中美規(guī)范下預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的比較

李祖逸

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院　廣東　廣州　510010）

中美規(guī)范下預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的比較

李祖逸

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院廣東廣州510010）

隨著我國的經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，我國的公路橋梁建設(shè)企業(yè)也越來越發(fā)達(dá)，并進(jìn)入到國際市場上，在很多國家都承擔(dān)了橋梁建設(shè)任務(wù)。由于地理環(huán)境和發(fā)展水平不一樣，各個(gè)國家的公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范都不一致。本文通過贊比亞西爾馬大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對中美兩國的公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異性研究分析。并為我國以后的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂工作提供參考。

中美橋梁；設(shè)計(jì)規(guī)范；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；預(yù)應(yīng)力；混凝土

前言

道路對于國民的生活有著重要的作用，而道路交通系統(tǒng)中有一個(gè)非常重要的部分那就是橋梁。隨著城市的不斷發(fā)展，橋梁的作用也越來越重要。由于地理原因，構(gòu)建道路會遇到非常多的困難，比如會遇到河流、溝谷以及其他阻礙，那么就應(yīng)該構(gòu)建橋梁，這樣就可以保證道路聯(lián)系在一起。一個(gè)國家的橋梁工程技術(shù)發(fā)展水平主要體現(xiàn)在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范上，橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范同時(shí)也是橋梁建設(shè)行業(yè)對社會的公開技術(shù)承諾。由于我國與其他國家在文化、經(jīng)濟(jì)等各方面都不相同，所以每個(gè)國家的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范有很大差別。因此可以通過與發(fā)達(dá)國家相比較，從而學(xué)習(xí)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)以及占領(lǐng)國際市場，同時(shí)也對我們國家的公路橋梁混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范具有很大的幫助。本文的研究對我國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂工作具有參考價(jià)值以及可以更好地完成國外橋梁建設(shè)項(xiàng)目以提高我國地位。本文通過對中、美兩套橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的差異性進(jìn)行研究，從而指出我國存在的不足以及可以借鑒的國外經(jīng)驗(yàn)。

1　中美公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的發(fā)展?fàn)顩r

1.1中國規(guī)范

在新中國成立開始，就進(jìn)行了大規(guī)模的公路橋梁建設(shè)工作。當(dāng)時(shí)我國的設(shè)計(jì)規(guī)范主要是模仿蘇聯(lián)規(guī)范而編制而成的。但是我國和蘇聯(lián)的基本國情是不一樣的，所以直接借鑒蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)不符合我國的實(shí)際，所以在后來我國開始自己編制適合我國國情的規(guī)范，直至1985年，我國根據(jù)半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法重新修訂了橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范并出版了《公路橋梁鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》。在現(xiàn)在，隨著世界各國之間的交流越來越多，我國也開始與世界接軌，制定了很多新的規(guī)范，目的就是為了使我國的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)水平可以與世界領(lǐng)先水平相當(dāng)。

1.2美國規(guī)范

美國在二戰(zhàn)結(jié)束之后一躍成為世界最發(fā)達(dá)的國家，所以在土木工程領(lǐng)域也有著非常強(qiáng)的優(yōu)勢。早在1921年初，美國就著手公編制路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范。而在1931年美國的公路交通與運(yùn)輸協(xié)會就頒布《公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》。隨著時(shí)間的推移，這個(gè)規(guī)范在后來得到了很多的修正和變化，并在1990年，美國頒布了《AASHTO荷載和抗力系數(shù)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》。這個(gè)規(guī)范無論是從理論基礎(chǔ)還是實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中都有著較高的水平。最新修正的版本就是五年前所使用的第五版。

2　中美預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對比分析

這一部分筆者以贊比亞西爾馬66m+120m+66m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋工程為例，對中美兩國的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較。在分析過程中運(yùn)用了結(jié)構(gòu)有限元分析軟件對贊比亞西爾馬66m+120m+66m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行有限元仿真模擬并且分別按照中美橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析，比較兩國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

2.1橋梁總體概況

連接贊比亞西方省Senanga市與Sesheke市道路的大橋就是贊比亞西爾馬大橋。在這個(gè)大橋周圍都是丘陵山區(qū)，地形十分復(fù)雜，植被也比較豐富。除此以外，該橋處在水流湍急地區(qū)，所以采用66m+120m+66m的方法。大橋常年流水，雨季時(shí)流量大，河水無污染。地質(zhì)勘探可以知道，該處主要由沉積沙、粉沙、沙礫及巖石塊構(gòu)成。

2.2主要工程材料

表1　各部分結(jié)構(gòu)混凝土類型一覽表

2.3預(yù)應(yīng)力鋼材

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用的是美國標(biāo)準(zhǔn)即單根鋼絞線直徑為15.2mm，每股面積為140mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860MPa，最小破斷荷載260.7kN。每束控制張拉力195.3kN。而普通鋼筋采用的是HRB335和R235鋼筋，都應(yīng)該符合相應(yīng)的規(guī)定。橋梁支座使用盆式橡膠支座。鋼筋直徑大于12mm者均采用前者的鋼筋，而相反可以采用后者的鋼筋。預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管，在這里需要給其注漿，我們使用的是真空壓漿技術(shù)。結(jié)構(gòu)用鋼板采用的是符合現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)的Q235C鋼。主橋縱向預(yù)應(yīng)力錨具則使用的是17和12以及10絲鋼絞線群錨及其相應(yīng)的設(shè)備。橋面防水層使用的是三涂FYT-1改進(jìn)型防水層。橋面伸縮縫使用D160型毛勒伸縮縫。

2.4計(jì)算參數(shù)的選取

經(jīng)過分析計(jì)算。同時(shí)也考慮各個(gè)因素，因此本文的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的分析使用的是MIDAS/Civil。

2.4.1混凝土

橋梁上部結(jié)構(gòu)箱梁采用C50混凝土，其彈性模量Ec=3.45× 104，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=32MPa，軸心抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度ftk= 2.7MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftd=1.83MPa，施工階段張拉預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度是軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值8/10。而這些值在美國中分別為43.1×104、41MPa以及0.75倍。

2.4.2預(yù)應(yīng)力鋼束材料參數(shù)

預(yù)應(yīng)力鋼束采用的是標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa的1×7標(biāo)準(zhǔn)型的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，彈性模量Ec=1.9×104，預(yù)應(yīng)力鋼束錨具為兩端壓縮變形，開始點(diǎn)為6mm，結(jié)束點(diǎn)也是6mm，預(yù)應(yīng)力鋼束的松弛率為0.03，預(yù)應(yīng)力管道每米局部偏差摩擦影響系數(shù)為0.0015。

3　主要結(jié)論

本文首先總結(jié)了中國、美國、歐洲公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于設(shè)計(jì)活載、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法、荷載效應(yīng)組合方式相關(guān)規(guī)定的差異。與此同時(shí)本文也介紹了一些基本理論，并針對大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行分析，在分析時(shí)我們采用的是Midas/ civil結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。最后以贊比亞西爾馬66m+120m+ 66m大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋梁為工程實(shí)例，運(yùn)用Midas/ civil有限元軟件進(jìn)行全橋有限元模擬。并對中美兩國的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較。通過實(shí)驗(yàn)，筆者得到了如下的結(jié)論：

（1）雖然中美兩國的公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范都是以極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)并以此為基礎(chǔ)，但是在表達(dá)上存在區(qū)別。中國采用正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極限狀態(tài)。而美國采用的是強(qiáng)度極限狀態(tài)、使用極限狀態(tài)、極端事件極限狀態(tài)及疲勞與斷裂極限狀態(tài)。對于恒荷載分項(xiàng)系數(shù)，美國大于我國，但是美國也不是最大的。而對于活荷載分項(xiàng)系數(shù)，美國同樣大于我國并且美國是最大的。由上我們可以看我國恒荷載分項(xiàng)系數(shù)和活荷載分項(xiàng)系數(shù)水平都不如美國和其他發(fā)達(dá)國家，所以在以后的公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的修正工作中，應(yīng)該提高這兩個(gè)系數(shù)水平，這也是世界公路橋梁設(shè)計(jì)未來的發(fā)展趨勢。

（2）中美兩國在荷載標(biāo)準(zhǔn)值、汽車荷載在布載形式、沖擊系數(shù)及折減系數(shù)上都有著截然不同的情況。美國的控制汽車荷載是取最大值，這與我國截然不同。其次，針對車輛荷載效應(yīng)，我國更加重視安全。根據(jù)國情我國在大跨徑橋梁公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中汽車荷載效應(yīng)大于美國，同時(shí)在世界也是最大的。中美兩國這些規(guī)范的比較，使得兩國可以互相補(bǔ)充，取長補(bǔ)短。

（3）中美兩國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對于溫度荷載作用的分類是一致的，都包括了均勻溫度荷載作用和溫度梯度荷載作用，除此之外，兩國還全部采用雙折線形式的溫度梯度模式。而且中美兩國在規(guī)范后者時(shí)都只考慮了梁頂溫差，而且根據(jù)橋面板鋪裝的類型設(shè)定相應(yīng)的溫度基數(shù)，且這些溫度基數(shù)相差不大。不僅如此，中美差別還在于美國規(guī)范溫度梯度荷載產(chǎn)生的溫度內(nèi)是大于我國的，但是我國與美國差距不大。正是由于，在實(shí)際工作中，要根據(jù)實(shí)際的具體情況來決定溫度梯度模式，這是由于復(fù)雜性的溫度梯度荷載的作用方式造成的。

（4）中美兩國對于彎矩效應(yīng)比較相似。與此同時(shí)剪力效應(yīng)的規(guī)范差異也不是很大，美國稍大于中國。

（5）中美兩國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范正常使用極限狀態(tài)荷載工況作用下，彎矩效應(yīng)與剪力效應(yīng)美國都稍大于中國。而在正常使用極限狀態(tài)荷載工況作用下，美國遠(yuǎn)大于中國。正是由于這樣，在實(shí)際的工作中正常使用極限狀態(tài)荷載工況是分析中美橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要的參數(shù)。

4　結(jié)束語

本文通過對中美預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對比分析，得到了一些結(jié)論，這些結(jié)論對以后的實(shí)際工作具有重要的參考價(jià)值。同時(shí)也指出了中美的差別，我國可以向美國學(xué)習(xí)先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，但是在中美預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異性研究上還有很多的不足，以后可以加大此領(lǐng)域的研究，這樣才可以解決如我國大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)荷載分項(xiàng)系數(shù)等一系列問題。國家應(yīng)該加大此領(lǐng)域的投資，這樣人們才可以真正享受到高科技帶來的生活的便利。最后，加大研究也為以后的實(shí)際工作和理論儲備奠定了良好的基礎(chǔ)。

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1673-0038（2015）19-0003-02

2015-4-26