中歐規(guī)范T梁上部結構對比研究

馬希田，陳宏卓，丁少凌

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

歐洲規(guī)范是迄今為止國際工程領域最新、最具影響力的一套區(qū)域性國際標準，由歐洲標準化委員會CEN頒發(fā)，在歐盟及其前殖民地國家具有權威性地位，是目前國際上使用范圍最廣的規(guī)范。隨著海外工程的拓展尤其是國家“一帶一路”的推進，海外交通土建項目逐漸增多，中國規(guī)范“走出去”勢在必行。

該文通過對20～50 mT梁中歐規(guī)范組合值及抗力、支座反力設計對比研究，提出較為直觀的設計對比結果。

1 對比范圍、計算方法及相關假定

為了較為全面采用中歐兩種規(guī)范體系對T梁進行對比，此次研究進行了如下的限制：

(1) 選擇跨徑為常規(guī)的L=20、30、40、50 m4種，結構形式為T梁。

(2) 車輛行駛特點：分幅橋面，即車輛按單向行駛。

(3) 橋梁寬度選擇考慮兩種規(guī)范車道數的跳躍，包絡各種不利情況，具體如下：對于T梁結構，中國規(guī)范常采用橫向分配系數的方法進行計算，各車道的臨界值分別為(圖1)：一車道(3.8 m≤B<6.9 m)，兩車道(6.9 m≤B<10 m)，三車道(10 m≤B<13.1 m)，四車道(13.1 m≤B<16.2 m)。歐洲規(guī)范各車道臨界值(考慮兩側各0.5 m護墻)：一車道(B<6.4 m)，兩車道(6.4 m≤B<10 m)，三車道(10 m≤B<13 m)，四車道(13 m≤B<17 m)，歐洲規(guī)范僅3個車道設置集中荷載且非重車道及剩余區(qū)域均布荷載值相同，故大于三車道后的荷載對結構的影響是連續(xù)的。綜上，結合中歐規(guī)范的汽車荷載特點，對于T梁結構橋梁選擇B=6.3、6.4、6.8、6.9、9.9、10、13、13.1、16.1、16.5 m。

圖1 中國規(guī)范T梁橫向分布系數計算臨界車道數示意(單位：cm)

(4) 計算方法：T梁按照剛性橫梁法(跨中)、杠桿法(支點處)計算橫向分配系數(歐洲規(guī)范參考此方法直接算出各梁的汽車荷載分配值)，橫向分配系數按照支點處至第一道橫隔板直線變化?，F澆總體箱梁按照單梁模型總體考慮。部分算例屬于寬橋范疇(B/L>0.5),以上算法的結果與實際內力略有偏差，但鑒于此次分析為對比研究，兩種規(guī)范采用統(tǒng)一算法，同樣能達到較好的對比結果。

(5) 中國規(guī)范的結構重要性系數取1.1，正常使用按照部分預應力A類構件驗算。

(6) 考慮的作用：一期恒載、二期恒載、預應力、汽車、頂板梯度。

(7) 驗算內容包含：跨中截面抗彎承載能力、跨中下緣抗裂驗算、支點截面抗剪承載能力驗算、支座反力驗算。

2 T梁構造

T梁細部構造參考公路系統(tǒng)常用結構尺寸，不同跨徑梁高依次取1.5、2.0、2.5、3.0 m，馬蹄寬為0.45、0.50、0.60、0.65 m，頂板根部厚度為0.25、0.25、0.25、0.3 m，頂板翼緣厚度為0.16、0.16、0.20、0.20 m。為便于研究，濕接縫澆筑完成后邊中梁為相同截面，T梁標準橫斷面布置見圖2，斷面參數見表1。

圖2 T梁標準橫斷面布置圖(單位：m)

表1 T梁斷面參數

3 作用效應

3.1 恒載

根據截面尺寸、橫隔板布置等實際尺寸計算構件體積，混凝土、瀝青重度分別取25、24 kN/m3，護墻不考慮橫向分配，其荷載完全作用于邊梁。

3.2 汽車作用

根據中國規(guī)范計算汽車作用效應，考慮汽車橫向分配系數、汽車沖擊系數影響。

歐洲規(guī)范車道劃分基本上按3 m一個車道的原則，不足一個車道的部分為剩余區(qū)。車道荷載為Load Model1,由2個集中力(順橋向相距1.2 m)和均布壓力組成，不同的是歐洲規(guī)范通過設置重車道來體現汽車作用的概率分布影響(中國規(guī)范為車道橫向折減系數)，3個重車道的集中力分別為2×300 kN、2×200 kN、2×100 kN,超過3個車道時其他車道無集中力，車道1均布壓力為9 kPa，其他車道及剩余區(qū)為2.5 kPa(表2)。重車道可施加在任意車道上，車道荷載按照最不利加載方式布置(圖3)。通過T梁的加載影響線計算出邊、中梁分配的最不利集中力及均布力大小。

表2 歐洲規(guī)范車道荷載

圖3 歐洲規(guī)范車道荷載圖示

3.3 梯度溫度

對于簡支梁結構，體系溫差不產生內力及應力，故不予考慮。頂板溫差雖不產內力但截面自身變形需協(xié)調而產生應力。中國規(guī)范頂板溫差加載不再贅述，歐洲規(guī)范加載模式見規(guī)范EN 1991-1-5中的圖6.2c。根據加載模式容易求出梯度溫度應力。

4 荷載組合

CHN彎矩承載能力組合ULS：1.1×[1.2DL1+1.2DL2+1.4(1+μ)(TS+UDL)]

CHN剪力承載能力組合ULS：1.1×[1.2DL1+1.2DL2+1.4(1+μ)(1.2TS+UDL)]

CHN支座反力組合SLS-CH：DL1+DL2+P+(1+μ)(TS+UDL)

CHN頻遇值組合SLS-Fr：DL1+DL2+P+0.7(TS+UDL)+0.8TK

EU承載能力組合ULS：1.35×(1.0DL1+1.2DL2)+1.35(TS+UDL)

EU支座反力組合SLS-CH：DL1+1.2DL2+P+(TS+UDL)

EU頻遇值組合SLS-Fr：DL1+1.2DL2+P+(0.75TS+0.4UDL)+0.5TK

中歐規(guī)范組合對比見表3。

符號意義：DL1為一期恒載；DL2為二期恒載；TS為車道集中力荷載；UDL為車道均布荷載；TK為梯度溫度；μ為中國規(guī)范規(guī)定汽車沖擊系數(歐洲規(guī)范汽車荷載效應已計入沖擊影響)；P為預應力。

簡支梁計算結果見圖4～7。

表3 中歐規(guī)范組合對比

圖4 邊梁跨中承載能力組合彎矩值(中國規(guī)范)

圖6 邊梁支座反力比值

圖7 中梁支座反力比值

由圖4～7可以看出：跨中截面承載能力組合彎矩歐洲規(guī)范偏大，為中國規(guī)范的1.06～1.39倍；根部截面承載能力組合剪力歐洲規(guī)范偏大，為中國規(guī)范的1.04～1.13倍；標準值組合下支座反力歐洲規(guī)范偏大，為中國規(guī)范的1.15～1.29倍?？缰薪孛婵沽呀M合彎矩歐洲規(guī)范偏小，為中國規(guī)范的0.67～0.91倍。

5 鋼束用量

主梁混凝土標號為C50，鋼束中心距下緣的距離分別為0.12、0.18、0.25、0.25 m。中歐規(guī)范混凝土設計強度分別為22.4、22.7 MPa，1860鋼絞線中歐規(guī)范設計強度分別為1 260、1 375 MPa。

抗裂驗算時，考慮收縮徐變影響鋼束永存應力根據經驗取1 100 MPa。中國規(guī)范頻遇值組合允許最大拉應力為0.7ftk=1.855 MPa，準永久值組合不出現拉應力；歐洲規(guī)范要求受拉區(qū)鋼束波紋管外邊緣不出現拉應力，此次研究偏安全按照頻遇值組合全截面不出現拉應力控制。中歐規(guī)范具體評判標準見表4。

簡支梁計算結果見圖8、9。

由圖8、9可知：兩種規(guī)范下鋼束用量均由承載能力組合控制，承載能力與正常使用狀態(tài)的鋼束用量差異隨跨徑的增大逐步接近(活載彎矩占比隨跨徑的加大而減小)，50 m跨徑基本持平。歐洲規(guī)范的鋼束用量普遍偏大，差異最大出現在橋寬6.4 m≤B<6.9 m范圍內(橋寬較窄且歐洲規(guī)范比中國規(guī)范可多布置一個車道)，最大鋼束用量差值達到了29%,其他橋寬鋼束用量差值不超過11%(根據文獻結論，同樣鋼筋配置下，歐洲規(guī)范的抗剪承載能力數值為中國規(guī)范的1.15～1.7倍，故滿足中國規(guī)范抗剪承載能力必然滿足歐洲規(guī)范要求)。

表4 中歐規(guī)范評判標準對比

圖8 邊梁最小鋼束用量比值

圖9 中梁最小鋼束用量比值

6 延伸研究

采用簡支梁同樣的研究方法進行三跨結構連續(xù)的驗算，以探尋連續(xù)結構中歐規(guī)范的變化規(guī)律。計算結果見圖10～17。

由圖10～17可得：跨中截面的鋼束配置情況與簡支梁規(guī)律相同。中支點截面因活載占比較大，中國規(guī)范主要由抗裂控制，歐洲規(guī)范兩種狀態(tài)下的縱向鋼束用量基本持平。

圖10 邊跨邊梁跨中最小鋼束用量比值

圖11 邊跨中梁跨中最小鋼束用量比值

圖12 中跨邊梁跨中最小鋼束用量比值

圖13 中跨中梁跨中最小鋼束用量比值

7 結論

經過20～50 mT梁中歐規(guī)范組合值及抗力、支座反力對比，可以得到該類橋型的以下對比結論：

圖14 邊梁中支點最小鋼束用量比值

圖15 中梁中支點最小鋼束用量比值

圖16 邊梁中支座反力比值

圖17 中梁中支座反力比值

(1) 兩種規(guī)范下跨中縱向鋼束數量均由承載能力組合控制，承載能力與正常使用狀態(tài)的鋼束用量隨跨徑的增大逐步接近，50 m跨徑基本持平。中支點截面因活載占比較大，中國規(guī)范主要由抗裂控制，歐洲規(guī)范兩種狀態(tài)下的縱向鋼束用量基本持平。除截面抗剪外，歐洲規(guī)范更偏于安全。對于窄橋，需重點關注6.4 m≤B<6.9 m橋寬范圍。

(2) 采用中國規(guī)范的抗剪設計滿足歐洲規(guī)范要求。

(3) 簡支梁跨中鋼束用量：僅6.4 m≤B<6.9 m橋寬下，歐洲規(guī)范中梁鋼束用量比中國規(guī)范多出6%～29%，其他情況增加不超過11%。

(4) 3跨及以上連續(xù)梁邊跨跨中鋼束用量：僅6.4 m≤B<6.9 m橋寬，歐洲規(guī)范邊跨中梁鋼束用量比中國規(guī)范多出12%～25%,其他增加不超過10%。

(5) 3跨及以上連續(xù)梁中跨跨中鋼束用量：僅6.4 m≤B<6.9 m橋寬，歐洲規(guī)范中跨中梁鋼束用量比中國規(guī)范多出6%～20%,其他增加不超過5%。

(6) 3跨及以上連續(xù)梁中支點鋼束用量：歐洲規(guī)范鋼束用量比中國規(guī)范多出7%～34%。

(7) 歐洲規(guī)范標準值組合下的邊支座反力比中國規(guī)范超出15%～29%，中支座超出13%～26%。