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(guó)基建企業(yè)有更多機(jī)會(huì)赴海外投資和拓展業(yè)務(wù)，但是絕大部分企業(yè)長(zhǎng)期以國(guó)內(nèi)經(jīng)營(yíng)為主，缺乏海外工程經(jīng)驗(yàn)，尤其是面對(duì)全新的設(shè)計(jì)規(guī)范，往往會(huì)因?yàn)閷?duì)規(guī)范體系的不熟悉而導(dǎo)致設(shè)計(jì)面臨重大風(fēng)險(xiǎn)，直接導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)和信用損失。

規(guī)范是橋梁設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為橋梁設(shè)計(jì)提供支撐并具有法律效應(yīng)，對(duì)指導(dǎo)橋梁設(shè)計(jì)有著非常重要的作用。各國(guó)制定設(shè)計(jì)規(guī)范的基本原則是一致的，但受自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和國(guó)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(guó)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(jì)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(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)。中資企業(yè)近幾年在“走出去”的同時(shí)也將中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)帶出了國(guó)門，在非洲地區(qū)部分工程項(xiàng)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(jì)規(guī)范，尤其在橋梁工程領(lǐng)域具有較強(qiáng)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(guó)家均統(tǒng)一采用歐洲規(guī)范，廢除各自抵觸的國(guó)家條款。如今，歐洲規(guī)范不僅成為歐盟國(guó)家的官方標(biāo)準(zhǔn)，也逐漸被許多非歐盟國(guó)家采用，包括絕大部分非洲國(guó)家。

筆者將針對(duì)中國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范分別就以下幾個(gè)主要方面進(jìn)行研究對(duì)比，希望能對(duì)同行在今后遇到相關(guān)設(shè)計(jì)問題時(shí)起到借鑒作用。

1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和使用年限

1.1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

中國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)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(shí)的狀態(tài)。

兩種狀態(tài)的側(cè)重點(diǎn)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(dú)作為一種狀態(tài)進(jìn)行考察，由此看出歐洲規(guī)范認(rèn)識(shí)到了對(duì)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(jì)使用年限方面，中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范的規(guī)定都是100年。鑒于目前我們對(duì)影響結(jié)構(gòu)使用年限的相關(guān)因素的認(rèn)識(shí)不夠充分，還不能精確預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的使用年限，只能大致估計(jì)結(jié)構(gòu)和材料的長(zhǎng)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(jì)使用年限依然是有必要的：

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

(2)比選不同的設(shè)計(jì)方案和建造材料，平衡初期建造成本和后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，使結(jié)構(gòu)全壽命成本達(dá)到最優(yōu)。

(3)系統(tǒng)性地優(yōu)化結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護(hù)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(guó)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(guó)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(jì)算模型不確定性分項(xiàng)系數(shù)γSd與中國(guó)規(guī)范的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)類似，在實(shí)際應(yīng)用過程中，通?？紤]將計(jì)算模型的不確定性分項(xiàng)系數(shù)和作用分項(xiàng)系數(shù)合并。

2.2 荷載組合

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在運(yùn)營(yíng)期間受恒荷載及其他活荷載的影響，荷載組合時(shí)應(yīng)考慮多種荷載作用時(shí)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(xiàng)系數(shù)和組合系數(shù)來進(jìn)行結(jié)果分析。

2.2.1 中國(guó)規(guī)范組合要求

(1)組合的原則

中國(guó)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(diǎn)

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(xiàng)系數(shù)，這就會(huì)有很多種不利荷載組合，設(shè)計(jì)過程中難以明確最不利荷載組合。

(2)存在的問題及特點(diǎn)

歐洲規(guī)范的規(guī)定相對(duì)較為籠統(tǒng)，且設(shè)計(jì)需考慮的荷載工況較多，設(shè)計(jì)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(guó)規(guī)范的混凝土強(qiáng)度等級(jí)是按立方體試件的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定；歐洲規(guī)范對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度等級(jí)是按圓柱體試件的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck，cube確定的。中國(guó)規(guī)范通過不同標(biāo)號(hào)混凝土的換算系數(shù)及脆性折減系數(shù)確定抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；歐洲規(guī)范則通過混凝土結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)確定抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，如表1所示。

表1 普通鋼筋、鋼絞線分項(xiàng)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(guó)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(duì)所有荷載進(jìn)行對(duì)比是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，本文僅針對(duì)橋梁的主要荷載——活荷載進(jìn)行對(duì)比分析，以期能基本反映不同國(guó)家的荷載規(guī)范。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)值的取值

4.1.1 中國(guó)規(guī)范

按照公路Ⅰ級(jí)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(guó)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(yàn)算和局部驗(yàn)算。

荷載模型2(LM2)：為一單軸雙輪的集中力，作為L(zhǎng)M1荷載模型的補(bǔ)充，主要用于跨徑為3～7m的橋梁驗(yàn)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(yàn)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(guó)規(guī)范的公路Ⅰ級(jí)車道荷載類似，作為主要的驗(yàn)算荷載。

4.2 活載車道折減

當(dāng)橋面設(shè)置兩個(gè)車道以上時(shí)，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(guó)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(duì)每一個(gè)車道都定義了荷載標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)在于能體現(xiàn)出荷載的偏心影響(見表4)。橋梁計(jì)算跨徑>150m時(shí)，中國(guó)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(xiàng)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(duì)中歐規(guī)范規(guī)定的汽車活載進(jìn)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(jì)

通過圖3荷載對(duì)比可看出，歐洲規(guī)范集中軸載僅在前三個(gè)車道有規(guī)定值，超過三個(gè)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(gè)車道以內(nèi)均大于中國(guó)規(guī)范，且四個(gè)車道以內(nèi)差距較大，超過中國(guó)規(guī)范40%以上。且歐洲規(guī)范的均布荷載也明顯大于中國(guó)規(guī)范，差值在70%以上。在兩項(xiàng)荷載合計(jì)值方面，中、歐洲規(guī)范差值在44%以上。

現(xiàn)實(shí)中我國(guó)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(jí)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(jì)

在耐久性設(shè)計(jì)方面，歐洲規(guī)范與中國(guó)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(jì)、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、施工等方面采用不同的耐久性方案。下面以混凝土保護(hù)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(hù)層厚度時(shí)，從以下三個(gè)方面考慮：(1)鋼筋向混凝土傳力的需要；(2)保護(hù)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(hù)層厚度cnom計(jì)算如式(1)所示：

cnom=cmin+Δcdev

(1)

式中：cmin——混凝土最小保護(hù)層厚度；

Δcdev——設(shè)計(jì)容許偏差，有國(guó)家附錄指定，推薦值取10mm。

設(shè)計(jì)中最小混凝土保護(hù)層應(yīng)同時(shí)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(hù)層厚度；

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

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

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

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

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

表5 混凝土保護(hù)層最小厚度cmin取值表(mm)

從表5分析來看，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，歐洲規(guī)范考慮了粘結(jié)、環(huán)境、耐火等方面，而中國(guó)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(guó)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(jì)算

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

歐洲規(guī)范計(jì)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(qiáng)度。

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

(5)在鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)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(guó)規(guī)范計(jì)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(qiáng)度。

(3)在鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)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(guó)規(guī)范中的三點(diǎn)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(gè)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(guó)規(guī)范中也有相關(guān)規(guī)定。

在承載力計(jì)算公式方面，以單筋截面為例，歐洲規(guī)范的計(jì)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(shí)為延性破壞。

中國(guó)規(guī)范的計(jì)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(guó)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(jì)原則和方法方面，歐洲規(guī)范與中國(guó)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(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中略有不同，在應(yīng)用歐洲規(guī)范進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意細(xì)節(jié)方面的差異。

(2)國(guó)家附錄是歐洲規(guī)范重要的組成部分，是不同國(guó)家實(shí)際情況的體現(xiàn)，因此在不同國(guó)家進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)執(zhí)行國(guó)家附錄是很有必要的。

(3)中國(guó)規(guī)范的條款往往是推薦性和建議性的，要求有經(jīng)驗(yàn)的工程師根據(jù)自身認(rèn)識(shí)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(jì)，但任何的法律責(zé)任都由設(shè)計(jì)者承擔(dān)；而中國(guó)規(guī)范往往給出的強(qiáng)制性條款居多，這就限制了設(shè)計(jì)者的發(fā)揮，固化了設(shè)計(jì)者的思維。

(4)近年來，部分中資企業(yè)在開展國(guó)外項(xiàng)目時(shí)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(xiàng)目進(jìn)展緩慢等。筆者推薦采用同一規(guī)范體系的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即便是中國(guó)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。