馬 韜

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

阿爾及利亞位于非洲西北部,全稱為阿爾及利亞民主人民共和國,面積238.17萬km2,人口3136萬,大多數(shù)是阿拉伯人,其次是柏柏爾人。伊斯蘭教為國教,官方語言為阿拉伯語,通用法語。 阿爾及利亞南部為占國土面積80%的沙漠,中部為寬闊平緩的高原,地中海沿岸為狹窄的濱海平原。河流多為間歇河。沿海地帶屬地中海氣候,南部沙漠地屬熱帶沙漠氣候。年降水量在700 mm以下。阿爾及利亞東西高速公路東連突尼斯、西接摩洛哥,它既是阿爾及利亞貫穿東西方向的主要交通大動脈,又是北非地中海沿岸國家重要的戰(zhàn)略通道,是北部非洲馬格里布(阿拉伯五國聯(lián)盟)高速公路的重要組成部分。阿爾及利亞東西高速公路建設項目是我國首次通過國際競標獲得的大型工程項目,工程承包人為中信-中鐵建聯(lián)合體(CITIC—CRCC)。根據(jù)項目合同要求,本項目必須按照歐洲標準(以法國規(guī)范為主)進行設計和施工,設計主要采用法國規(guī)范和源于法國規(guī)范的阿爾及利亞規(guī)范[1-3]。

1 項目采用歐洲標準的構(gòu)成和特點

1.1 歐洲標準及法國規(guī)范結(jié)構(gòu)體系

本項目所在地為阿爾及利亞,當?shù)赝聊竟こ淘O計標準主要采用歐洲標準體系中的法國規(guī)范。歐美高等教育本科階段學科劃分較粗,土木工程專業(yè)下并未如國內(nèi)細分為工民建、公路、鐵路、水工等二級學科,土木工程咨詢及施工公司的業(yè)務大多涵蓋了所有土建工程。歐洲土木工程結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(EN 規(guī)范簡稱歐洲規(guī)范)是由一系列相互配套使用的土木設計規(guī)范組成的,適用于各行業(yè)的土木工程。歐洲規(guī)范作為以EN為標準的歐洲標準,具有國家標準的合法地位,但考慮到每一成員國之間安全水平的不同,保留各成員國根據(jù)他們的具體情況確定與安全有關的參數(shù)值的權利,這些參數(shù)匯總于國家附錄中,形成在統(tǒng)一標準下的本國規(guī)范。NF EN規(guī)范為法國發(fā)行的基于歐洲標準的法國規(guī)范,包括了歐洲標準化協(xié)會發(fā)行的歐洲規(guī)范(含有各種附錄)、法國的標題及前言頁及法國的“國家附錄”。NF EN規(guī)范目前已成為采用法國標準的土木工程的主要執(zhí)行規(guī)范。法國國內(nèi)采用的公路工程標準、規(guī)范及技術指南由多家研究機構(gòu)或部門編制,沒有統(tǒng)一編碼[1-3，10，11]。其主要來源于：(1)法國發(fā)行的歐洲土木工程結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(NF EN)；(2)由法國經(jīng)濟財政與工業(yè)部下發(fā),法國運輸、建設、旅游和海洋部編制的《公共設施建筑行業(yè)的總技術條款匯編(CCTG)》；(3)法國公路和高速公路研究所(SETRA)；(4)法國隧道研究中心(CETU)。

1.2 本項目采用設計標準規(guī)范

(1)公共設施建筑行業(yè)的總技術條款匯編62分冊第一節(jié)(CCTG Fascicule 62—Titre Ⅰ (Section Ⅰ))

(2)公共設施建筑行業(yè)的總技術條款匯編62分冊第二節(jié)(CCTG Fascicule 62—Titre Ⅰ (Section Ⅱ))

(3)阿爾及利亞橋梁荷載標準(CPC Fascicule 61—Titre Ⅱ)

(4)法國地震區(qū)常用橋梁設計指南(Ponts courtants en zone sismique de SETRA)

(5)阿爾及利亞抗震標準(RPA 99/VERSION 2003)

(6)歐8規(guī)范-結(jié)構(gòu)物抗震計算(NF EN1998-1,1998-1/NA,1998-2,1998-2 /NA)

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 總體設計

PK0+500 PIO-1橋為上跨東西高速M5標段的人行天橋,根據(jù)功能分類,屬于PS橋(支線上跨橋)。PS橋跨越的障礙物為東西高速公路主線,墩臺高度相對固定,橋梁的跨徑選擇范圍為18～35 m,分跨為1～4孔。結(jié)合本橋具體情況,考慮美觀的結(jié)構(gòu)形式和施工方便,決定上部采用采用2×20 m連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu),下部采用矩形薄壁橋墩配擴大基礎,見圖1。

圖1 人行天橋總體布置(單位：cm)

2.2 技術標準

橋梁類別：鄉(xiāng)道(人行天橋),一級橋梁；

氣象區(qū)劃：B類地區(qū)(溫和或干燥地區(qū))；

環(huán)境濕度：ρh=45%；

跨徑組合：2×20.0 m；

斜交角度：90°；

橋面寬度：0.25 m(欄桿)+2.5 m(人行道)+0.25 m(欄桿)=3.0 m；

設計荷載：人群4.5 kN/m2[9]；

預應力度：Ⅱ類結(jié)構(gòu)[4-5]；

地震區(qū)段：橋址位于地震頻發(fā)的Ⅲ區(qū),動峰值加速度系數(shù)為0.4g[6-8]；

場地類別：S2類(堅固場地)；[6-8]

2.3 上部結(jié)構(gòu)尺寸

橋面寬3.0 m,橫向布置1片單箱單室箱梁,現(xiàn)澆箱梁高1.00 m,橋面鋪裝厚10 cm,見圖2。上部結(jié)構(gòu)及橋面的荷載通過梁底設置的板式橡膠支座傳遞到橋墩、梯道和基礎。上部結(jié)構(gòu)采用支架現(xiàn)澆法施工,下部結(jié)構(gòu)采用常規(guī)施工方法。

圖2 天橋結(jié)構(gòu)(單位：cm)

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)計算方法及參數(shù)

根據(jù)CCTG Fascicule 62—Titre Ⅱ (Section Ⅱ)規(guī)定,上部結(jié)構(gòu)計算采用極限狀態(tài)法進行設計。極限狀態(tài)法包括正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)(E.L.U),結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或者達到不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)(E.L.S),結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性能中某項規(guī)定限度的狀態(tài)[4，5,10，11]。結(jié)構(gòu)分析計算采用土木工程專用計算軟件Midas/Civilv.2007和Robot/OfficeV.20進行,其中靜力計算及應力驗算采用Midas/Civilv.2007,截面配筋計算采用Robot/OfficeV.20。箱梁采用梁單元模擬,全橋結(jié)構(gòu)計算模型如圖3所示。全橋共劃分梁單元42個,與梁單元相關的節(jié)點46個,另外還有3個預應力鋼束單元和3個邊界單元。

圖3 計算模型

上部箱梁結(jié)構(gòu)采用RN40混凝土,RN40混凝土為阿爾及利亞標準,其參數(shù)與歐洲標準相同,與我國標準差異較大。我國規(guī)范GB 50010—2002將立方體強度值作為混凝土強度的基本指標,并把立方體強度作為評定混凝土強度等級的標準。歐洲規(guī)范混凝土強度等級用混凝土圓柱體抗壓強度特征值fck(5%分位值)或立方體抗壓強度特征值fck,cube表示。RN40混凝土表示圓柱體強度特征值為40 MPa的混凝土[10-11]。其強度發(fā)展曲線和收縮徐變曲線見圖4～圖6。

圖4 強度發(fā)展曲線

圖5 收縮發(fā)展曲線

圖6 徐變發(fā)展曲線

預應力荷載在各狀態(tài)下計算參數(shù)不同：承載能力極限狀態(tài)(E.L.U),預應力作用力的平均值(概算值)：Pm=P0-ΔP；正常使用極限狀態(tài)(E.L.S),預應力作用力的計算值：Pd=max{P1;P2},P1=1.02P0-0.80ΔP(可用來檢驗施工流程)；P2=0.98P0-1.20ΔP(可用來檢驗長期效應)[4-5],其中，P0為初始張拉預應力,ΔP為預應力損失。

3.2 結(jié)構(gòu)分析控制參數(shù)

(1)荷載組合：根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠性設計的概念,按照概率極限狀態(tài)法進行設計,對結(jié)構(gòu)處于不同狀態(tài)下的荷載組合見表1。

表1 荷載組合

注：Pd—預應力荷載；Gmax—恒荷載極大值；Gmin—恒荷載極小值；Qprc—施工荷載；FA—偶然荷載；Qr—活荷載；Qrp—特殊活荷載；T—均勻溫度荷載；Δθ—溫度梯度荷載。

(2)混凝土應力控制：根據(jù)CCTG Fascicule 62-Titre Ⅰ (Section Ⅱ)中對預應力混凝土結(jié)構(gòu)物在各階段各狀態(tài)下的應力控制要求,本橋的應力控制見表2～表4。

3.3 計算結(jié)果

表2 壓應力控制

注：fbu—極限狀態(tài)下壓應力限值；fcj—混凝土抗壓強度；θ—與荷載效應相關的系數(shù)；γb—荷載組合相關的安全系數(shù)；fbc—正常使用狀態(tài)下壓應力限值；fc28—混凝土28 d抗壓強度。

表3 拉應力控制

注：fts—正常使用狀態(tài)下拉應力限值；ftj—混凝土抗拉強度。

表4 剪應力控制

表5 施工階段截面應力 MPa

表6 運營階段截面應力 MPa

(1)截面正應力

施工階段,正常使用狀態(tài)(E.L.S)下,截面未出現(xiàn)拉應力。運營階段,正常使用極限狀態(tài)(E.L.S)下,頻遇組合(frequent combination)下未出現(xiàn)拉應力,標準組合(characteristic combination)下,上緣未出現(xiàn)拉應力,下緣最大拉應力為-0.31 MPa。應力狀態(tài)滿足設計要求。

(2)截面剪應力

運營階段,承載能力極限狀態(tài)(E.L.U)下,截面最大剪應力為1.84 MPa。正常使用極限狀態(tài)(E.L.S)下,截面最大剪應力為1.27 MPa,均滿足設計要求。

4 結(jié)論

本項目按照歐洲標準建設,設計中主要采用法國規(guī)范及基于法國規(guī)范的阿爾及利亞規(guī)范。與現(xiàn)行中國公路橋涵規(guī)范既有相似之處,也有較大的區(qū)別?？傮w來講其結(jié)構(gòu)體系接近于我國建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范,對橋梁工程施工及運營過程中的各種因素考慮非常全面,并且對各種細部構(gòu)造均有詳細的規(guī)定。但是歐洲規(guī)范結(jié)構(gòu)體系龐大繁雜,實際運用中可操作性差,對工程技術人員專業(yè)素質(zhì)要求高。

相似處如下。

(1)中歐規(guī)范均采用極限狀態(tài)法作為設計基礎,設計方法和思想相似,但中國規(guī)范采用的是基于可靠度的設計方法,而歐洲規(guī)范的分項系數(shù)主要是根據(jù)經(jīng)驗系數(shù)確定。

(2)在抗力設計方面,中歐規(guī)范均采用材料強度設計值(標準值除以材料分項系數(shù))。

(3)對于預應力結(jié)構(gòu),2種規(guī)范均采用截面應力作為控制結(jié)構(gòu)狀態(tài)的主要標準。

不同處如下。

(1)歐洲規(guī)范充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)運營階段的維修養(yǎng)護問題,對橋面系荷載給予0.8～1.2的調(diào)整系數(shù),以便于考慮結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的安全性,而中國規(guī)范未考慮此情況。

(2)歐洲規(guī)范對有效預應力的計算考慮了最大最小2種不利情況,充分考慮了施工中的實際情況,而中國規(guī)范對此未有明確規(guī)定。

(3)在正常使用極限狀態(tài)下,歐洲規(guī)范對截面正應力控制分為保護截面(靠近預應力鋼束)和其他截面分別控制,保護截面控制嚴格,其他截面較寬松。中國規(guī)范則對截面統(tǒng)采用同一標準控制。

(4)在承載能力極限狀態(tài)下,中國規(guī)范主要采用截面抗力控制結(jié)構(gòu)尺寸,而歐洲規(guī)范主要采用正截面壓應力進行控制。

(5)在正常使用極限狀態(tài)下,中國規(guī)范主要采用主壓和主拉應力控制斜截面應力狀態(tài),歐洲規(guī)范則主要采用截面剪應力進行控制。

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