周志星
(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司,四川成都 610000)
斯里蘭卡某項目設(shè)計工作為一個平臺式轉(zhuǎn)運站,轉(zhuǎn)運站大部分采用橋梁架空設(shè)計,橋梁結(jié)構(gòu)類型有普通鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁。本項目設(shè)計規(guī)范采用的是英國規(guī)范BS5400系列,該系列共有10篇,本文將其中的第2篇“荷載規(guī)范”和第4篇“混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范”與國標JTGD60-2015《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》和JTG3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中的部分內(nèi)容進行了對比,從材料參數(shù)、活載加載及荷載分項系數(shù)、預(yù)應(yīng)力計算和限值要求以及構(gòu)造要求等方面進行了論述。
英標[1]和國標[2]中規(guī)定的混凝土抗壓強度設(shè)計值以及混凝土的彈性模量見表1、表2。
表1 混凝土抗壓強度設(shè)計值 MPa
表2 混凝土彈性模量 ×104MPa
從表1、表2結(jié)果對比可知中國規(guī)范規(guī)定的混凝土強度以及彈性模量略高于英國規(guī)范。
英國規(guī)范規(guī)定的普通鋼筋等級有三種,分別是Grade250;Grade460;Coldreducedsteelwire(Grade485),工程中較常用的是前兩者。中國規(guī)范規(guī)定的普通鋼筋等級也分為三類五種,分別是HPB300;HRB400,HRBF400,RRB400;HRB500。普通鋼筋抗拉、抗壓強度設(shè)計值見表3。
從表3中數(shù)據(jù)可知,雖然兩本規(guī)范規(guī)定的鋼筋種類不同,但總體上英標BS5400規(guī)定的鋼筋抗拉強度高于國標的規(guī)定。并且英標鋼筋的抗拉強度要大于其抗壓強度,而國標則相同。
表3 普通鋼筋抗拉、抗壓強度設(shè)計值 MPa
英標BS5896對預(yù)應(yīng)力鋼筋材料進行了表述,對于橋梁工程中常用的7股鋼絞線按抗拉強度標準值可以分為5類,抗拉強度范圍是1 570~1 860MPa,中國規(guī)范則分為3類,抗拉強度分別為1 720MPa、1 860MPa、1 960MPa。每一類鋼絞線又根據(jù)公稱直徑的不同劃分為許多種,英標和國標設(shè)計常用的都是公稱直徑為15.2mm的鋼絞線,兩種規(guī)范規(guī)定的鋼絞線參數(shù)基本相同,比如橫截面面積均為139mm2,最大張拉力259kN,彈性模量1.95×105MPa。
英標BS5400[3]和國標[4]對結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)都分為兩類,分別是承載能力極限狀態(tài)(ULS)和正常使用極限狀態(tài)(SLS),荷載組合以及荷載組合系數(shù)兩者有較大的區(qū)別,英標BS5400規(guī)定了五種荷載組合。
(1)荷載組合1:恒載+土壓力+不均勻沉降+汽車荷載+人行道/非機動車道荷載。
(2)荷載組合2:恒載+土壓力+不均勻沉降+汽車荷載+人行道/非機動車道荷載+風(fēng)荷載+臨時施工荷載。
(3)荷載組合3:恒載+土壓力+不均勻沉降+汽車荷載+人行道/非機動車道荷載+溫度荷載。
(4)荷載組合4:恒載+土壓力+不均勻沉降+汽車荷載引起的荷載(離心力、制動力、碰撞護欄等)。
(5)荷載組合5:恒載+土壓力+不均勻沉降+支座摩阻力。
每種組合的分項系數(shù)詳見英標BS5400第2篇[3]中的Table1,不再贅述。
我國規(guī)范規(guī)定的橋梁結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時應(yīng)采用基本組合和偶然組合兩種作用效應(yīng)組合,按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時應(yīng)采用頻遇組合和準永久組合兩種作用效應(yīng)組合,每種組合的分項系數(shù)詳見JTGD60-2015《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》第4章[4]相關(guān)內(nèi)容。表4列出的內(nèi)容是系數(shù)差異較大的幾種荷載類型。
表4 荷載分項系數(shù)對比
通過比較主要的荷載分項系數(shù)可知英國標準比中國規(guī)范規(guī)定的分項系數(shù)要大,特別是二期荷載的分項系數(shù)??偟膩碚f英標規(guī)定的荷載作用總效應(yīng)比中國規(guī)范的規(guī)定要大,設(shè)計更加偏保守。
英標BS5400規(guī)定公路橋梁標準荷載包括HA和HB荷載,HA荷載由均布荷載和一個集中荷載組成,與國標車道荷載類似。HB荷載是用若干個單位荷載表示大小的特種車輛荷載,與國標車輛荷載類似。英標HA和HB荷載效應(yīng)可以疊加,國標車道荷載和車輛荷載不能疊加。
英標BS5400-2中規(guī)定HA荷載由均布荷載(UDL)和一個集中荷載(KEL)組成(圖1、表5),當(dāng)加載長度不大于50m時,均布荷載由下式得出:
當(dāng)加在長度大于50m時,均布荷載由下式得出英標規(guī)定HA荷載中的集中荷載按每車道120kN取值。
圖1 HA荷載均布荷載曲線
表5 HA荷載均布荷載值
中國規(guī)范規(guī)定的公路I級車道荷載的均布荷載值為10.5kN/m,集中荷載標準值為180~360kN,具體值與跨徑有關(guān)。公路II級車道荷載按公路I級車道荷載的0.75倍采用。
英標BS5400的HA荷載的均布荷載值隨著加載長度的增加而減少,取值范圍是17.2~211.2kN/m;中國規(guī)范規(guī)定車道荷載為固定值10.5kN/m,通過對比可知英標的均布荷載大于國標,對于短跨徑橋梁差異更加明顯。根據(jù)參考文獻[5]里20m簡支T梁的計算結(jié)果可知跨中彎矩和梁端剪力都比中國規(guī)范大50 %左右,其主要原因是英標20mHA荷載的均布荷載值為45.1kN/m,約為中國荷載標準的4倍。
2.2.2HB荷載與國標車輛荷載對比
英標BS5400第2篇規(guī)定的HB荷載主要描述如下:對于公路橋梁,通??紤]的HB荷載的最小單元是30個,如果有特殊要求,單元數(shù)可以增加到45個;一個單元額定荷載為每軸10kN即每個輪2.5kN(圖2)。
圖2 HB荷載布置圖示
HB車輛是四軸,軸距是1.8m+(6.0~26.0)m+1.8m=9.6~29.6m,中間兩軸間隔設(shè)計時按最不利影響線位置進行調(diào)整。根據(jù)圖示,考慮30個單元,每個軸重量是300~450kN,一個車總重就是1 200~1 800kN。
我國規(guī)范規(guī)定的公路I級和公路II級車輛荷載相同,共有5個軸,一輛車總重550kN。通過對比可知英標規(guī)定的HB荷載比我國車輛荷載大,采用英標HB荷載設(shè)計結(jié)構(gòu)偏保守。
目前國內(nèi)橋梁病害產(chǎn)生的主要原因之一是超載車輛引起的結(jié)構(gòu)損壞,也可以認為中國規(guī)范汽車荷載效應(yīng)值偏低,若能參照英標規(guī)范,適當(dāng)提高汽車荷載效應(yīng)值則可以減少橋梁病害及事故的產(chǎn)生。
3.1.1 英標
英標BS5400對預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的分類與國標基本相同,BS5400將其分為三類,荷載均為正常使用極限狀態(tài)荷載組合情況下:
第1類:不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力(對于施工階段,允許在恒荷載、預(yù)應(yīng)力荷載以及施工臨時荷載共同作用下產(chǎn)生小于1MPa的拉應(yīng)力)。
第2類:允許產(chǎn)生拉應(yīng)力,無可見裂縫,且拉應(yīng)力不能超過規(guī)定值,限值見表6。
表6 英標第2類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件拉應(yīng)力限值要求
第3類:拉應(yīng)力超過規(guī)定的限值,但裂縫寬度不得超過規(guī)范的要求。
3.1.2 國標
我國規(guī)范對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件也分為三類:
第1類:全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件,此類構(gòu)件在作用頻遇組合下控制的正截面受拉邊緣不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。
第2類:部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件,此類構(gòu)件在作用頻遇組合下控制的正截面受拉邊緣可出現(xiàn)拉應(yīng)力,但不能超過限值,限值見表7。
表7 國標部分A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件拉應(yīng)力限值要求
第3類:部分預(yù)應(yīng)力B類構(gòu)件,此類構(gòu)件在作用頻遇組合下控制的正截面受拉邊緣可出現(xiàn)拉應(yīng)力,且拉應(yīng)力超過限值。
按照以往設(shè)計慣例,對于大跨徑橋梁通常要求設(shè)計為第1類構(gòu)件,中小跨徑橋梁設(shè)計為第2類構(gòu)件。通過第2類構(gòu)件拉應(yīng)力限值對比可知,英標拉應(yīng)力限值大于中國標準,但需注意的是,英標正常使用極限狀態(tài)的組合效應(yīng)也是大于國標的,所以不能簡單地判斷國標限值偏安全,設(shè)計時需根據(jù)實際的荷載情況及計算結(jié)果進行判斷。
英標BS5400第4篇的6.7.1條規(guī)定了最大初始應(yīng)力值要求:對于后張法構(gòu)件預(yù)應(yīng)力張拉初始應(yīng)力不應(yīng)大于70 %,對于先張法構(gòu)件不應(yīng)大于75 %。在張拉千斤頂時可以超張拉到80 %以提供額外的安全富裕。國標規(guī)定的預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力為75 %抗拉強度標準值,也可以超張拉至80 %以提供額外的安全富余。
英標規(guī)定縱向鋼筋為一排時鋼筋的最小凈距不應(yīng)小于hagg+5mm,hagg是粗骨料的最大尺寸。當(dāng)縱筋有兩排或者多排時,每排鋼筋之間的豎向間隔不應(yīng)小于2/3hagg,施工時可在兩排鋼筋之間放置直徑25mm的鋼筋,間隔1~2m,以滿足間隔要求。
英標BS5400將環(huán)境類別劃分為4中:極其嚴重、很嚴重、嚴重、一般。鋼筋保護層要求規(guī)定主筋至構(gòu)件邊緣的凈距應(yīng)滿足表8規(guī)定。
表8 英標鋼筋保護層厚度要求
我國規(guī)范的鋼筋混凝土保護層厚度根據(jù)構(gòu)件的不同、設(shè)計使用年限以及環(huán)境類別來確定,通過比較可知國標的保護層劃分更加詳細和安全。
4.3.1 英標
英標BS5400第4篇的6.8.3章節(jié)對預(yù)應(yīng)力鋼束的間距要求如下:預(yù)應(yīng)力管道間距應(yīng)不小于以下三者的最大值:
(1)hagg+5mm,hagg指最大骨料粒徑。
(2)豎向:波紋管豎向內(nèi)徑。
(3)水平向:波紋管水平向內(nèi)徑,并且能滿足振搗棒的操作空間要求。
4.3.2 國標
我國規(guī)范對后張法構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力管道間距要求如下:
(1)直線管道的凈距不應(yīng)小于40mm,且不宜小于管道直徑的0.6倍;對于預(yù)埋的金屬或塑料波紋管和鐵皮管,在直線管道的豎直方向可將兩管道疊置。
(2)曲線型預(yù)應(yīng)力鋼筋管道在平面內(nèi)相鄰管道間的最小凈距應(yīng)按本規(guī)范第9.4.8條第1款計算,平面外相鄰管道外緣的最小凈距,應(yīng)按本規(guī)范第9.4.8條第2款計算。
通過對比可知英標對波紋管的豎向間距要求更為嚴格,而國標則允許波紋管在直線段豎向疊置。因此在設(shè)計預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁時,特別是在跨中底板和支點頂板存在較多預(yù)應(yīng)力管道的連續(xù)梁橋,需適當(dāng)加大梁高和結(jié)構(gòu)厚度,以滿足英標的管道間距要求。
本文主要從材料參數(shù)、荷載分項系數(shù)和汽車荷載、預(yù)應(yīng)力計算和限值要求以及構(gòu)造要求等方面對英標BS5400和我國橋梁設(shè)計規(guī)范進行了對比,可以得出一般情況下英標BS5400規(guī)定的荷載組合效應(yīng)比國標規(guī)定的荷載效應(yīng)要大,并且構(gòu)造要求也比國標嚴格,但部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的拉應(yīng)力限值大于國標的限值。因此按照國標進行初步設(shè)計時,可適當(dāng)增加預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量以及結(jié)構(gòu)厚度和高度,以滿足英標BS5400規(guī)定的荷載及構(gòu)造要求。