中歐橋梁設(shè)計規(guī)范對比分析

李天超

(廣西樂望高速公路有限公司，廣西 南寧 530021)

0 引言

近年來，著眼于“一帶一路”倡議，中國基建企業(yè)有更多機會赴海外投資和拓展業(yè)務(wù)，但是絕大部分企業(yè)長期以國內(nèi)經(jīng)營為主，缺乏海外工程經(jīng)驗，尤其是面對全新的設(shè)計規(guī)范，往往會因為對規(guī)范體系的不熟悉而導(dǎo)致設(shè)計面臨重大風(fēng)險，直接導(dǎo)致經(jīng)濟和信用損失。

規(guī)范是橋梁設(shè)計的基礎(chǔ)，為橋梁設(shè)計提供支撐并具有法律效應(yīng)，對指導(dǎo)橋梁設(shè)計有著非常重要的作用。各國制定設(shè)計規(guī)范的基本原則是一致的，但受自身經(jīng)濟發(fā)展水平和國情差異等因素的影響，規(guī)范在相應(yīng)方面的側(cè)重也不同。

(1)中國規(guī)范由兩本基本橋梁規(guī)范組成，分別是《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)。中資企業(yè)近幾年在“走出去”的同時也將中國標(biāo)準(zhǔn)帶出了國門，在非洲地區(qū)部分工程項目中得到了推廣應(yīng)用。

(2)歐洲規(guī)范(Eurocodes)是最具理論性、系統(tǒng)性、權(quán)威性的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，尤其在橋梁工程領(lǐng)域具有較強的指導(dǎo)性。歐洲規(guī)范經(jīng)過多次修訂，在2006年正式頒布。自2010年之后，歐盟國家均統(tǒng)一采用歐洲規(guī)范，廢除各自抵觸的國家條款。如今，歐洲規(guī)范不僅成為歐盟國家的官方標(biāo)準(zhǔn)，也逐漸被許多非歐盟國家采用，包括絕大部分非洲國家。

筆者將針對中國規(guī)范和歐洲規(guī)范分別就以下幾個主要方面進行研究對比，希望能對同行在今后遇到相關(guān)設(shè)計問題時起到借鑒作用。

1 極限狀態(tài)設(shè)計法和使用年限

1.1 極限狀態(tài)設(shè)計法

中國規(guī)范和歐洲規(guī)范在極限狀態(tài)設(shè)計方面基本一致，均將結(jié)構(gòu)分為兩種極限狀態(tài)：

(1)承載能力極限狀態(tài)：指結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌或者結(jié)構(gòu)體系失效的狀態(tài)。

(2)正常使用極限狀態(tài)：指結(jié)構(gòu)體系或某一構(gòu)件不能滿足部分使用功能時的狀態(tài)。

兩種狀態(tài)的側(cè)重點略有不同，前者側(cè)重結(jié)構(gòu)安全性，而后者側(cè)重結(jié)構(gòu)的適用性。

但歐洲規(guī)范將抗浮失穩(wěn)和水力破壞單獨作為一種狀態(tài)進行考察，由此看出歐洲規(guī)范認識到了對不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的差異化要求。

1.2 使用年限

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限方面，中國規(guī)范與歐洲規(guī)范的規(guī)定都是100年。鑒于目前我們對影響結(jié)構(gòu)使用年限的相關(guān)因素的認識不夠充分，還不能精確預(yù)測結(jié)構(gòu)的使用年限，只能大致估計結(jié)構(gòu)和材料的長期使用性能，粗略地確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件維修或者更換的周期，但明確結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限依然是有必要的：

(1)可以根據(jù)設(shè)計使用年限的長短確定用于結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載，選擇時需要考慮材料性能的劣化，譬如臨時結(jié)構(gòu)就不必進行抗震設(shè)計，也不必考慮結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。

(2)比選不同的設(shè)計方案和建造材料，平衡初期建造成本和后期養(yǎng)護費用，使結(jié)構(gòu)全壽命成本達到最優(yōu)。

(3)系統(tǒng)性地優(yōu)化結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護策略。

2 荷載組合

2.1 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)是中國規(guī)范根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性提出的專門系數(shù)，在歐洲規(guī)范中也有相類似的系數(shù)，但具體應(yīng)用方式卻不盡相同：

(1)中國規(guī)范結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)分別為1.1、1.0 和0.9。

(2)歐洲規(guī)范采用的計算模型不確定性分項系數(shù)γSd與中國規(guī)范的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)類似，在實際應(yīng)用過程中，通?？紤]將計算模型的不確定性分項系數(shù)和作用分項系數(shù)合并。

2.2 荷載組合

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在運營期間受恒荷載及其他活荷載的影響，荷載組合時應(yīng)考慮多種荷載作用時的概率，因此需指定不同的荷載組合系數(shù)。由于不同荷載在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的組合和概率不同，所以規(guī)范需要通過采用不同的分項系數(shù)和組合系數(shù)來進行結(jié)果分析。

2.2.1 中國規(guī)范組合要求

(1)組合的原則

中國規(guī)范通過頻遇系數(shù)來考慮不同荷載出現(xiàn)的概率，疊加考慮所有荷載工況。

(2)存在的問題及特點

盡管考慮所有可能發(fā)生荷載的組合，但采用的荷載折減系數(shù)一樣，沒有考慮到荷載作用的主次。

規(guī)范中沒有明確偶然工況參與荷載組合的量化要求。

2.2.2 歐洲規(guī)范要求

(1)組合的原則

首先確定結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)可變作用，包括參與組合的荷載類型及相應(yīng)的荷載布置(位置、大小和方向)，主導(dǎo)與非主導(dǎo)可變作用采用不同的分項系數(shù)，這就會有很多種不利荷載組合，設(shè)計過程中難以明確最不利荷載組合。

(2)存在的問題及特點

歐洲規(guī)范的規(guī)定相對較為籠統(tǒng)，且設(shè)計需考慮的荷載工況較多，設(shè)計工作量較大，需要深入理解規(guī)范意圖，避免產(chǎn)生誤解。

3 材料

中國規(guī)范的混凝土強度等級是按立方體試件的抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值確定；歐洲規(guī)范對混凝土抗壓強度是按圓柱體試件和立方體試件的不同均有要求，分別用fcu和fck，cube表示，但混凝土強度等級是按圓柱體試件的抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fck，cube確定的。中國規(guī)范通過不同標(biāo)號混凝土的換算系數(shù)及脆性折減系數(shù)確定抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值；歐洲規(guī)范則通過混凝土結(jié)構(gòu)材料強度分項系數(shù)確定抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，如表1所示。

表1 普通鋼筋、鋼絞線分項系數(shù)比較表

4 荷載

橋梁結(jié)構(gòu)根據(jù)橋址地域性和結(jié)構(gòu)功能性的不同，承受不同的直接和間接荷載。常見的荷載有：結(jié)構(gòu)自重、汽車、人群、溫度、風(fēng)、雪、波浪、浮冰等常規(guī)荷載，另外還包括諸如船(車)撞荷載和地震荷載等一些偶然荷載。

不同國家規(guī)定的荷載均有差異，如溫度荷載因所處地域的不同而有差異，對所有荷載進行對比是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，本文僅針對橋梁的主要荷載——活荷載進行對比分析，以期能基本反映不同國家的荷載規(guī)范。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)值的取值

4.1.1 中國規(guī)范

按照公路Ⅰ級車道荷載標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

均布荷載集度為qk=10.5kN/m，集中荷載Pk取值如表2所示，車道荷載布置如圖1所示。

表2 集中荷載Pk取值表

圖1 中國規(guī)范車道荷載布置圖

4.1.2 歐洲規(guī)范

歐洲規(guī)范規(guī)定了4種豎向荷載模式(見圖2)：

(a)

(b)

荷載模型1(LM1)：由雙軸四輪集中力(TS)和均布力(UDL)組成，覆蓋了絕大多數(shù)卡車和轎車的荷載效應(yīng)，用于橋梁結(jié)構(gòu)的整體驗算和局部驗算。

荷載模型2(LM2)：為一單軸雙輪的集中力，作為LM1荷載模型的補充，主要用于跨徑為3～7m的橋梁驗算。

荷載模型3(LM3)：由一系列的標(biāo)準(zhǔn)車輛模型組成，主要用于特殊交通情況下的橋梁整體和局部驗算。

荷載模型4(LM4)：為一均布荷載，用于考慮橋梁滿載人群的特殊情況。

其中LM1荷載與中國規(guī)范的公路Ⅰ級車道荷載類似，作為主要的驗算荷載。

4.2 活載車道折減

當(dāng)橋面設(shè)置兩個車道以上時，從概率論的角度考慮，很難使每條車道上均處于滿載狀態(tài)。中國規(guī)范采用橫向折減系數(shù)來考慮，如表3所示。而歐洲規(guī)范分別對每一個車道都定義了荷載標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)點在于能體現(xiàn)出荷載的偏心影響(見表4)。橋梁計算跨徑>150m時，中國規(guī)范考慮了車道荷載的縱向折減，而歐洲規(guī)范沒有考慮此項因素。

表3 橫向車道布載系數(shù)表

表4 荷載模型LM1標(biāo)準(zhǔn)值表

以目前高速公路建設(shè)當(dāng)中常用的30m跨徑為例，對中歐規(guī)范規(guī)定的汽車活載進行比較，結(jié)果如圖3所示。

(a)均布荷載(UDL)

(b)集中荷載(TS)

(c)車道荷載合計

通過圖3荷載對比可看出，歐洲規(guī)范集中軸載僅在前三個車道有規(guī)定值，超過三個車道后集中軸載為0，但歐洲規(guī)范規(guī)定的集中軸載值在7個車道以內(nèi)均大于中國規(guī)范，且四個車道以內(nèi)差距較大，超過中國規(guī)范40%以上。且歐洲規(guī)范的均布荷載也明顯大于中國規(guī)范，差值在70%以上。在兩項荷載合計值方面，中、歐洲規(guī)范差值在44%以上。

現(xiàn)實中我國超載車輛隨處可見，重載車引起橋梁垮塌的事件屢有發(fā)生，相應(yīng)提高活載的等級以降低橋梁損毀事故的發(fā)生已很有必要。

5 耐久性設(shè)計

在耐久性設(shè)計方面，歐洲規(guī)范與中國規(guī)范的條款基本一致，在不同環(huán)境下，從混凝土配合比設(shè)計、結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計、施工等方面采用不同的耐久性方案。下面以混凝土保護層厚度為例，介紹中、歐規(guī)范的異同。

歐洲規(guī)范在規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)保護層厚度時，從以下三個方面考慮：(1)鋼筋向混凝土傳力的需要；(2)保護鋼筋不受環(huán)境侵蝕的需要；(3)耐火的需要。

歐洲規(guī)范中，混凝土保護層厚度cnom計算如式(1)所示：

cnom=cmin+Δcdev

(1)

式中：cmin——混凝土最小保護層厚度；

Δcdev——設(shè)計容許偏差，有國家附錄指定，推薦值取10mm。

設(shè)計中最小混凝土保護層應(yīng)同時滿足粘結(jié)和環(huán)境要求，cmin應(yīng)按式(2)取較大值：

cmin=max{cmin,b;cmin,dur+Δcdur,r-Δcdur,st-Δcdur,add;

10mm}

(2)

式中：

cmin,b——保證鋼筋與混凝土有效粘結(jié)的最小保護層厚度；

cmin,dur——保護鋼筋不受環(huán)境侵蝕的需要的最小保護層厚度；

Δcdur,r——附加安全厚度；

Δcdur,st——鋼筋采用不銹鋼可適當(dāng)減少的保護層厚度；

Δcdur,add——應(yīng)用特殊保護措施可適當(dāng)減少的保護層厚度。

式中Δcdur,r、Δcdur,st、Δcdur,add采用遵守歐洲規(guī)范的國家各自附錄規(guī)定，歐洲規(guī)范建議值為0。

中國規(guī)范在規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)保護層厚度時，從兩個方面考慮：(1)保證握裹層混凝土對鋼筋的錨固；(2)保護鋼筋不受環(huán)境侵蝕的需要。與歐洲規(guī)范相比，中國規(guī)范未考慮耐火需要對混凝土保護層的要求。

中國規(guī)范關(guān)于最小混凝土保護層厚度的規(guī)定如表5所示。

表5 混凝土保護層最小厚度cmin取值表(mm)

從表5分析來看，在進行結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計時，歐洲規(guī)范考慮了粘結(jié)、環(huán)境、耐火等方面，而中國規(guī)范主要考慮了環(huán)境方面的要求，粘結(jié)方面的考慮也是在前不久修訂的2018版規(guī)范中新增加的。由此可見，相比中國規(guī)范，歐洲規(guī)范考慮更全面，這與歐洲規(guī)范廣泛用于土木工程領(lǐng)域(不僅限于橋梁工程)也有一定關(guān)系。

6 承載力計算

在承載力計算原理方面，歐洲規(guī)范與中國規(guī)范基本一致，只是在一些細節(jié)規(guī)定方面略有不同。

歐洲規(guī)范計算正截面承載力的基本假定：

(1)正截面在彎曲變形后仍保持平面。

(2)鋼筋(預(yù)應(yīng)力鋼筋)與周圍混凝土應(yīng)變相同。

(3)忽略混凝土抗拉強度。

(4)混凝土本構(gòu)關(guān)系假定為拋物線，當(dāng)fck<50MPa時，混凝土極限壓應(yīng)變?nèi)?.0035；當(dāng)fck≥50MPa時，按理論公式計算。

(5)在鋼筋設(shè)計強度范圍內(nèi)，鋼筋應(yīng)力為鋼筋彈性模量與應(yīng)變的乘積。

(6)需考慮鋼筋初應(yīng)變。

中國規(guī)范計算正截面承載力的基本假定：

(1)構(gòu)件彎曲后，其截面仍保持平面。

(2)受拉區(qū)不考慮混凝土的抗拉強度。

(3)在鋼筋設(shè)計強度范圍內(nèi)，縱向體內(nèi)鋼筋應(yīng)力為鋼筋彈性模量與應(yīng)變的乘積。

結(jié)合來看，中國規(guī)范中的三點基本假定在歐洲規(guī)范中均有相應(yīng)要求，歐洲規(guī)范規(guī)定的其他三個基本假定包括鋼筋與混凝土粘結(jié)、混凝土受壓本構(gòu)以及預(yù)應(yīng)力筋初應(yīng)變等在中國規(guī)范中也有相關(guān)規(guī)定。

在承載力計算公式方面，以單筋截面為例，歐洲規(guī)范的計算公式如式(3)所示:

As=ηfcd(λx)b/fyd

x=Asfyd/(ηfcdλb)≤xlim

(3)

Md=ηfcd(λx)b(h0-0.5λx)

式中：xlim——最大混凝土受壓區(qū)高度，保證結(jié)構(gòu)破壞時為延性破壞。

中國規(guī)范的計算公式如式(4)所示:

As=fcdbx/fyd

x=Asfyd/(fcdb)≤ξbh0

(4)

Md=fcdbx(h0-0.5x)

式中:ξb——界限受壓區(qū)高度，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)超筋。

為了避免結(jié)構(gòu)的破壞形式為脆性破壞，中國規(guī)范規(guī)定了界限受壓區(qū)高度，與歐洲規(guī)范相應(yīng)的最大混凝土受壓區(qū)高度要求一致。

7 結(jié)語

(1)在設(shè)計原則和方法方面，歐洲規(guī)范與中國規(guī)范基本一致，但是在材料取值、荷載系數(shù)、作用組合、耐久性設(shè)計以及結(jié)構(gòu)設(shè)計中略有不同，在應(yīng)用歐洲規(guī)范進行橋梁設(shè)計時應(yīng)注意細節(jié)方面的差異。

(2)國家附錄是歐洲規(guī)范重要的組成部分，是不同國家實際情況的體現(xiàn)，因此在不同國家進行橋梁設(shè)計時執(zhí)行國家附錄是很有必要的。

(3)中國規(guī)范的條款往往是推薦性和建議性的，要求有經(jīng)驗的工程師根據(jù)自身認識水平和專業(yè)能力去靈活使用規(guī)范，部分情況下可不受規(guī)范約束去設(shè)計，但任何的法律責(zé)任都由設(shè)計者承擔(dān)；而中國規(guī)范往往給出的強制性條款居多，這就限制了設(shè)計者的發(fā)揮，固化了設(shè)計者的思維。

(4)近年來，部分中資企業(yè)在開展國外項目時采用了“規(guī)范混編”的模式，忽視了規(guī)范體系本身的完整性和適應(yīng)性，導(dǎo)致項目進展緩慢等。筆者推薦采用同一規(guī)范體系的標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，即便是中國規(guī)范走出去，也應(yīng)成套體系推薦使用，避免出現(xiàn)混編形式，最終導(dǎo)致出現(xiàn)業(yè)主、監(jiān)理等各方難以接受的結(jié)局。