賈聰惠

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著我國提出的“一帶一路”倡議不斷深入，我國許多企業(yè)開始“走出去”，承接海外工程項(xiàng)目的建設(shè)。在國內(nèi)，工程行業(yè)規(guī)定是要求必須采用現(xiàn)行最新發(fā)布的規(guī)范版本進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，而國外工程項(xiàng)目則是以業(yè)主要求為準(zhǔn)則，在業(yè)主要求中通常會(huì)明確主要設(shè)計(jì)規(guī)范、允許參考引用的其他規(guī)范以及不同規(guī)范存在矛盾時(shí)的優(yōu)先級(jí)次序等。

英國曾經(jīng)在地球上有著廣闊的版圖，英國標(biāo)準(zhǔn)在全球也有著廣泛的認(rèn)可度和使用度，特別是在眾多英聯(lián)邦國家以及部分其前殖民地國家和地區(qū)。本文將結(jié)合坦桑尼亞烏本戈立交工程設(shè)計(jì)實(shí)例，從設(shè)計(jì)規(guī)范、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、材料、荷載、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算等方面系統(tǒng)介紹基于英標(biāo)規(guī)范體系的混凝土橋梁設(shè)計(jì)，同時(shí)為其他海外工程的設(shè)計(jì)與建設(shè)工作提供參考和借鑒，也有利于開拓海外市場(chǎng)，樹立我國的國際形象。

1 英標(biāo)規(guī)范體系與工程背景

1.1 英標(biāo)規(guī)范體系

2010年4 月開始，歐洲規(guī)范逐漸代替與之相抵觸的地區(qū)規(guī)范，但因?yàn)槭褂糜?biāo)的英聯(lián)邦國家以及前殖民地地區(qū)或國家數(shù)量眾多，且部分國家不受歐盟約束，依舊采用英標(biāo)，比如坦桑尼亞。BS 5400規(guī)范是英標(biāo)規(guī)范體系的重要組成部分，是適用于鋼橋、混凝土橋和組合橋設(shè)計(jì)、施工的一套國標(biāo)。其基于極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，共包含十大部分。

這里需強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，除BS5400規(guī)范外，英標(biāo)規(guī)范體系中還有其他一些相關(guān)規(guī)范，如路橋設(shè)計(jì)手冊(cè)（BD 37/01）和 BS8110-1～3等，作為對(duì) BS 5400規(guī)范的細(xì)化和補(bǔ)充，在具體設(shè)計(jì)過程中需配合使用。

1.2 工程背景

坦桑尼亞烏本戈立交（Ubungo Intersection）工程是Morogoro Road和Nelson Mandela Road-Sam Nujoma Road的交叉口工程，共設(shè)計(jì)為三層，包括配套分流道路。主線道路為雙向六車道，包括兩條BRT專用車道，設(shè)計(jì)車速50 km/h。效果圖如圖1所示。

該項(xiàng)目是中坦雙方推進(jìn)“一帶一路”框架下的合作成果，由坦桑尼亞公路局發(fā)包，中國鐵建中土東非有限公司承建，用于緩解該市交通壓力。作為英聯(lián)邦成員國之一，根據(jù)業(yè)主要求，該工程采用英國BS 5400規(guī)范體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 材料特性與設(shè)計(jì)方法

2.1 材料特性

2.1.1 混凝土

英標(biāo)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)劃分與國內(nèi)一致，也是采用立方體抗壓強(qiáng)度，同樣需要引用材料性能分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行折減；但與國內(nèi)規(guī)范不同的是，對(duì)于不同的構(gòu)件類型、受力狀態(tài)及極限狀態(tài)，BS 5400規(guī)定的材料分項(xiàng)系數(shù)是不同的，詳見表1[1-2]。

圖1 烏本戈立交效果圖

表1 50號(hào)混凝土的材料分項(xiàng)系數(shù)

BS 5400規(guī)定的混凝土設(shè)計(jì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。以50號(hào)混凝土為例，承載能力極限狀態(tài)（ULS）下的混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為

22.33 MPa，與國內(nèi)規(guī)范基本相同。

圖2 混凝土的設(shè)計(jì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.1.2 普通鋼筋

BS 5400只規(guī)定了三種鋼筋等級(jí)Grade485、Grade460和Grade250，確定材料強(qiáng)度時(shí)的材料性能分項(xiàng)系數(shù)為1.15，跟國內(nèi)材料性能分項(xiàng)系數(shù)1.2相比略小。

BS 5400規(guī)定的普通鋼筋的設(shè)計(jì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖可知，英標(biāo)中普通鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不相同，前者要比后者小，這一點(diǎn)跟國內(nèi)規(guī)范有較大差別。

圖3 普通鋼筋的設(shè)計(jì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.1.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋

預(yù)應(yīng)力鋼筋符合 AASHTO：M203M/M203標(biāo)準(zhǔn)，采用 ?s15.24低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpu=1 860 MPa，確定設(shè)計(jì)強(qiáng)度值時(shí)的材料性能分項(xiàng)系數(shù)為1.15，其設(shè)計(jì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力鋼筋的設(shè)計(jì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

BS 5400規(guī)范和國內(nèi)規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法一致，即基于極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，同樣分為承載能力極限狀態(tài)（ULS）和正常使用極限狀態(tài)（SLS）兩類，表達(dá)式與國內(nèi)規(guī)范也基本一致：R*≥S*。其中，S*=γf3（γfLQk的效應(yīng)），為設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)；R*= 函數(shù)為設(shè)計(jì)抗力。其中，γfL為荷載分項(xiàng)系數(shù)；γf3為荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)；γm為材料分項(xiàng)系數(shù)；fk為材料強(qiáng)度特征值。

需要說明的是，在BS 5400規(guī)范中，SLS下荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)為1.0，這與國內(nèi)規(guī)范一致；ULS下荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)根據(jù)分析方法取值，當(dāng)采用彈性分析法時(shí)為1.1，當(dāng)采用考慮彎矩重分配的塑性分析法時(shí)為1.15，與國內(nèi)規(guī)范相比較，取值略大，可靠度大于國內(nèi)規(guī)范。

3 荷載與荷載組合

3.1 荷載

BS 5400規(guī)范中定義的荷載分為永久荷載和可變荷載，其中對(duì)永久荷載的規(guī)定與國內(nèi)規(guī)范基本一致，都包含自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、土壓力、不均勻沉降等，但是對(duì)于可變荷載尤其是活載的規(guī)定有很大的區(qū)別。

BS 5400規(guī)定荷載特征值的重現(xiàn)期是120 a，公路橋梁的活載包括HA和HB荷載。其中，HA為正常交通車輛荷載代表值，由均布荷載UDL和集中荷載KEL組成，荷載模式與我國車道荷載類似；HB為特種車輛荷載，一個(gè)單位的HB荷載為40 kN，由4個(gè)軸（每軸4個(gè)車輪）組成，單軸重10 kN，第二軸和第三軸的間距根據(jù)影響線加載進(jìn)行調(diào)整，可以為 6 m、11 m、16 m、21 m 或 26 m[3]。

根據(jù)規(guī)范第6.4.2條規(guī)定，HA和HB荷載組合有三種加載方式，如圖5所示。

由上可見，英國BS 5400規(guī)范車輛活載的重載效應(yīng)要大于國內(nèi)規(guī)范，且HA和HB荷載組合方式較為復(fù)雜，特別是HA荷載，手算很難完成。對(duì)于超靜定體系的橋梁結(jié)構(gòu)分析，即使采用有限元分析軟件，也需借助專門的英國規(guī)范活載計(jì)算模塊，否則活載計(jì)算會(huì)相當(dāng)繁冗復(fù)雜。

3.2 荷載組合

BS 5400中不同的荷載分別進(jìn)行承載力極限狀態(tài)（ultimate limit state，ULS）和正常使用極限狀態(tài)（serviceability limit state，SLS）組合，共分為三種主要組合和兩種次要組合，每種荷載組合的每種荷載所用的分項(xiàng)荷載系數(shù)見BS 5400-2:2006表1。

與國內(nèi)規(guī)范不同，BS 5400規(guī)范中溫度荷載與活載制動(dòng)力分屬于不同的荷載組合，兩者不疊加考慮，且支座摩阻力僅與永久荷載進(jìn)行組合。另外需注意，ULS下混凝土收縮、徐變荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.2；預(yù)應(yīng)力荷載只考慮了超靜定結(jié)構(gòu)的二次力效應(yīng)，其荷載分項(xiàng)系數(shù)取為1.0，計(jì)算豎向剪力與扭轉(zhuǎn)時(shí)，預(yù)應(yīng)力引起不利效應(yīng)時(shí)，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.15，如果對(duì)抗剪與抗扭有利取0.87。SLS下混凝土收縮、徐變效應(yīng)以及預(yù)應(yīng)力（包括二次力），荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0。

圖5 HA和HB荷載組合加載（單位：m）

4 橋梁結(jié)構(gòu)分析

本文結(jié)合烏本戈立交工程，選取一聯(lián)3×30.1 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁為設(shè)計(jì)算例，橋?qū)?5.1 m，橫向共11片T梁，采用英國BS 5400規(guī)范體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。

4.1 結(jié)構(gòu)分析基本規(guī)定

承載能力極限狀態(tài)下需進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪、抗扭等承載力驗(yàn)算，采用ULS組合1～5。根據(jù)彎曲拉應(yīng)力的限值，BS 5400規(guī)范中預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件可分為三類：第一類構(gòu)件（Class 1）——不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力；第二類構(gòu)件（Class 2）——允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力限值先張法構(gòu)件為后張法構(gòu)件為但不能出現(xiàn)可視裂縫；第三類構(gòu)件（Class 3）——允許出現(xiàn)拉應(yīng)力和裂縫，拉應(yīng)力限值根據(jù)裂縫寬度限值確定[4]。

與國內(nèi)規(guī)范相比，第一類構(gòu)件等同于全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，第二類構(gòu)件等同于部分預(yù)應(yīng)力混凝土中的A類構(gòu)件，第三類構(gòu)件則等同于部分預(yù)應(yīng)力混凝土中的B類構(gòu)件。同時(shí)正常使用極限狀態(tài)下BS 5400規(guī)范的應(yīng)力控制要求沒有國內(nèi)規(guī)范嚴(yán)格[5-6]。

4.2 正常使用極限狀態(tài)下的裂縫控制

與國內(nèi)規(guī)范相同，BS 5400規(guī)范對(duì)裂縫的控制也跟環(huán)境條件相關(guān)，它將環(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)，容許裂縫寬度分別為0.1 mm、0.15 mm、0.25 mm 和 0.25 mm。從對(duì)裂縫的控制要求來看，國內(nèi)規(guī)范比BS 5400規(guī)范更嚴(yán)格。

4.3 變形要求

對(duì)于第一類和第二類構(gòu)件，設(shè)計(jì)荷載作用下的瞬時(shí)撓度采用彈性分析方法計(jì)算，對(duì)于第三類構(gòu)件，當(dāng)永久荷載小于或等于設(shè)計(jì)施加荷載的25%時(shí)，撓度計(jì)算方法同第一類和第二類構(gòu)件；當(dāng)永久荷載大于25%的設(shè)計(jì)荷載時(shí)，撓度根據(jù)彎矩-曲率關(guān)系計(jì)算。

4.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用空間有限元程序建立結(jié)構(gòu)分析模型，如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型

由分析計(jì)算結(jié)果可知（見圖7），成橋恒載下T梁跨中最大彎矩為4 947 kN·m，最大剪力為722 kN；HA和HB活載組合產(chǎn)生的跨中最大彎矩為4 126 kN·m，最大剪力為550 kN；ULS包絡(luò)組合下T梁跨中最大彎矩為12 057 kN·m（抗力為16 256 kN·m），最大剪力為 1 732 kN（抗力為2 098 kN）。T梁承載能力滿足規(guī)范要求。

由分析計(jì)算結(jié)果可知（見圖8），SLS包絡(luò)組合下T梁上緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為10.13 MPa；下緣最大拉應(yīng)力為1.21MPa，最大壓應(yīng)力為11.02 MPa。T梁按第二類構(gòu)件設(shè)計(jì)，采用50號(hào)混凝土，根據(jù)BS 5400規(guī)范要求，拉應(yīng)力限值為壓應(yīng)力限值為0.4fcu=20 MPa，T梁應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

圖7 ULS包絡(luò)組合下T梁內(nèi)力

圖8 SLS包絡(luò)組合下T梁應(yīng)力（單位：MPa）

由分析計(jì)算結(jié)果可知（見圖9），SLS下T梁跨中最大撓度為11.64 mm，對(duì)橋下凈空無影響，滿足規(guī)范要求。

圖9 T梁撓度（單位：mm）

5 結(jié)語

本文結(jié)合烏本戈立交工程設(shè)計(jì)實(shí)例，基于英標(biāo)規(guī)范體系分別從設(shè)計(jì)規(guī)范、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、材料、荷載、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算等方面系統(tǒng)介紹混凝土橋梁設(shè)計(jì)過程，并與我國現(xiàn)行規(guī)范對(duì)比，主要得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)于不同的構(gòu)件類型、受力狀態(tài)及極限狀態(tài)，BS 5400規(guī)定的混凝土材料性能分項(xiàng)系數(shù)是不同的。

（2）BS 5400采用的普通鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系與國內(nèi)規(guī)范差異較大，普通鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不相同，前者要比后者小。

（3）可變荷載的規(guī)定與國內(nèi)規(guī)范存在較大差異，荷載的組合方式也存在一定區(qū)別，且計(jì)算方法較為復(fù)雜。

（4）采用承載能力極限狀態(tài)法分析時(shí)，荷載分項(xiàng)系數(shù)略大于國內(nèi)規(guī)范，偏于安全，而正常使用極限狀態(tài)基本一致，在裂縫控制、應(yīng)力控制方面國內(nèi)規(guī)范較為嚴(yán)格。

（5）以烏本戈立交工程標(biāo)準(zhǔn)跨徑30.1 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁為設(shè)計(jì)算例，采用英標(biāo)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及驗(yàn)算，其承載力、應(yīng)力、變形均滿足要求。