中英橋規(guī)簡支預應力梁橋驗算對比與分析

於方瑩 朱明娜

(浙江省交通規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310006)

中英橋規(guī)簡支預應力梁橋驗算對比與分析

於方瑩 朱明娜

(浙江省交通規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310006)

對中國橋梁規(guī)范JTG和英國橋梁規(guī)范BS5400中結構驗算部分進行了比對和分析，并選取在建海外橋梁工程，采用中英兩國規(guī)范分別對30 m跨徑簡支工字梁進行驗算比較，比較結果顯示，中國規(guī)范的公式和方法更為簡潔，便于工程設計，控制要求比英國規(guī)范嚴格。

中英規(guī)范，驗算，對比，冗余度

1 概述

我國高等級公路設計與施工能力不斷增強，涉外項目也逐漸增多，很多項目均執(zhí)行國外標準，其中英國規(guī)范BS5400是英聯(lián)邦及其前殖民地國家和地區(qū)仍在主要使用的規(guī)范之一。英國高速公路建設和管理發(fā)達，其標準規(guī)范體系也較為完備。英國公路管理局(Highway Agency)發(fā)布了公路技術標準規(guī)范涵蓋了英國高速公路和干線道路的設計、施工、養(yǎng)護、運營等方面，其中BS5400的第四部分是混凝土橋設計操作規(guī)范。主要包括鋼筋混凝土、預應力混凝土以及預制、組合混凝土構件設計。相對應的中國規(guī)范為JTG—D62公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范。本文比較中英兩國規(guī)范中混凝土結構驗算的差異，并通過比較算例計算結果進行進一步分析。

2 正常使用極限狀態(tài)下驗算對比

2.1 混凝土應力控制要求

表1列出了中英兩國規(guī)范對鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構的應力要求。中國規(guī)范在給出混凝土的設計壓力控制值時，以強度標準值fck(ftk)和強度設計值的形式給出，而英國規(guī)范均以立方體抗壓標準強度fcu的形式給出，為保證兩國規(guī)范的可比性，將中國規(guī)范規(guī)定的限值轉換成以立方體抗壓強度fcu表示。

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

2.2 鋼筋應力控制要求

英國標準BS5400用屈服強度規(guī)定了鋼筋等級為G460和G250兩種，材料性能分項系數(shù)γm=1.15，中國規(guī)范也根據(jù)屈服強度將鋼筋劃分了4個等級：HPB300，HRB335，HRB400，HRB500。中國規(guī)范規(guī)定鋼筋的材料性能分項系數(shù)γm=1.2。實際設計值控制要求對比如表2所示。國內(nèi)工程主要采用HRB400鋼筋，與英國BS5400規(guī)范中規(guī)定的G460鋼筋抗拉和抗壓設計值基本相同，但中國規(guī)范鋼筋留有更大的安全余量。

表1 中英規(guī)范混凝土應力控制要求

表2 中英規(guī)范鋼筋應力控制要求 MPa

2.3 鋼束應力控制要求

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

2.4 裂縫控制要求

英國規(guī)范和中國規(guī)范對裂縫的控制也跟環(huán)境條件相關。其中英國規(guī)范將環(huán)境條件分成惡劣(extreme)，非常嚴重(very severe)，嚴重(severe)和適中(moderate)四個等級，分別對應中國規(guī)范的Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ類環(huán)境。英國規(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。而中國規(guī)范規(guī)定鋼筋混凝土構件容許裂縫寬度為0.15 mm，0.20 mm；采用精軋螺紋鋼筋的預應力混凝土構件為0.15 mm，0.20 mm；采用鋼絲或鋼絞線的預應力混凝土構件為不允許裂縫和0.1 mm。從對裂縫的控制要求來看，中國規(guī)范對裂縫的控制要求比英國規(guī)范嚴格，且中國規(guī)范應盡可能避免設計成預應力混凝土B類構件。

3 承載能力極限狀態(tài)下規(guī)范要求對比

3.1 抗彎能力

對預應力混凝土結構，中國規(guī)范和英國規(guī)范承載能力極限狀態(tài)下的計算式根據(jù)不同的假定進行計算，計算圖式差異如圖1所示。中國規(guī)范假定混凝土在一定范圍的受壓區(qū)內(nèi)應力均達到極限，計算公式采用對預應力筋形心取矩的形式Mu=fcdbx(h0-x/2)；英國規(guī)范假定混凝土受壓區(qū)應力為近似實際分布狀態(tài)。計算公式采用對混凝土受壓區(qū)形心取矩的形式，Mu=Tp(dp-yc)，僅當受壓區(qū)混凝土等寬時，可采用簡便計算式為：Mu=Tp(dp-0.5hy)。

3.2 抗剪能力

中英兩國規(guī)范對抗剪能力的規(guī)定均包含抗剪截面驗算和抗剪承載能力兩個部分。

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

3.3 抗扭能力

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

在滿足截面要求的情況下，中國規(guī)范對矩形截面的抗扭計算式為：

英國規(guī)范對矩形截面的抗扭計算式為：

T=Ast/Sv×1.6x1y1(0.87fyv)。

中英兩國規(guī)范中關于鋼筋混凝土純扭構件的承載力計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，中國規(guī)范用配筋強度比ξ來控制箍筋與縱筋之間的數(shù)量以及強度，英國規(guī)范也用As1/S1來表達箍筋和縱筋之間的強度要求。

4 驗算對比

4.1 工程案例

某在海外實施的項目主線橋采用30m跨預應力混凝土簡支工字梁結構，斷面布置如圖2所示。上部結構采用4車道，單幅橋寬11.65m，設置7片工字梁，板梁間距1.7m。單片工字梁構造及尺寸如圖3所示，每片梁上翼緣兩側各設置有牛腿，其上擱置預制板，用作進行混凝土橋面板澆筑的模板。單片梁設置4束15-12高強低松弛預應力鋼絞線。混凝土強度達到85%開始張拉。

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

本文采用SAPCSiBridge橋梁設計軟件建立上部結構單幅橋空間梁格模型，分別施加中英兩國規(guī)范的荷載參數(shù)，各自得出橋梁內(nèi)力結果進行驗算比較。建立的空間梁格模型如圖4所示。

4.2 抗彎承載能力對比計算

圖5示出了采用中英兩國規(guī)范對模型的計算，兩國規(guī)范的彎矩包絡計算值英國規(guī)范比中國規(guī)范大10%以內(nèi)。英國規(guī)范采用的按實際混凝土應力分布的方法計算所得的混凝土抗彎能力要比中國規(guī)范采用簡化矩形分布大20%。

4.3 抗剪能力對比計算

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

4.4 抗扭能力對比計算

對于工字梁結構，腹板承擔主要的抗扭作用，圖7示出了中英兩國規(guī)范對工字梁腹板的抗扭驗算結果，計算所得的扭矩值差異在20%以內(nèi)。抗扭承載力的計算公式中英兩國規(guī)范差距較大，中國規(guī)范考慮剪扭耦合效應比英國規(guī)范強，比英國規(guī)范計算值更保守。

4.5 應力對比計算

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

除對應力比較外，還考慮到兩國規(guī)范預應力混凝土A類構件對應力的控制要求的差異，表3給出了按照兩國規(guī)范給出的控制應力的應力冗余度對比，可知兩國規(guī)范對應力的儲備差別較小。

表3 應力冗余對比 MPa

5 結語

通過對以上的規(guī)范條文對比和實例橋梁的計算對比分析，用中英規(guī)范對橋梁進行驗算可以得出以下幾點結論：

1)正常使用極限狀態(tài)下對混凝土應力，鋼筋應力，鋼束應力和裂縫寬度的規(guī)定，中國規(guī)范更為嚴格。

2)中英兩國規(guī)范對承載能力極限狀態(tài)下的計算原理相同，但對細節(jié)的規(guī)定上有一定差距，中國規(guī)范的計算假定，步驟及其參數(shù)的意義更貼近工程實際，更方便于設計。

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

4)施工狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下，中英兩國規(guī)范的計算應力不同，但應力儲備量差別較小。

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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，高級工程師

1009-6825(2015)13-0177-03

U441.7

A