中美公路橋梁設計規范對比研究

魯玉忠，于劍麗，宋銀平

(黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州 450003)

目前中國建筑行業進入國際市場的份額日漸增多，近幾年國內公司在南美國家相繼承攬了一些大型水利水電、公路橋梁工程項目，在合同中都明確寫明采用美國規范，我公司在承接厄瓜多爾CCS項目工程設計中也是如此。筆者參加了厄瓜多爾CCS項目中的公路橋梁設計，在設計過程中對中美兩國橋梁規范進行了一些研究工作，對中國《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)［1]、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2004)［2](以下簡稱中國橋梁規范)和美國公路橋梁設計規范［3](以下簡稱美國橋梁規范)進行對比，找出兩國規范的差異。中美橋梁規范主要區別是:(1)設計方法不同;(2)汽車荷載取值不同;(3)荷載組合系數不同;(4)計算基本假定和截面抗彎承載力表達式不同;(5)混凝土標準試件的尺寸及保證率不同。本文通過對單跨6～35 m標準跨徑汽車活載工況跨中彎矩計算統計，找出兩國規范活載效應差別，并通過標準跨徑配筋計算，給出因規范差異導致截面配筋的具體變化，總結出幾點設計體會，對我國公路橋梁設計規范的改進和修訂提出建議。

1 設計方法

1.1 中國橋梁規范

中國橋梁規范采用極限狀態設計法，設計表達式

式中 γ0——橋梁結構的重要性系數;

S——作用(或荷載)效應(汽車荷載應計入沖擊系數)的組合設計值;

R(·)——構件承載力函數;

fd——材料強度設計值;

ad——幾何參數設計值。

1.2 美國橋梁規范

美國橋梁規范采用荷載抗力設計法(Load and Resistance Factor Design)，公式中“荷載”一側，在力效應、荷載系數基礎上乘以關于延性、超靜定和運營重要性的綜合系數;“抗力”一側，采用公稱抗力(各種材料強度標準值及幾何參數計算出的抗力)乘以一個各種構件取值不同的抗力系數

式中 η——關于延性、超靜定和運營重要性的系數;

Yi——荷載系數;

Qi——力效應;

φ——抗力系數;

Rn——公稱抗力;

ηD——有關延性的系數;

ηR——超靜定性的系數;

η1——運營重要性的系數。

1.3 設計方法差異

(1)我國橋梁規范采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，以可靠指標度量結構構件的可靠度，采用分項系數的設計表達式進行設計。而美國規范是以可靠度理論為基礎，采用荷載抗力設計法，設計表達式沒有分項系數。

(2)在“荷載”一側乘以系數不同。

中美橋梁規范不同等級道路上橋梁結構乘以系數取值見表1。

(3)“抗力”一側采用材料強度不同(表1)。

中國橋梁規范采用材料強度設計值，美國橋梁規范采用材料強度標準值。

表1 “荷載”一側乘以系數對比

2 汽車荷載

2.1 中國橋梁規范

汽車荷載分為公路—Ⅰ級和公路—Ⅱ兩個等級，由車道荷載和車輛荷載組成。車道荷載由均布荷載和集中荷載組成，計算圖示見圖1。公路—Ⅱ級車道荷載為公路—Ⅰ級荷載的0.75倍。

圖1 公路—Ⅰ級車道荷載

2.2 美國橋梁規范

汽車荷載定名為HL-93，包括2種組合:設計貨車與設計車道荷載組合;設計雙軸與設計車道荷載組合。橋梁結構計算取2種組合較大者。設計貨車軸重及軸距見圖2。

圖2 設計貨車活載(單位:m)

設計雙軸為1對110 kN的軸，軸距1.2 m。

設計車道荷載為9.3 kN/m的均布荷載。

2.3 汽車荷載差異

(1)活載布置及取值不同。

(2)橫斷面多車道折減系數不同。

兩國橋梁規范橫向車道折減系數見表2，可見，美國橋梁規范多車道折減系數高于中國橋梁規范，其單車道折減系數為中國規范1.2倍。

表2 橫向折減系數對比

(3)沖擊系數取值不同。

美國橋梁規范沖擊系數為常數μ美=0.33，中國橋梁規范沖擊系數μ中是與材料及連接方式關聯的變量，隨著跨徑的增加逐漸減小，沖擊系數對比見圖3。

擬橋面寬8.5 m單跨6～35 m標準跨徑，汽車活載工況的跨中彎矩見圖4、圖5。不計沖擊系數，美國汽車活載效應介于我國公路-Ⅰ級與公路-Ⅱ級效應之間，為公路-Ⅰ汽車效應的0.75～0.91倍。計沖擊系數，美國汽車活載效應在6～8 m跨徑范圍效應小于我國公路-Ⅱ級，為公路-Ⅱ級效應的0.92～0.93倍，在10～35 m跨徑范圍介于我國公路-Ⅰ級與公路-Ⅱ級效應之間，為公路-Ⅰ級效應的0.78～0.95倍。

圖3 沖擊系數對比

圖4 不計沖擊系數各跨中彎矩

圖5 計沖擊系數各跨中彎矩

3 荷載組合系數

中美橋梁規范主要荷載組合系數對比見表3。

表3 荷載組合系數對比

橋面寬8.5 m，單跨6～35 m標準跨徑，中國橋梁規范基本組合、美國橋梁規范組合Ⅰ，跨中彎矩對比見圖6。美國汽車活載效應在6～10 m跨徑范圍介于我國公路-Ⅰ級與公路-Ⅱ級效應之間，為公路-Ⅰ級效應的0.86～0.98倍;在13～35 m跨徑范圍汽車效應大于我國公路-Ⅰ級，為公路-Ⅰ級效應的1.07～1.11倍。

圖6 汽車活載組合跨中彎矩

4 計算基本假定和截面抗彎承載力表達式

4.1 計算基本假定

(1)構件彎曲后，其截面仍保持為平面，兩國規范規定相同。僅極限壓應變εcu規定不同，美國橋梁規范取值為0.003，中國橋梁規范根據混凝土強度等級不同取值為0.003 3～0.003。

(2)截面受壓混凝土應力圖簡化為矩形，忽略混凝土抗拉強度，兩國規范規定相同。

(3)中國橋梁規范，混凝土和鋼筋采用強度設計值;美國橋梁規范，混凝土采用28 d抗壓強度，鋼筋采用最小屈服強度。

4.2 截面抗彎承載力表達式

中國橋梁規范

式中 Md——彎矩組合設計值;

fcd——混凝土軸心抗壓強度設計值;

fsd——縱向鋼筋抗拉強度設計值和抗壓強度設計值;

As——受拉區、受壓區縱向鋼筋截面面積;

b——矩形截面寬度;

h0——截面有效高度;

x——混凝土受壓區高度。

美國橋梁規范

式中 Mn——公稱抗力;

β1——混凝土應力塊系數;

b——矩形截面寬度;

c——混凝土受壓區高度;

As——受拉區、受壓區縱向鋼筋截面面積;

fy——縱向抗拉鋼筋最小屈服強度和抗壓鋼筋最小屈服強度;

ds——從最外受壓混凝土邊緣到縱向鋼筋質心的距離;

5 混凝土標準試件尺寸及保證率

5.1 中國橋梁規范

中國橋梁規范的混凝土強度等級采用150 mm×150 mm×150 mm立方體試件28 d的抗壓強度，鋼筋和混凝土保證率是一致的，即95%，其強度標準值公式

式中 fcu，k——混凝土強度等級;

μf150——立方體抗壓強度平均值;

σf150——混凝土樣本標準差;

δc——混凝土樣本變異系數，見表4。

表4 中國橋梁規范混凝土的變異系數

式中 fyk——鋼筋強度標準值;

Sy——鋼筋強度樣本標準差;

δy——鋼筋強度樣本變異系數。

5.2 美國橋梁規范

美國材料試驗方法ASTM規定，混凝土強度采用直徑150 mm、高度為300 mm圓柱體試件28 d的抗壓強度f'c作為混凝土的強度指標，具有98%的保證率，它在意義上相當于我國的棱柱體試件軸心抗壓強度標準值。混凝土配合比平均抗壓強度［4]:

f'c≤35 MPa時，取式 (10)、(11)中大值

Ss——混凝土樣本標準差。

美國橋梁規范關于鋼筋強度要求鋼筋測定的最低值不低于設計取值，具有99.9%的保證率，其標準值表達式

中、美兩國橋梁規范混凝土強度對比見表5，美國混凝土抗壓強度為中國混凝土強度等級的0.74～0.82倍，隨著混凝土強度等級的提高，強度差別也越大。本文忽略標準試件尺寸的差異，僅分析抗壓強度保證率方面的區別。

表5 中美橋梁規范混凝土強度對比

6 算例

以標準跨徑6 m裝配式鋼筋混凝土梁為例，單塊中板截面尺寸如圖7所示，二期恒載為7.8 kN/m，梁自重為7.36 kN/m，C30混凝土、HRB335主筋，凈保護層厚度為3 cm，不配置受壓鋼筋。

圖7 中板截面(單位:mm)

6.1 中國橋梁規范

fcd=13.8 MPa，fsd=280 MPa，γ0=1.0;M自重=29.83 kN·m，M二期=31.61 kN·m，M活=131.86 kN·m，Md=258.34 kN·m。計算跨中下緣配筋 As=3 089 mm2。

6.2 美國橋梁規范

中國材料標準強度fcd=13.8 MPa，fsd=280 MPa換算美國規范后1.05，M自重=29.83 kN·m，M二期=31.61 kN·m，M活=92.31 kN·m，Mn=246.25 kN·m。計算跨中下緣配筋 As=3 236.60 mm2。

中美橋梁規范截面配筋計算對比見表6。

表6 中美橋梁規范截面配筋計算對比

采用美國規范，在實際工程設計中，普通鋼筋混凝土梁，一般采用，其他計算參數不變，則計算跨中下緣配筋As=2 229.18 mm2;截面所需配筋明顯減少，主要為采用高強材料所致。

7 結論

(1)通過對中、美兩國橋梁鋼筋混凝土規范中設計方法、設計參數取值、設計荷載及荷載組合、材料保證率等方面對比，指出了規范差異之處，并通過實例說明了兩國規范設計的具體差異。

(2)橫斷面多車道折減系數美國橋梁規范高于中國橋梁規范。

(3)單跨13 m以上，組合后汽車活載效應HL-93高于公路-Ⅰ級。

(4)美國混凝土抗壓強度是中國混凝土強度等級的0.74～0.82倍，隨著混凝土強度等級的提高，強度差別越大。

(5)高強度混凝土、鋼筋等材料，在國外廣泛應用于工程中。

(6)建議盡快組織我國公路橋梁規范英文版翻譯工作，便于為工程相關的咨詢及業主單位交流，便于與其他國際規范對比。

［1]JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范［S].北京:人民交通出版社，2004.

［2]JTG D60—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S].北京:人民交通出版社，2004.

［3]AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，Fifth Edition［S].A-merican Association of State Highway and Transportation Officials，2010.

［4]ACI 318-11.Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI 318-11)and Commentary［S].American Concrete Institute，2011.

［5]高策，薛吉崗.鐵路橋梁結構設計規范由容許應力法轉換為極限狀態法的思考［J].鐵道標準設計，2012(2):41-45.

［6]郭豐哲.基于美國規范的預應力混凝土梁橋設計［J].鐵道標準設計，2010(2):45-49.