於方瑩 朱明娜

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006)

中英橋規(guī)簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力梁橋驗(yàn)算對(duì)比與分析

於方瑩 朱明娜

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006)

對(duì)中國(guó)橋梁規(guī)范JTG和英國(guó)橋梁規(guī)范BS5400中結(jié)構(gòu)驗(yàn)算部分進(jìn)行了比對(duì)和分析，并選取在建海外橋梁工程，采用中英兩國(guó)規(guī)范分別對(duì)30 m跨徑簡(jiǎn)支工字梁進(jìn)行驗(yàn)算比較，比較結(jié)果顯示，中國(guó)規(guī)范的公式和方法更為簡(jiǎn)潔，便于工程設(shè)計(jì)，控制要求比英國(guó)規(guī)范嚴(yán)格。

中英規(guī)范，驗(yàn)算，對(duì)比，冗余度

1 概述

我國(guó)高等級(jí)公路設(shè)計(jì)與施工能力不斷增強(qiáng)，涉外項(xiàng)目也逐漸增多，很多項(xiàng)目均執(zhí)行國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，其中英國(guó)規(guī)范BS5400是英聯(lián)邦及其前殖民地國(guó)家和地區(qū)仍在主要使用的規(guī)范之一。英國(guó)高速公路建設(shè)和管理發(fā)達(dá)，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系也較為完備。英國(guó)公路管理局(Highway Agency)發(fā)布了公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范涵蓋了英國(guó)高速公路和干線道路的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)等方面，其中BS5400的第四部分是混凝土橋設(shè)計(jì)操作規(guī)范。主要包括鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土以及預(yù)制、組合混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。相對(duì)應(yīng)的中國(guó)規(guī)范為JTG—D62公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范。本文比較中英兩國(guó)規(guī)范中混凝土結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的差異，并通過(guò)比較算例計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2 正常使用極限狀態(tài)下驗(yàn)算對(duì)比

2.1 混凝土應(yīng)力控制要求

表1列出了中英兩國(guó)規(guī)范對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力要求。中國(guó)規(guī)范在給出混凝土的設(shè)計(jì)壓力控制值時(shí)，以強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck(ftk)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的形式給出，而英國(guó)規(guī)范均以立方體抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)cu的形式給出，為保證兩國(guó)規(guī)范的可比性，將中國(guó)規(guī)范規(guī)定的限值轉(zhuǎn)換成以立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu表示。

從表1中可以看出兩國(guó)規(guī)范均將混凝土構(gòu)件分成普通鋼筋混凝土構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力混凝土A，B類以及全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件三種情況。在正常使用極限狀態(tài)，中國(guó)規(guī)范應(yīng)力控制要求比英國(guó)規(guī)范嚴(yán)格；而在施工階段，英國(guó)規(guī)范比中國(guó)規(guī)范嚴(yán)格。

2.2 鋼筋應(yīng)力控制要求

英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS5400用屈服強(qiáng)度規(guī)定了鋼筋等級(jí)為G460和G250兩種，材料性能分項(xiàng)系數(shù)γm=1.15，中國(guó)規(guī)范也根據(jù)屈服強(qiáng)度將鋼筋劃分了4個(gè)等級(jí)：HPB300，HRB335，HRB400，HRB500。中國(guó)規(guī)范規(guī)定鋼筋的材料性能分項(xiàng)系數(shù)γm=1.2。實(shí)際設(shè)計(jì)值控制要求對(duì)比如表2所示。國(guó)內(nèi)工程主要采用HRB400鋼筋，與英國(guó)BS5400規(guī)范中規(guī)定的G460鋼筋抗拉和抗壓設(shè)計(jì)值基本相同，但中國(guó)規(guī)范鋼筋留有更大的安全余量。

表1 中英規(guī)范混凝土應(yīng)力控制要求

表2 中英規(guī)范鋼筋應(yīng)力控制要求 MPa

2.3 鋼束應(yīng)力控制要求

英國(guó)規(guī)范所規(guī)定的鋼束材料性能分項(xiàng)系數(shù)γm=1.15，在使用階段，若鋼束的張拉控制應(yīng)力滿足要求，且混凝土虛擬應(yīng)力沒(méi)有超限，則鋼束應(yīng)力無(wú)需驗(yàn)算。中國(guó)規(guī)范規(guī)定使用階段的鋼束應(yīng)力限值為0.65fpk(0.65fpu)。

2.4 裂縫控制要求

英國(guó)規(guī)范和中國(guó)規(guī)范對(duì)裂縫的控制也跟環(huán)境條件相關(guān)。其中英國(guó)規(guī)范將環(huán)境條件分成惡劣(extreme)，非常嚴(yán)重(very severe)，嚴(yán)重(severe)和適中(moderate)四個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)中國(guó)規(guī)范的Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ類環(huán)境。英國(guó)規(guī)范規(guī)定的容許裂縫寬度分別為0.1 mm，0.15 mm，0.25 mm和0.25 mm。而中國(guó)規(guī)范規(guī)定鋼筋混凝土構(gòu)件容許裂縫寬度為0.15 mm，0.20 mm；采用精軋螺紋鋼筋的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件為0.15 mm，0.20 mm；采用鋼絲或鋼絞線的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件為不允許裂縫和0.1 mm。從對(duì)裂縫的控制要求來(lái)看，中國(guó)規(guī)范對(duì)裂縫的控制要求比英國(guó)規(guī)范嚴(yán)格，且中國(guó)規(guī)范應(yīng)盡可能避免設(shè)計(jì)成預(yù)應(yīng)力混凝土B類構(gòu)件。

3 承載能力極限狀態(tài)下規(guī)范要求對(duì)比

3.1 抗彎能力

對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，中國(guó)規(guī)范和英國(guó)規(guī)范承載能力極限狀態(tài)下的計(jì)算式根據(jù)不同的假定進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算圖式差異如圖1所示。中國(guó)規(guī)范假定混凝土在一定范圍的受壓區(qū)內(nèi)應(yīng)力均達(dá)到極限，計(jì)算公式采用對(duì)預(yù)應(yīng)力筋形心取矩的形式Mu=fcdbx(h0-x/2)；英國(guó)規(guī)范假定混凝土受壓區(qū)應(yīng)力為近似實(shí)際分布狀態(tài)。計(jì)算公式采用對(duì)混凝土受壓區(qū)形心取矩的形式，Mu=Tp(dp-yc)，僅當(dāng)受壓區(qū)混凝土等寬時(shí)，可采用簡(jiǎn)便計(jì)算式為：Mu=Tp(dp-0.5hy)。

3.2 抗剪能力

中英兩國(guó)規(guī)范對(duì)抗剪能力的規(guī)定均包含抗剪截面驗(yàn)算和抗剪承載能力兩個(gè)部分。

中國(guó)規(guī)范規(guī)定的抗剪承載能力計(jì)算式為γ0Vd≤Vcs+Vsb+Vpb；其中，Vcs為混凝土和箍筋共同承擔(dān)項(xiàng)；Vsb為普通彎起鋼筋承擔(dān)項(xiàng)；Vpb為預(yù)應(yīng)力鋼筋承擔(dān)項(xiàng)。英國(guó)規(guī)范將預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋分開進(jìn)行驗(yàn)算。其中，預(yù)應(yīng)力筋和混凝土的作用，在考慮未開裂截面計(jì)算時(shí)為Vco=0.67bh(f2t+fcpft)0.5，在考慮開裂截面時(shí)為Vcr=0.037bdf0.5cu+McrV/M，若抗剪能力不夠，再增加抗剪鋼筋項(xiàng)，抗剪承載能力為V=Vc+0.87fyvdtAsv/sv。

3.3 抗扭能力

中英兩國(guó)規(guī)范對(duì)混凝土截面的要求做出的規(guī)定，與抗剪能力對(duì)混凝土截面要求相同。

在滿足截面要求的情況下，中國(guó)規(guī)范對(duì)矩形截面的抗扭計(jì)算式為：

英國(guó)規(guī)范對(duì)矩形截面的抗扭計(jì)算式為：

T=Ast/Sv×1.6x1y1(0.87fyv)。

中英兩國(guó)規(guī)范中關(guān)于鋼筋混凝土純扭構(gòu)件的承載力計(jì)算模型都采用了變角度空間模型。按此理論，抗扭鋼筋有縱筋和箍筋兩部分，中國(guó)規(guī)范用配筋強(qiáng)度比ξ來(lái)控制箍筋與縱筋之間的數(shù)量以及強(qiáng)度，英國(guó)規(guī)范也用As1/S1來(lái)表達(dá)箍筋和縱筋之間的強(qiáng)度要求。

4 驗(yàn)算對(duì)比

4.1 工程案例

某在海外實(shí)施的項(xiàng)目主線橋采用30m跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支工字梁結(jié)構(gòu)，斷面布置如圖2所示。上部結(jié)構(gòu)采用4車道，單幅橋?qū)?1.65m，設(shè)置7片工字梁，板梁間距1.7m。單片工字梁構(gòu)造及尺寸如圖3所示，每片梁上翼緣兩側(cè)各設(shè)置有牛腿，其上擱置預(yù)制板，用作進(jìn)行混凝土橋面板澆筑的模板。單片梁設(shè)置4束15-12高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線?；炷翉?qiáng)度達(dá)到85%開始張拉。

30m跨徑標(biāo)準(zhǔn)梁跨內(nèi)設(shè)有2道端橫梁和2道中橫梁。預(yù)制各片工字梁架設(shè)完成后，在工字梁間完成橫梁鋼筋連接及混凝土澆筑，板梁間鋪設(shè)預(yù)制隔板，然后現(xiàn)澆橋面板，最后完成橋面鋪裝施工。

本文采用SAPCSiBridge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，分別施加中英兩國(guó)規(guī)范的荷載參數(shù)，各自得出橋梁內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算比較。建立的空間梁格模型如圖4所示。

4.2 抗彎承載能力對(duì)比計(jì)算

圖5示出了采用中英兩國(guó)規(guī)范對(duì)模型的計(jì)算，兩國(guó)規(guī)范的彎矩包絡(luò)計(jì)算值英國(guó)規(guī)范比中國(guó)規(guī)范大10%以內(nèi)。英國(guó)規(guī)范采用的按實(shí)際混凝土應(yīng)力分布的方法計(jì)算所得的混凝土抗彎能力要比中國(guó)規(guī)范采用簡(jiǎn)化矩形分布大20%。

4.3 抗剪能力對(duì)比計(jì)算

圖6示出了兩國(guó)規(guī)范計(jì)算所得的剪力包絡(luò)和抗剪能力包絡(luò)。兩國(guó)規(guī)范所計(jì)算的剪力值中國(guó)規(guī)范稍大，抗剪承載能力包絡(luò)中國(guó)規(guī)范亦稍大，其值差距均小于10%。

4.4 抗扭能力對(duì)比計(jì)算

對(duì)于工字梁結(jié)構(gòu)，腹板承擔(dān)主要的抗扭作用，圖7示出了中英兩國(guó)規(guī)范對(duì)工字梁腹板的抗扭驗(yàn)算結(jié)果，計(jì)算所得的扭矩值差異在20%以內(nèi)?？古こ休d力的計(jì)算公式中英兩國(guó)規(guī)范差距較大，中國(guó)規(guī)范考慮剪扭耦合效應(yīng)比英國(guó)規(guī)范強(qiáng)，比英國(guó)規(guī)范計(jì)算值更保守。

4.5 應(yīng)力對(duì)比計(jì)算

圖8示出了中英兩國(guó)規(guī)范施工階段張拉完畢最不利工況(短期效應(yīng)組合)及使用工況下工字梁主梁上下翼緣的應(yīng)力水平。在施工階段，因預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算差異，英國(guó)規(guī)范求得的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均比中國(guó)規(guī)范大。使用階段兩國(guó)規(guī)范計(jì)算值差異在15%以內(nèi)。

除對(duì)應(yīng)力比較外，還考慮到兩國(guó)規(guī)范預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件對(duì)應(yīng)力的控制要求的差異，表3給出了按照兩國(guó)規(guī)范給出的控制應(yīng)力的應(yīng)力冗余度對(duì)比，可知兩國(guó)規(guī)范對(duì)應(yīng)力的儲(chǔ)備差別較小。

表3 應(yīng)力冗余對(duì)比 MPa

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上的規(guī)范條文對(duì)比和實(shí)例橋梁的計(jì)算對(duì)比分析，用中英規(guī)范對(duì)橋梁進(jìn)行驗(yàn)算可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)正常使用極限狀態(tài)下對(duì)混凝土應(yīng)力，鋼筋應(yīng)力，鋼束應(yīng)力和裂縫寬度的規(guī)定，中國(guó)規(guī)范更為嚴(yán)格。

2)中英兩國(guó)規(guī)范對(duì)承載能力極限狀態(tài)下的計(jì)算原理相同，但對(duì)細(xì)節(jié)的規(guī)定上有一定差距，中國(guó)規(guī)范的計(jì)算假定，步驟及其參數(shù)的意義更貼近工程實(shí)際，更方便于設(shè)計(jì)。

3)中英兩國(guó)規(guī)范，承載能力極限狀態(tài)下的內(nèi)力計(jì)算值差距在20%以內(nèi)，但兩國(guó)規(guī)范對(duì)抗力的驗(yàn)算有差別，故在抗彎驗(yàn)算和抗扭驗(yàn)算時(shí)中國(guó)規(guī)范偏安全，在抗剪驗(yàn)算上英國(guó)規(guī)范偏安全。

4)施工狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下，中英兩國(guó)規(guī)范的計(jì)算應(yīng)力不同，但應(yīng)力儲(chǔ)備量差別較小。

[1]JTGD60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTGD62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]JTGB01—2014，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]BS5400，Steel，ConcreteandCompositeBridgesPart2：Specificationforloads[S].

[5]BS4449,specificationforcarbonsteelbarsforthereinforcementofconcrete[S].

[6] 李文生，郝俊峰.中外橋梁設(shè)計(jì)荷載規(guī)范汽車荷載比較[J].上海公路，2010(2)：24-27.

[7] 胡建良，龔尚龍.中英橋梁規(guī)范關(guān)于梁強(qiáng)度計(jì)算的比較研究[J].工程科技，2012(2):26.

[8] 葉知義.中英橋規(guī)關(guān)于鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T形梁的設(shè)計(jì)比較[J].福建建筑,2010(7):45.

[9] 郭豐哲，蘇國(guó)明.基于英國(guó)BS5400的預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁結(jié)構(gòu)性能研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(10):62.

Calculation & analysis comparison on simply supported PSC bridge under Chinese & British code

Yu Fangying Zhu Mingna

(ZhejiangProvincialInstituteofCommunicationsPlanning,Design&Research,Hangzhou310006,China)

In this article, by comparing the checking part of the Chinese code JTG and British code BS5400, a specific project undergoing overseas is selected as a calculation model. In this project, the 30 m span simply supported PSC I girder is adopted as the mainline structure. The results show that the checking methods and equations from JTG are more concise than those from BS, thus the JTG code is relatively more directly for designing, also, the checking criterion of JTG is more severe.

Chinese & British code, checking, comparison, redundancy

2015-02-28

於方瑩(1982- )，女，工程師； 朱明娜(1963- )，女，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)13-0177-03

U441.7

A