林康

(大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 116000)

引言

在日本由于人口和社會(huì)機(jī)能高度集中的大中城市中的橋梁工程成為交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)重點(diǎn),建設(shè)環(huán)境有諸多的限制條件,鋼橋由于形式靈活,工廠預(yù)制化程度高,施工過程中對(duì)周邊環(huán)境影響小,自重輕抗震性能好,材料可循環(huán)利用,日益成為一種優(yōu)先選用的橋型。日本的城市高速道路(類似于我國的快速路,但是為收費(fèi)道路)的橋梁跨度通常在100m 之內(nèi),但是建設(shè)難度很大。首先受到建設(shè)用地條件的限制,不具備苜蓿葉形、環(huán)形等立交形式的用地條件。其次建設(shè)過程中難于長時(shí)間占用市政道路,所有的施工機(jī)械和橋梁構(gòu)件均需滿足公路運(yùn)輸要求。高架橋或立交橋之下為原有市政道路,新建橋梁不能對(duì)原有道路的通行能力造成大的影響,不可能采用立交橋下柱子林立的方案,上部結(jié)構(gòu)跨度常達(dá)數(shù)十米,下部結(jié)構(gòu)中異形鋼制橋墩有較多應(yīng)用,一些框架式橋墩兩個(gè)立柱之間的距離達(dá)30m 以上,甚至還有60m 以上的個(gè)例。兩條全互通高架道路相交,無法保證用地條件下,只能將1,3 象限的左轉(zhuǎn)匝道(日本為右轉(zhuǎn))在交叉點(diǎn)從一條主路上空跨越,2,4 象限的左轉(zhuǎn)匝道再從1,3 象限左轉(zhuǎn)匝道上空跨越,另外1 個(gè)方向的主路再從所有左轉(zhuǎn)方向匝道上空跨越,這樣再加上原有地面道路,就需要有5 層交通體系,頂層橋梁的高度達(dá)到30m 以上。日本從20 世紀(jì)60 年代起開始建設(shè)城市高速道路,日本東京的高速道路有30m 高空漫步一說。我國的市政橋梁建設(shè)正進(jìn)入方興未艾的時(shí)期,為了能參考日本的工程實(shí)例,有必要對(duì)日本公路橋梁的設(shè)計(jì)規(guī)范做一了解。規(guī)范雖然名為道路橋示方書,即公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范,但這是一個(gè)基礎(chǔ)性的規(guī)范,日本的城市橋梁等規(guī)范都是在此基礎(chǔ)之上制定的。

2017 年11 月版日本公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范共分5 冊(cè),分別是道路橋示方書·同解說Ⅰ共通篇[1](196 頁)、Ⅱ鋼橋·鋼部材篇[2](700 頁)、Ⅲ混凝土橋·混凝土部材篇(404 頁)、Ⅳ下部構(gòu)造篇(571 頁)、Ⅴ耐震設(shè)計(jì)篇(302 頁),以下簡稱日本規(guī)范。與國內(nèi)規(guī)范的比較主要涉及到通用篇及鋼橋篇,分別相當(dāng)于我國《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60 -2015)[3],《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64 -2015)[4]。

1 鋼橋要求的性能

新版日本橋梁規(guī)范在三個(gè)方面對(duì)橋梁的性能提出要求: 耐荷性、耐久性和其他性能。耐荷性即承載能力極限狀態(tài)的計(jì)算,日本規(guī)范所采用的設(shè)計(jì)方法從2012 版規(guī)范的容許應(yīng)力度法轉(zhuǎn)換成為2017 版的極限狀態(tài)法。日本規(guī)范沒有正常使用極限狀態(tài),疲勞設(shè)計(jì)等被歸入到耐久性設(shè)計(jì)?？勺兒奢d引起的撓度等歸入到其他性能的設(shè)計(jì)。

2 耐荷性的設(shè)計(jì)

日本規(guī)范與我國規(guī)范相比,承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的基本思路都是作用效應(yīng)小于結(jié)構(gòu)抗力,但在具體環(huán)節(jié)上與我國采用的極限狀態(tài)法有所區(qū)別。日本規(guī)范中沒有結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的一項(xiàng),作用組合的效應(yīng)直接與結(jié)構(gòu)抗力相比較。作用組合的效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)在數(shù)值選取方面兩國規(guī)范之間也有一定的差別。

2.1 日本規(guī)范對(duì)機(jī)能性和安全性的區(qū)分

日本規(guī)范從機(jī)能性和安全性兩個(gè)方面確定承載能力,針對(duì)3 種極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)(表1)。其中限界狀態(tài)2 僅限于罕遇地震或受到撞擊等偶然作用控制的狀態(tài); 在預(yù)先限定的構(gòu)件上發(fā)生有限的損傷,在整體結(jié)構(gòu)上不產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。而對(duì)于一般的上部結(jié)構(gòu),永久作用及可變作用的作用組合處于支配性地位,此時(shí)必須確保機(jī)能性對(duì)限界狀態(tài)1 和確保安全性對(duì)限界狀態(tài)3分別進(jìn)行驗(yàn)算。限界狀態(tài)1 并不等同于我國規(guī)范中的正常使用極限狀態(tài),而且我國在純鋼橋設(shè)計(jì)中也沒有正常使用極限狀態(tài)方面的計(jì)算。限界狀態(tài)1 的計(jì)算是承載能力極限狀態(tài)計(jì)算的一個(gè)方面,指在確保橋梁機(jī)能的條件下的一種承載能力極限狀態(tài),可變作用去除后具有可逆性不需檢修,也不需要特別注意能夠完全恢復(fù)之前的狀態(tài)。但日本作為一個(gè)多震國家,在日本規(guī)范中把多遇地震也作為一種可變作用; 某些情況下多遇地震的強(qiáng)度比我國8 度區(qū)高速公路上重要的大橋所受到的罕遇地震強(qiáng)度還要大[5],依然要求確保橋梁結(jié)構(gòu)完全無損的正常使用性能。限界狀態(tài)3 是指結(jié)構(gòu)在保證安全的情況下承載能力的極限狀態(tài)。

表1 日本規(guī)范三種限界狀態(tài)Tab.1 Threelimit states in the Japanese code

2.2 作用組合的效應(yīng)的比較

日本規(guī)范中作用效應(yīng)組合時(shí)(表2),結(jié)構(gòu)重力等作用的分項(xiàng)系數(shù)為1.05。日本的汽車荷載采用L荷載和T荷載,與我國的車道荷載和車輛荷載相近[6]。汽車荷載、風(fēng)荷載等可變作用的分項(xiàng)系數(shù)為1.25。對(duì)于安全等級(jí)為一級(jí)的結(jié)構(gòu),按照我國規(guī)范計(jì)算出的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與效應(yīng)設(shè)計(jì)值的乘積比日本規(guī)范大20%左右。

表2 規(guī)范中作用組合的效應(yīng)的比較Tab.2 A comparison of the actions combination

2.3 鋼材強(qiáng)度的比較

日本雖然早在1974 年竣工通車的主跨510m的桁架橋大阪港大橋中就已大量使用700MPa、800MPa 高強(qiáng)度鋼材,但日本公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范適用于跨徑200m 及以下的橋梁,超過200m 的橋梁根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行必要的調(diào)整后參考使用,直至2012 年的鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范鋼材抗拉強(qiáng)度依然為570MPa。在2017 版中新增的SBHS400/500 級(jí)高屈強(qiáng)比鋼材的規(guī)定,抗拉強(qiáng)度并沒有提高,但屈服強(qiáng)度分別提高至400MPa 和500MPa。

日本規(guī)范的鋼板板厚在40mm 以下時(shí)強(qiáng)度為固定值,40mm 以上至100mm 厚時(shí)有所降低。表3 中所列屈服強(qiáng)度值為板厚40mm 及以下材料的強(qiáng)度。帶?材料為沿襲了2012 版規(guī)范的普通屈強(qiáng)比鋼材。但規(guī)范規(guī)定若采用屈服點(diǎn)不隨板厚變化的鋼材,則100mm 以內(nèi)時(shí)屈服強(qiáng)度均為表中數(shù)值。

我國鋼橋規(guī)范中鋼材牌號(hào)為Q235、Q345、Q390、Q420,牌號(hào)中的數(shù)值即為屈服點(diǎn),設(shè)計(jì)強(qiáng)度為相對(duì)于屈服點(diǎn)考慮一定安全率之后的數(shù)值。板厚大于16mm 后設(shè)計(jì)強(qiáng)度有所降低,但實(shí)際工程中主要截面的厚板通常大于16mm,較薄的鋼板很多情況下并不是由強(qiáng)度控制。我國公路規(guī)范中的鋼材強(qiáng)度等級(jí)比日本規(guī)范略低,而在我國2017 最新版鐵路鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范[7]中在以前規(guī)范規(guī)定的鋼材牌號(hào)為Q235q、Q345q、Q370q、Q420q 之上,新增了Q500q 鋼種。

表3 日本規(guī)范中鋼材的強(qiáng)度特征值(單位： MPa)Tab.3 Strength characteristic values of steels in Japanese codes(unit: MPa)

2.4 鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比較

對(duì)于同等材質(zhì)的中等板厚(16mm ～40mm)材料,在限界狀態(tài)1 時(shí),按照我國規(guī)范規(guī)定的材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度值與日本規(guī)范在數(shù)值上相仿。但在日本規(guī)范中,針對(duì)機(jī)能性和安全性兩個(gè)方面確定承載能力。限界狀態(tài)3 雖然在概念上來自極限強(qiáng)度,但設(shè)計(jì)值同樣根據(jù)強(qiáng)度特征值即屈服強(qiáng)度乘以修正系數(shù)而來。見表4。

對(duì)于屈強(qiáng)比不同的鋼材,同樣的機(jī)能性并不代表同樣的安全性。新增的SBHS400 級(jí)和SBHS500 級(jí)鋼材的抗拉強(qiáng)度并不比目前廣為采用的490 級(jí)和570 級(jí)材料更高。相對(duì)于抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)而言,新材料可以說并沒有優(yōu)勢(shì)。但相對(duì)于屈服強(qiáng)度的機(jī)能性而言,又獲得了明顯的改善,所以針對(duì)機(jī)能性和安全性分別進(jìn)行驗(yàn)算。針對(duì)機(jī)能性的限界狀態(tài)1 要求可變作用去除后結(jié)構(gòu)完全可逆,限界狀態(tài)3 要求結(jié)構(gòu)保證安全。不僅對(duì)于構(gòu)件需要區(qū)分機(jī)能性和安全性,對(duì)于連接構(gòu)造,機(jī)能性和安全性也是兩個(gè)不同的方面。比如對(duì)于摩擦型高強(qiáng)螺栓連接,摩擦面不發(fā)生滑動(dòng)是對(duì)機(jī)能性的要求,螺栓自身不斷裂是對(duì)安全性的要求,所以需要從兩個(gè)不同的方面分別進(jìn)行驗(yàn)算。但是有些情況下并不能明確區(qū)分限界狀態(tài)1和限界狀態(tài)3。受壓構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的基本值與受拉構(gòu)件相同,但整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性及邊界支持條件偏心的影響均對(duì)抗壓設(shè)計(jì)值有可能有所降低。此時(shí)機(jī)能性和安全性難于區(qū)分,通過驗(yàn)算安全性(限界狀態(tài)3)就可以同時(shí)考察對(duì)機(jī)能性(限界狀態(tài)1)的要求。對(duì)于常規(guī)材料,按照兩國規(guī)范計(jì)算得出的抗力基本相仿,日本規(guī)范對(duì)于新材料的采用提供便利條件。

表4 規(guī)范中鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比較(單位： MPa)Tab.4 Comparison of steel tensile strength design values(unit: MPa)

2.5 耐荷性評(píng)價(jià)結(jié)果的比較

由于日本的設(shè)計(jì)比較細(xì)致,在設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)工程量計(jì)算得到的實(shí)際鋼重對(duì)結(jié)構(gòu)分析中的鋼重進(jìn)行收斂計(jì)算以使鋼重的誤差在0 ～+5%之間,后期的燈柱、聲屏障、交通標(biāo)志、檢修設(shè)施的荷載均予以考慮,所以恒載作用的分項(xiàng)系數(shù)雖然表面上比我國小,實(shí)際上的差別并不大。汽車荷載作為可變荷載最主要的方面,由于日本的超載情況不像我國普遍,采用較小的分項(xiàng)系數(shù)也是合理的。耐荷性的設(shè)計(jì)雖然我國比日本的作用效應(yīng)乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)大20%,結(jié)構(gòu)抗力接近,但從概率統(tǒng)計(jì)的角度上看兩者的安全性和機(jī)能性還是相仿的。若將日本的橋梁結(jié)構(gòu)適用于我國,需做適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。

2.6 局部穩(wěn)定性計(jì)算的比較

兩國規(guī)范整體上相仿,日本規(guī)范較為詳盡,在一些細(xì)節(jié)上規(guī)定有所不同。例如在受壓及受彎加勁板局部穩(wěn)定性計(jì)算方面的規(guī)定有所不同。

表5 受壓加勁板的局部穩(wěn)定性計(jì)算的比較Tab.5 Comparison of local stability of pressurized stiffened plates

日本規(guī)范的鋼橋篇和抗震篇對(duì)加勁板局部局部穩(wěn)定性要求不同的原因是兩者的性能目標(biāo)不同。對(duì)于一般的上部結(jié)構(gòu),構(gòu)件僅工作在彈性階段,穩(wěn)定性要求相對(duì)較低; 而對(duì)于鋼制橋墩等結(jié)構(gòu)在E2 地震時(shí)構(gòu)件已超出彈性變形限界,進(jìn)入到塑形變形階段,穩(wěn)定性要求相對(duì)較高。

與混凝土結(jié)構(gòu)相比,鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,板厚小,通過加勁肋來保證局部構(gòu)件的局部穩(wěn)定性,局部穩(wěn)定性非常關(guān)鍵,宜根據(jù)結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)對(duì)穩(wěn)定性提出要求。

梁式橋的鋼梁腹板只承擔(dān)彎矩,不承擔(dān)軸力,局部穩(wěn)定性較易保證?？v向加勁肋僅在受壓方向設(shè)置即可,當(dāng)設(shè)置1 道縱向加勁肋時(shí)橫向加勁肋間距的要求如表6 所示。

表6 對(duì)鋼梁腹板橫向加勁肋間距的要求的比較Tab.6 Comparison of requirements for spacing between transverse stiffeners of steel girders

當(dāng)主梁結(jié)構(gòu)不存在較大軸力時(shí),日本的鋼板梁,鋼箱梁的腹板的板厚顯著低于翼緣。我國規(guī)范對(duì)腹板穩(wěn)定性的要求明顯高于日本。值得注意的是中國規(guī)范中的各項(xiàng)系數(shù)與日本2012 年及之前多版規(guī)范采用容許應(yīng)力度法設(shè)計(jì)時(shí)的系數(shù)完全相同。不設(shè)縱向加勁肋及設(shè)置兩道加勁肋時(shí)與此類同。

3 耐久性的設(shè)計(jì)

日本規(guī)范在100 年的設(shè)計(jì)使用期限內(nèi),對(duì)耐久性能提出了更明確具體的要求。對(duì)維護(hù)管理方面的要求進(jìn)一步細(xì)化。

3.1 疲勞設(shè)計(jì)對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)的要求

由于日本在疲勞設(shè)計(jì)時(shí)采用的荷載計(jì)算模型為單軸重200kN 的F荷重,與我國規(guī)定的疲勞荷載的三個(gè)計(jì)算模型均不相同,驗(yàn)算結(jié)果難于在數(shù)值上直接進(jìn)行比較。日本規(guī)范在細(xì)部結(jié)構(gòu)上有較多的具體規(guī)定可以參考。

1.在正交異性鋼橋面板中,有些橋梁曲率半徑小無法使用U 肋; 還有些橋梁的寬度變化較大,主體部分使用U 肋,變寬局部用板肋做個(gè)別調(diào)整?？v肋與橫肋相交時(shí)的過焊孔,不僅橫肋與U 肋相交時(shí)與橋面板之間不設(shè)過焊孔,板肋或球扁鋼加勁肋時(shí)也不設(shè)過焊孔,見圖1。

2.日本橋規(guī)中為了提高疲勞強(qiáng)度,縱肋(U肋等)原則上采用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接。

圖1 橫肋在板肋及球扁鋼肋處的過焊孔(單位： mm)Fig.1 Scallop cut of transverse rib on plate rib and spherical flat steel rib(unit: mm)

3.中國橋鋼規(guī)[4]的附錄C 疲勞細(xì)節(jié)表C.0.8正交異性橋面板——閉口加勁肋的⑤縱肋全熔透對(duì)接焊縫,雙面焊縫,無墊板的一項(xiàng),實(shí)際結(jié)構(gòu)中難于碰到。出于對(duì)疲勞方面的考慮,不希望U肋在工廠進(jìn)行縱向連接; 而U 肋焊到橋面板上后,現(xiàn)場連接時(shí)無法進(jìn)行雙面焊接。日本橋規(guī)中規(guī)定,在不得以的情況下U 肋采用焊接連接時(shí),采用帶有墊板的全熔透對(duì)接焊縫。

3.2 對(duì)維護(hù)管理方面的要求

兩國橋規(guī)中都規(guī)定設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮支座的可更換性,日本規(guī)范規(guī)定的較為具體。日本橋規(guī)要求應(yīng)該容易到達(dá)支座位置,以方便維護(hù)管理。應(yīng)預(yù)留支座更換時(shí)的施工空間。在支座更換時(shí)的上下部結(jié)構(gòu)千斤頂支點(diǎn)位置預(yù)先設(shè)置支承加勁肋等必要的結(jié)構(gòu)措施。如果建設(shè)時(shí)在上部結(jié)構(gòu)的千斤頂支點(diǎn)位置未作補(bǔ)強(qiáng),在需要更換支座的時(shí)候才設(shè)置,必然涉及到高空作業(yè)、現(xiàn)場焊接甚至是箱梁內(nèi)部焊接、施工后涂裝等諸多工程。下部結(jié)構(gòu)缺乏設(shè)置臨時(shí)支點(diǎn)的必要空間,如果設(shè)置臨時(shí)墩,臨時(shí)墩高度較大,而地基承載力往往也不足。將來更換支座的工程規(guī)模必然較大,也需要較長的工期,對(duì)日后正常使用造成諸多不便。在建設(shè)之初考慮可修復(fù)性,需要更換支座時(shí)可以簡單迅速地進(jìn)行,可以減少全生命周期的總費(fèi)用。

4 其他性能

1.其他性能指不屬于耐荷性與耐久性方面的性能,但關(guān)系到橋梁的可用性和舒適性的性能,或極端情況下的可靠性。

2.汽車荷載下計(jì)算豎向撓度的限值兩國規(guī)定有一定的差別,見表7。日本規(guī)范規(guī)定的限值比我國略嚴(yán)。撓度值關(guān)系到行車舒適性、振動(dòng)、噪音及對(duì)周圍環(huán)境的影響。

表7 計(jì)算豎向撓度限值的比較Tab.7 Comparison of calculating vertical deflection limits

3.日本規(guī)范[8]規(guī)定在滿足耐荷性的基礎(chǔ)上,對(duì)超設(shè)計(jì)作用的防范性能的要求。例如要求在發(fā)生超過E2 地震的超設(shè)計(jì)地震時(shí),支座即使破壞,在落梁防止系統(tǒng)的保護(hù)下,也不易發(fā)生落梁等極端事態(tài)。對(duì)于主要橋梁,能夠快速進(jìn)行支座更換作業(yè)。這種支座與出于耐久考慮的支座更換還有一定的區(qū)別,是在發(fā)生極端事件下的快速反應(yīng)能力的要求。

5 結(jié)論

1.2017 版日本橋規(guī)采用的極限狀態(tài)法,結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)值與按我國規(guī)范計(jì)算出的結(jié)果在數(shù)值上相近,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值的乘積日本比我國小20%左右。在一定程度反映出日本橋梁在設(shè)計(jì)工作中對(duì)荷載考慮的較為細(xì)致,并且道路超載水平較低的特點(diǎn)?？蓪⑷毡緲蛄航Y(jié)構(gòu)做適當(dāng)加強(qiáng)后適用于我國。

2.在確定結(jié)構(gòu)承載能力時(shí),日本針對(duì)橋梁的機(jī)能性和安全性分別進(jìn)行驗(yàn)算,根據(jù)所要求的性能進(jìn)行設(shè)計(jì),為新材料新結(jié)構(gòu)的采用提供了便利條件。

3.帶肋受壓板應(yīng)采用剛性加勁肋,否則局部穩(wěn)定折減對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響過大。我國規(guī)范中對(duì)剛性加勁肋的剛度要求相當(dāng)于彈塑性結(jié)構(gòu)所要求的剛度,通常對(duì)于上部結(jié)構(gòu)不必要求塑性變形能力。

4.我國規(guī)范對(duì)受彎鋼梁腹板橫向加勁肋的間距要求過于嚴(yán)格。

5.在耐久性、可維護(hù)性方面日本規(guī)范有較多細(xì)節(jié)規(guī)定可以參考。

6.其他性能要求方面,日本規(guī)范對(duì)撓度要求與我國相仿,但對(duì)超設(shè)計(jì)地震等極端事件的防范能力要求很強(qiáng)。