中英橋梁設(shè)計規(guī)范的異同點比較

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(yùn)站，轉(zhuǎn)運(yùn)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(biāo)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(jìn)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(jìn)行了論述。

1 材料強(qiáng)度參數(shù)

1.1 混凝土

英標(biāo)[1]和國標(biāo)[2]中規(guī)定的混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度以及彈性模量略高于英國規(guī)范。

1.2 普通鋼筋

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(qiáng)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(biāo)BS5400規(guī)定的鋼筋抗拉強(qiáng)度高于國標(biāo)的規(guī)定。并且英標(biāo)鋼筋的抗拉強(qiáng)度要大于其抗壓強(qiáng)度，而國標(biāo)則相同。

表3 普通鋼筋抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計值 MPa

1.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋

英標(biāo)BS5896對預(yù)應(yīng)力鋼筋材料進(jìn)行了表述，對于橋梁工程中常用的7股鋼絞線按抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可以分為5類，抗拉強(qiáng)度范圍是1 570～1 860MPa，中國規(guī)范則分為3類，抗拉強(qiáng)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(biāo)和國標(biāo)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。

2 汽車荷載及荷載效應(yīng)組合

2.1 荷載效應(yīng)組合

英標(biāo)BS5400[3]和國標(biāo)[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(biāo)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(jī)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(jī)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(jī)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(hù)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(biāo)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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。

2.2 汽車荷載

英標(biāo)BS5400規(guī)定公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)車輛荷載類似。英標(biāo)HA和HB荷載效應(yīng)可以疊加，國標(biāo)車道荷載和車輛荷載不能疊加。

2.2.1 HA荷載與國標(biāo)車道荷載對比

英標(biāo)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)的均布荷載大于國標(biāo)，對于短跨徑橋梁差異更加明顯。根據(jù)參考文獻(xiàn)[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(biāo)20mHA荷載的均布荷載值為45.1kN/m,約為中國荷載標(biāo)準(zhǔn)的4倍。

2.2.2HB荷載與國標(biāo)車輛荷載對比

英標(biāo)BS5400第2篇規(guī)定的HB荷載主要描述如下：對于公路橋梁，通常考慮的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(jìn)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(biāo)規(guī)定的HB荷載比我國車輛荷載大，采用英標(biāo)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(rèn)為中國規(guī)范汽車荷載效應(yīng)值偏低，若能參照英標(biāo)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 預(yù)應(yīng)力計算要求

3.1 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件限值對比

3.1.1 英標(biāo)

英標(biāo)BS5400對預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的分類與國標(biāo)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(biāo)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(biāo)

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(biāo)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(biāo)拉應(yīng)力限值大于中國標(biāo)準(zhǔn)，但需注意的是，英標(biāo)正常使用極限狀態(tài)的組合效應(yīng)也是大于國標(biāo)的，所以不能簡單地判斷國標(biāo)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(jìn)行判斷。

3.2 預(yù)應(yīng)力張拉初始應(yīng)力要求

英標(biāo)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(biāo)規(guī)定的預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力為75 %抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，也可以超張拉至80 %以提供額外的安全富余。

4 構(gòu)造要求

4.1 鋼筋間距要求

英標(biāo)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。

4.2 鋼筋保護(hù)層厚度

英標(biāo)BS5400將環(huán)境類別劃分為4中：極其嚴(yán)重、很嚴(yán)重、嚴(yán)重、一般。鋼筋保護(hù)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(biāo)鋼筋保護(hù)層厚度要求

我國規(guī)范的鋼筋混凝土保護(hù)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(biāo)的保護(hù)層劃分更加詳細(xì)和安全。

4.3 預(yù)應(yīng)力管道間距

4.3.1 英標(biāo)

英標(biāo)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(biāo)

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(biāo)對波紋管的豎向間距要求更為嚴(yán)格，而國標(biāo)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(biāo)的管道間距要求。

5 結(jié)束語

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(biāo)BS5400和我國橋梁設(shè)計規(guī)范進(jìn)行了對比，可以得出一般情況下英標(biāo)BS5400規(guī)定的荷載組合效應(yīng)比國標(biāo)規(guī)定的荷載效應(yīng)要大，并且構(gòu)造要求也比國標(biāo)嚴(yán)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(biāo)的限值。因此按照國標(biāo)進(jìn)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(biāo)BS5400規(guī)定的荷載及構(gòu)造要求。