì)方法

1.1 中國(guó)橋梁規(guī)范

中國(guó)橋梁規(guī)范采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)表達(dá)式

式中 γ0——橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù);

S——作用(或荷載)效應(yīng)(汽車荷載應(yīng)計(jì)入沖擊系數(shù))的組合設(shè)計(jì)值;

R(·)——構(gòu)件承載力函數(shù);

fd——材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

ad——幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值。

1.2 美國(guó)橋梁規(guī)范

美國(guó)橋梁規(guī)范采用荷載抗力設(shè)計(jì)法(Load and Resistance Factor Design)，公式中“荷載”一側(cè)，在力效應(yīng)、荷載系數(shù)基礎(chǔ)上乘以關(guān)于延性、超靜定和運(yùn)營(yíng)重要性的綜合系數(shù);“抗力”一側(cè)，采用公稱抗力(各種材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及幾何參數(shù)計(jì)算出的抗力)乘以一個(gè)各種構(gòu)件取值不同的抗力系數(shù)

式中 η——關(guān)于延性、超靜定和運(yùn)營(yíng)重要性的系數(shù);

Yi——荷載系數(shù);

Qi——力效應(yīng);

φ——抗力系數(shù);

Rn——公稱抗力;

ηD——有關(guān)延性的系數(shù);

ηR——超靜定性的系數(shù);

η1——運(yùn)營(yíng)重要性的系數(shù)。

1.3 設(shè)計(jì)方法差異

(1)我國(guó)橋梁規(guī)范采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。而美國(guó)規(guī)范是以可靠度理論為基礎(chǔ)，采用荷載抗力設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)表達(dá)式?jīng)]有分項(xiàng)系數(shù)。

(2)在“荷載”一側(cè)乘以系數(shù)不同。

中美橋梁規(guī)范不同等級(jí)道路上橋梁結(jié)構(gòu)乘以系數(shù)取值見(jiàn)表1。

(3)“抗力”一側(cè)采用材料強(qiáng)度不同(表1)。

中國(guó)橋梁規(guī)范采用材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，美國(guó)橋梁規(guī)范采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 “荷載”一側(cè)乘以系數(shù)對(duì)比

2 汽車荷載

2.1 中國(guó)橋梁規(guī)范

汽車荷載分為公路—Ⅰ級(jí)和公路—Ⅱ兩個(gè)等級(jí)，由車道荷載和車輛荷載組成。車道荷載由均布荷載和集中荷載組成，計(jì)算圖示見(jiàn)圖1。公路—Ⅱ級(jí)車道荷載為公路—Ⅰ級(jí)荷載的0.75倍。

圖1 公路—Ⅰ級(jí)車道荷載

2.2 美國(guó)橋梁規(guī)范

汽車荷載定名為HL-93，包括2種組合:設(shè)計(jì)貨車與設(shè)計(jì)車道荷載組合;設(shè)計(jì)雙軸與設(shè)計(jì)車道荷載組合。橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算取2種組合較大者。設(shè)計(jì)貨車軸重及軸距見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)計(jì)貨車活載(單位:m)

設(shè)計(jì)雙軸為1對(duì)110 kN的軸，軸距1.2 m。

設(shè)計(jì)車道荷載為9.3 kN/m的均布荷載。

2.3 汽車荷載差異

(1)活載布置及取值不同。

(2)橫斷面多車道折減系數(shù)不同。

兩國(guó)橋梁規(guī)范橫向車道折減系數(shù)見(jiàn)表2，可見(jiàn)，美國(guó)橋梁規(guī)范多車道折減系數(shù)高于中國(guó)橋梁規(guī)范，其單車道折減系數(shù)為中國(guó)規(guī)范1.2倍。

表2 橫向折減系數(shù)對(duì)比

(3)沖擊系數(shù)取值不同。

美國(guó)橋梁規(guī)范沖擊系數(shù)為常數(shù)μ美=0.33，中國(guó)橋梁規(guī)范沖擊系數(shù)μ中是與材料及連接方式關(guān)聯(lián)的變量，隨著跨徑的增加逐漸減小，沖擊系數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖3。

擬橋面寬8.5 m單跨6～35 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑，汽車活載工況的跨中彎矩見(jiàn)圖4、圖5。不計(jì)沖擊系數(shù)，美國(guó)汽車活載效應(yīng)介于我國(guó)公路-Ⅰ級(jí)與公路-Ⅱ級(jí)效應(yīng)之間，為公路-Ⅰ汽車效應(yīng)的0.75～0.91倍。計(jì)沖擊系數(shù)，美國(guó)汽車活載效應(yīng)在6～8 m跨徑范圍效應(yīng)小于我國(guó)公路-Ⅱ級(jí)，為公路-Ⅱ級(jí)效應(yīng)的0.92～0.93倍，在10～35 m跨徑范圍介于我國(guó)公路-Ⅰ級(jí)與公路-Ⅱ級(jí)效應(yīng)之間，為公路-Ⅰ級(jí)效應(yīng)的0.78～0.95倍。

圖3 沖擊系數(shù)對(duì)比

圖4 不計(jì)沖擊系數(shù)各跨中彎矩

圖5 計(jì)沖擊系數(shù)各跨中彎矩

3 荷載組合系數(shù)

中美橋梁規(guī)范主要荷載組合系數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 荷載組合系數(shù)對(duì)比

橋面寬8.5 m，單跨6～35 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑，中國(guó)橋梁規(guī)范基本組合、美國(guó)橋梁規(guī)范組合Ⅰ，跨中彎矩對(duì)比見(jiàn)圖6。美國(guó)汽車活載效應(yīng)在6～10 m跨徑范圍介于我國(guó)公路-Ⅰ級(jí)與公路-Ⅱ級(jí)效應(yīng)之間，為公路-Ⅰ級(jí)效應(yīng)的0.86～0.98倍;在13～35 m跨徑范圍汽車效應(yīng)大于我國(guó)公路-Ⅰ級(jí)，為公路-Ⅰ級(jí)效應(yīng)的1.07～1.11倍。

圖6 汽車活載組合跨中彎矩

4 計(jì)算基本假定和截面抗彎承載力表達(dá)式

4.1 計(jì)算基本假定

(1)構(gòu)件彎曲后，其截面仍保持為平面，兩國(guó)規(guī)范規(guī)定相同。僅極限壓應(yīng)變?chǔ)與u規(guī)定不同，美國(guó)橋梁規(guī)范取值為0.003，中國(guó)橋梁規(guī)范根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同取值為0.003 3～0.003。

(2)截面受壓混凝土應(yīng)力圖簡(jiǎn)化為矩形，忽略混凝土抗拉強(qiáng)度，兩國(guó)規(guī)范規(guī)定相同。

(3)中國(guó)橋梁規(guī)范，混凝土和鋼筋采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;美國(guó)橋梁規(guī)范，混凝土采用28 d抗壓強(qiáng)度，鋼筋采用最小屈服強(qiáng)度。

4.2 截面抗彎承載力表達(dá)式

中國(guó)橋梁規(guī)范

式中 Md——彎矩組合設(shè)計(jì)值;

fcd——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

fsd——縱向鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

As——受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向鋼筋截面面積;

b——矩形截面寬度;

h0——截面有效高度;

x——混凝土受壓區(qū)高度。

美國(guó)橋梁規(guī)范

式中 Mn——公稱抗力;

β1——混凝土應(yīng)力塊系數(shù);

b——矩形截面寬度;

c——混凝土受壓區(qū)高度;

As——受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向鋼筋截面面積;

fy——縱向抗拉鋼筋最小屈服強(qiáng)度和抗壓鋼筋最小屈服強(qiáng)度;

ds——從最外受壓混凝土邊緣到縱向鋼筋質(zhì)心的距離;

5 混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸及保證率

5.1 中國(guó)橋梁規(guī)范

中國(guó)橋梁規(guī)范的混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用150 mm×150 mm×150 mm立方體試件28 d的抗壓強(qiáng)度，鋼筋和混凝土保證率是一致的，即95%，其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值公式

式中 fcu，k——混凝土強(qiáng)度等級(jí);

μf150——立方體抗壓強(qiáng)度平均值;

σf150——混凝土樣本標(biāo)準(zhǔn)差;

δc——混凝土樣本變異系數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 中國(guó)橋梁規(guī)范混凝土的變異系數(shù)

式中 fyk——鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;

Sy——鋼筋強(qiáng)度樣本標(biāo)準(zhǔn)差;

δy——鋼筋強(qiáng)度樣本變異系數(shù)。

5.2 美國(guó)橋梁規(guī)范

美國(guó)材料試驗(yàn)方法ASTM規(guī)定，混凝土強(qiáng)度采用直徑150 mm、高度為300 mm圓柱體試件28 d的抗壓強(qiáng)度f(wàn)'c作為混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)，具有98%的保證率，它在意義上相當(dāng)于我國(guó)的棱柱體試件軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值?；炷僚浜媳绕骄箟簭?qiáng)度［4]:

f'c≤35 MPa時(shí)，取式 (10)、(11)中大值

Ss——混凝土樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

美國(guó)橋梁規(guī)范關(guān)于鋼筋強(qiáng)度要求鋼筋測(cè)定的最低值不低于設(shè)計(jì)取值，具有99.9%的保證率，其標(biāo)準(zhǔn)值表達(dá)式

中、美兩國(guó)橋梁規(guī)范混凝土強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表5，美國(guó)混凝土抗壓強(qiáng)度為中國(guó)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的0.74～0.82倍，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，強(qiáng)度差別也越大。本文忽略標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸的差異，僅分析抗壓強(qiáng)度保證率方面的區(qū)別。

表5 中美橋梁規(guī)范混凝土強(qiáng)度對(duì)比

6 算例

以標(biāo)準(zhǔn)跨徑6 m裝配式鋼筋混凝土梁為例，單塊中板截面尺寸如圖7所示，二期恒載為7.8 kN/m，梁自重為7.36 kN/m，C30混凝土、HRB335主筋，凈保護(hù)層厚度為3 cm，不配置受壓鋼筋。

圖7 中板截面(單位:mm)

6.1 中國(guó)橋梁規(guī)范

fcd=13.8 MPa，fsd=280 MPa，γ0=1.0;M自重=29.83 kN·m，M二期=31.61 kN·m，M活=131.86 kN·m，Md=258.34 kN·m。計(jì)算跨中下緣配筋 As=3 089 mm2。

6.2 美國(guó)橋梁規(guī)范

中國(guó)材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)cd=13.8 MPa，fsd=280 MPa換算美國(guó)規(guī)范后1.05，M自重=29.83 kN·m，M二期=31.61 kN·m，M活=92.31 kN·m，Mn=246.25 kN·m。計(jì)算跨中下緣配筋 As=3 236.60 mm2。

中美橋梁規(guī)范截面配筋計(jì)算對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 中美橋梁規(guī)范截面配筋計(jì)算對(duì)比

采用美國(guó)規(guī)范，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，普通鋼筋混凝土梁，一般采用，其他計(jì)算參數(shù)不變，則計(jì)算跨中下緣配筋A(yù)s=2 229.18 mm2;截面所需配筋明顯減少，主要為采用高強(qiáng)材料所致。

7 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)中、美兩國(guó)橋梁鋼筋混凝土規(guī)范中設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)參數(shù)取值、設(shè)計(jì)荷載及荷載組合、材料保證率等方面對(duì)比，指出了規(guī)范差異之處，并通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了兩國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的具體差異。

(2)橫斷面多車道折減系數(shù)美國(guó)橋梁規(guī)范高于中國(guó)橋梁規(guī)范。

(3)單跨13 m以上，組合后汽車活載效應(yīng)HL-93高于公路-Ⅰ級(jí)。

(4)美國(guó)混凝土抗壓強(qiáng)度是中國(guó)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的0.74～0.82倍，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，強(qiáng)度差別越大。

(5)高強(qiáng)度混凝土、鋼筋等材料，在國(guó)外廣泛應(yīng)用于工程中。

(6)建議盡快組織我國(guó)公路橋梁規(guī)范英文版翻譯工作，便于為工程相關(guān)的咨詢及業(yè)主單位交流，便于與其他國(guó)際規(guī)范對(duì)比。

［1]JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S].北京:人民交通出版社，2004.

［2]JTG D60—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S].北京:人民交通出版社，2004.

［3]AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，F(xiàn)ifth Edition［S].A-merican Association of State Highway and Transportation Officials，2010.

［4]ACI 318-11.Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI 318-11)and Commentary［S].American Concrete Institute，2011.

［5]高策，薛吉崗.鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范由容許應(yīng)力法轉(zhuǎn)換為極限狀態(tài)法的思考［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(2):41-45.

［6]郭豐哲.基于美國(guó)規(guī)范的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋設(shè)計(jì)［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(2):45-49.