基于中英橋梁規(guī)范-30 m跨徑簡支工字梁荷載計(jì)算對比

吳杰良，劉麗思，蔡建剛

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310006；2.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引 言

我國高等級公路設(shè)計(jì)與施工不斷增強(qiáng)，近些年涉外項(xiàng)目也逐漸增多。以英國標(biāo)準(zhǔn)BS5400作為道路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的工程項(xiàng)目仍在英聯(lián)邦及其前殖民地國家和地區(qū)作為主要的標(biāo)準(zhǔn)在使用。斯里蘭卡科倫坡外環(huán)高速路項(xiàng)目(The Outer Circular Highway to the City of Colombo)即為其中之一。本文比較中英規(guī)范中荷載取值及荷載效應(yīng)組合的相關(guān)規(guī)定，并分析產(chǎn)生差異的原因。

1 荷載參數(shù)對比

1.1 恒荷載對比

兩國規(guī)范對于恒載的定義合計(jì)計(jì)算沒有顯著區(qū)別，在荷載組合系數(shù)體現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。

1.2 活荷載對比

中國規(guī)范和英國規(guī)范BS5400-2中對活荷載和人行荷載均有詳細(xì)規(guī)定，表1列出了兩國規(guī)范在各活載定義和數(shù)值的差異。

表1 中國規(guī)范和英國規(guī)范關(guān)于活載的定義對比

1.3 風(fēng)載對比

中國規(guī)范的風(fēng)荷載規(guī)定較為簡單，橫向風(fēng)載作用與結(jié)構(gòu)所在的地理位置、周圍的地形地貌、地物、結(jié)構(gòu)離地面的高度、結(jié)構(gòu)物自身的形狀及斷面尺寸有關(guān)。除下承式桁架橋外，一般不考慮順橋向風(fēng)載；也不考慮豎橋向風(fēng)載。

英國規(guī)范的風(fēng)荷載考慮橫橋向風(fēng)載、順橋向風(fēng)載和豎向風(fēng)載。橫向風(fēng)載與結(jié)構(gòu)所在地理位置、周圍地形地貌、地物、結(jié)構(gòu)物高度、結(jié)構(gòu)物自身形狀和斷面尺寸以及橋梁上部活載存在與否有關(guān)。順橋向風(fēng)載與結(jié)構(gòu)物自身形狀和斷面尺寸有關(guān)，豎向風(fēng)載與橋梁的平面投影面積有關(guān)。

1.4 溫度荷載對比

對于體系溫差，英國規(guī)范根據(jù)橋梁實(shí)際位置所在的氣溫得到橋梁有效最高和有效最低溫度，并根據(jù)橋面鋪裝的厚度和橋面板類型進(jìn)行修正；中國規(guī)范直接將全國劃分為嚴(yán)寒、寒冷及溫?zé)?種溫度類型6個(gè)區(qū)域，規(guī)定了每個(gè)溫度類型的最低及最高有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值。從適用性上分析，英國規(guī)范更容易為世界其它地區(qū)所參照。

對于截面溫度梯度，英國規(guī)范考慮上部結(jié)構(gòu)類型，將梯度溫度分成4組，同時(shí)考慮鋪裝的影響；中國規(guī)范的溫度梯度分布僅根據(jù)上部結(jié)構(gòu)材料分成2組，且沒有明確指出鋼結(jié)構(gòu)橋梁的溫度梯度。故英國規(guī)范對溫度梯度經(jīng)常被用于國內(nèi)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中。

1.5 荷載組合類型的對比

英國規(guī)范和中國規(guī)范都將驗(yàn)算組合分成承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。每種荷載組合都應(yīng)考慮主要作用和次要作用。在英國規(guī)范中，根據(jù)主要作用的不同將極限狀態(tài)分類對應(yīng)5種組合工況：中國規(guī)范在每種主要荷載工況下采用同樣的計(jì)算公式，通過調(diào)整組合值系數(shù)來考慮主要作用和次要作用中各作用間的關(guān)系，通過長短期組合的定義豐富荷載組合的內(nèi)涵，總體而言，英國規(guī)范對組合的規(guī)定更為直接，對比結(jié)果如表2所示。

表2 中國規(guī)范和英國規(guī)范關(guān)于荷載分項(xiàng)系數(shù)的對比

此外，英國規(guī)范承載能力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)全取γf3=1.1，中國規(guī)范承載能力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)根據(jù)不同的安全等級分成三檔：1.1～0.9三檔。英國規(guī)范的規(guī)定更嚴(yán)格。

2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對比

2.1 算例概述

科倫坡外環(huán)高速路項(xiàng)目主線高架橋橋標(biāo)準(zhǔn)段采用30 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土簡支工字梁結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)4車道單幅橋?qū)?1.65 m，設(shè)置7片工字梁，板梁間距1.7 m。單片工字梁構(gòu)造如圖1所示，梁高1.833 m，上翼緣寬1.06 m，下馬蹄寬0.711 m，腹板厚0.203 m，每片梁設(shè)4道15～12預(yù)應(yīng)力鋼絞線，上翼緣兩側(cè)各設(shè)置有牛腿，其上擱置橋面板現(xiàn)澆模板。單跨橋中設(shè)置2道端橫梁和2道中橫梁。

本文采用符合英國標(biāo)準(zhǔn)SAP CSibridge橋梁設(shè)計(jì)軟件建立上部結(jié)構(gòu)單幅橋空間梁格模型，分別施加英國規(guī)范和中國規(guī)范的荷載參數(shù)，各自得出橋梁內(nèi)力結(jié)果。建立的SAP空間梁格模型如圖1所示。

圖1 有限元計(jì)算模型

2.2 內(nèi)力單項(xiàng)結(jié)果對比

表3列出了采用中國規(guī)范和英國規(guī)范計(jì)算對30 m標(biāo)準(zhǔn)跨橋梁主要單項(xiàng)結(jié)果的對比。從結(jié)果上可知，兩國規(guī)范計(jì)算的單項(xiàng)值差別較小，主要體現(xiàn)溫度梯度作用上。

表3 中國規(guī)范與英國規(guī)范單項(xiàng)計(jì)算結(jié)果對比

2.3 內(nèi)力組合結(jié)果對比

內(nèi)力組合計(jì)算結(jié)果如圖2所示。在承載能力極限狀態(tài)下，彎矩計(jì)算結(jié)果中國規(guī)范較英國規(guī)范大7%，剪力計(jì)算結(jié)果中國規(guī)范較英國規(guī)范大26%。其主要原因是中國規(guī)范在承載能力極限狀態(tài)下考慮車輛沖擊系數(shù)較英國規(guī)范大，且在計(jì)算剪力時(shí)中國規(guī)范有考慮20%的增大系數(shù)。

圖2 計(jì)算結(jié)果對比圖

同理，在正常使用極限狀態(tài)下，彎矩計(jì)算結(jié)果英國規(guī)范較中國規(guī)范大27%，剪力計(jì)算結(jié)果較中國大12%，由于中國規(guī)范在正常使用極限狀態(tài)下不計(jì)沖擊系數(shù)，同時(shí)在長期和短期組合下活載、風(fēng)載和溫度荷載均乘以組合值系數(shù)，對最后組合值削減較大。因此，影響兩國規(guī)范內(nèi)力計(jì)算結(jié)果差異的主要因素是組合要求和組合系數(shù)。

2.4 撓度結(jié)果對比

兩國規(guī)范對撓度計(jì)算的規(guī)定也有較大差異，中國規(guī)范根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力分析方法進(jìn)行計(jì)算，英國規(guī)范按照采用應(yīng)力曲率計(jì)算法進(jìn)行查表計(jì)算，撓度形狀與曲率關(guān)系表達(dá)式1/rx=d2a/dx2，用簡化方法求出計(jì)算撓度為a=KL2/rx。

對于中國規(guī)范， 正常使用極限狀態(tài)分為短期組合和長期組合，計(jì)算撓度按短期效應(yīng)組合并考慮長期影響。英國規(guī)范僅有一種正常使用極限狀態(tài)。

對計(jì)算模型進(jìn)行比對分析，在車輛活載作用下，實(shí)例橋梁按中國規(guī)范計(jì)算所得的跨中撓度值為14.8 mm，按英國規(guī)范計(jì)算撓度值為12 mm。應(yīng)力曲率計(jì)算法是一種近似計(jì)算方法，用簡化計(jì)算方法會(huì)對梁產(chǎn)生計(jì)算偏差。

3 結(jié) 論

中國規(guī)范和英國規(guī)范相比，從規(guī)范內(nèi)容和實(shí)例橋梁計(jì)算結(jié)果上，有以下幾點(diǎn)差異。

(1)中英兩國規(guī)范車輛活載定義各有不同的方法，計(jì)算結(jié)果差別較小，英國規(guī)范在對車輛附加荷載的定義上更詳細(xì)。根據(jù)實(shí)例模型計(jì)算對比顯示，影響計(jì)算結(jié)果的因素主要是荷載極限狀態(tài)的組合要求和組合系數(shù)。

(2)英國規(guī)范對風(fēng)荷載和溫度荷載的定義較中國規(guī)范更詳細(xì)，中國規(guī)范規(guī)定的梯度溫差形式與英國規(guī)范的規(guī)定差距較大，計(jì)算所得的溫度內(nèi)力對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響也較大。

(3)中國規(guī)范采用靜力方法計(jì)算撓度，英國規(guī)范采用應(yīng)力曲率計(jì)算法計(jì)算撓度，中國規(guī)范的方法更直觀準(zhǔn)確，英國規(guī)范的方法及其表格相較常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)使用時(shí)較為方便。