基于歐洲規范的人行天橋結構分析

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略通道,是北部非洲馬格里布(阿拉伯五國聯盟)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-中鐵建聯合體(CITIC—CRCC)。根據項目合同要求,本項目必須按照歐洲標準(以法國規范為主)進行設計和施工,設計主要采用法國規范和源于法國規范的阿爾及利亞規范[1-3]。

1 項目采用歐洲標準的構成和特點

1.1 歐洲標準及法國規范結構體系

本項目所在地為阿爾及利亞,當地土木工程設計標準主要采用歐洲標準體系中的法國規范。歐美高等教育本科階段學科劃分較粗,土木工程專業下并未如國內細分為工民建、公路、鐵路、水工等二級學科,土木工程咨詢及施工公司的業務大多涵蓋了所有土建工程。歐洲土木工程結構設計規范(EN 規范簡稱歐洲規范)是由一系列相互配套使用的土木設計規范組成的,適用于各行業的土木工程。歐洲規范作為以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,保留各成員國根據他們的具體情況確定與安全有關的參數值的權利,這些參數匯總于國家附錄中,形成在統一標準下的本國規范。NF EN規范為法國發行的基于歐洲標準的法國規范,包括了歐洲標準化協會發行的歐洲規范(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規范目前已成為采用法國標準的土木工程的主要執行規范。法國國內采用的公路工程標準、規范及技術指南由多家研究機構或部門編制,沒有統一編碼[1-3，10，11]。其主要來源于：(1)法國發行的歐洲土木工程結構設計規范(NF EN)；(2)由法國經濟財政與工業部下發,法國運輸、建設、旅游和海洋部編制的《公共設施建筑行業的總技術條款匯編(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范

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

(2)公共設施建筑行業的總技術條款匯編62分冊第二節(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規范-結構物抗震計算(NF EN1998-1,1998-1/NA,1998-2,1998-2 /NA)

2 結構設計

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。結合本橋具體情況,考慮美觀的結構形式和施工方便,決定上部采用采用2×20 m連續箱梁的結構,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：鄉道(人行天橋),一級橋梁；

氣象區劃：B類地區(溫和或干燥地區)；

環境濕度：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類結構[4-5]；

地震區段：橋址位于地震頻發的Ⅲ區,動峰值加速度系數為0.4g[6-8]；

場地類別：S2類(堅固場地)；[6-8]

2.3 上部結構尺寸

橋面寬3.0 m,橫向布置1片單箱單室箱梁,現澆箱梁高1.00 m,橋面鋪裝厚10 cm,見圖2。上部結構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。上部結構采用支架現澆法施工,下部結構采用常規施工方法。

圖2 天橋結構(單位：cm)

3 結構分析

3.1 結構計算方法及參數

根據CCTG Fascicule 62—Titre Ⅱ (Section Ⅱ)規定,上部結構計算采用極限狀態法進行設計。極限狀態法包括正常使用極限狀態和承載能力極限狀態。承載能力極限狀態(E.L.U),結構或構件達到最大承載能力或者達到不適于繼續承載的變形狀態。正常使用極限狀態(E.L.S),結構或構件達到正常使用或耐久性能中某項規定限度的狀態[4，5,10，11]。結構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,全橋結構計算模型如圖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

上部箱梁結構采用RN40混凝土,RN40混凝土為阿爾及利亞標準,其參數與歐洲標準相同,與我國標準差異較大。我國規范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]。其強度發展曲線和收縮徐變曲線見圖4～圖6。

圖4 強度發展曲線

圖5 收縮發展曲線

圖6 徐變發展曲線

預應力荷載在各狀態下計算參數不同：承載能力極限狀態(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(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 結構分析控制參數

(1)荷載組合：根據結構可靠性設計的概念,按照概率極限狀態法進行設計,對結構處于不同狀態下的荷載組合見表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CCTG Fascicule 62-Titre Ⅰ (Section Ⅱ)中對預應力混凝土結構物在各階段各狀態下的應力控制要求,本橋的應力控制見表2～表4。

3.3 計算結果

表2 壓應力控制

注：fbu—極限狀態下壓應力限值；fcj—混凝土抗壓強度；θ—與荷載效應相關的系數；γb—荷載組合相關的安全系數；fbc—正常使用狀態下壓應力限值；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(E.L.S)下,截面未出現拉應力。運營階段,正常使用極限狀態(E.L.S)下,頻遇組合(frequent combination)下未出現拉應力,標準組合(characteristic combination)下,上緣未出現拉應力,下緣最大拉應力為-0.31 MPa。應力狀態滿足設計要求。

(2)截面剪應力

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

4 結論

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

相似處如下。

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

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

(3)對于預應力結構,2種規范均采用截面應力作為控制結構狀態的主要標準。

不同處如下。

(1)歐洲規范充分考慮橋梁結構運營階段的維修養護問題,對橋面系荷載給予0.8～1.2的調整系數,以便于考慮結構在不同狀態下的安全性,而中國規范未考慮此情況。

(2)歐洲規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,而中國規范對此未有明確規定。

(3)在正常使用極限狀態下,歐洲規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。中國規范則對截面統采用同一標準控制。

(4)在承載能力極限狀態下,中國規范主要采用截面抗力控制結構尺寸,而歐洲規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下,中國規范主要采用主壓和主拉應力控制斜截面應力狀態,歐洲規范則主要采用截面剪應力進行控制。

參考文獻：

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