中英橋梁設計規(guī)范的異同點比較

周志星

(中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川成都 610000)

斯里蘭卡某項目設計工作為一個平臺式轉運站，轉運站大部分采用橋梁架空設計，橋梁結構類型有普通鋼筋混凝土和預應力混凝土橋梁。本項目設計規(guī)范采用的是英國規(guī)范BS5400系列，該系列共有10篇，本文將其中的第2篇“荷載規(guī)范”和第4篇“混凝土橋梁設計規(guī)范”與國標JTGD60-2015《公路橋梁設計通用規(guī)范》和JTG3362-2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中的部分內容進行了對比，從材料參數(shù)、活載加載及荷載分項系數(shù)、預應力計算和限值要求以及構造要求等方面進行了論述。

1 材料強度參數(shù)

1.1 混凝土

英標[1]和國標[2]中規(guī)定的混凝土抗壓強度設計值以及混凝土的彈性模量見表1、表2。

表1 混凝土抗壓強度設計值 MPa

表2 混凝土彈性模量 ×104MPa

從表1、表2結果對比可知中國規(guī)范規(guī)定的混凝土強度以及彈性模量略高于英國規(guī)范。

1.2 普通鋼筋

英國規(guī)范規(guī)定的普通鋼筋等級有三種，分別是Grade250;Grade460;Coldreducedsteelwire(Grade485)，工程中較常用的是前兩者。中國規(guī)范規(guī)定的普通鋼筋等級也分為三類五種，分別是HPB300；HRB400,HRBF400,RRB400；HRB500。普通鋼筋抗拉、抗壓強度設計值見表3。

從表3中數(shù)據(jù)可知，雖然兩本規(guī)范規(guī)定的鋼筋種類不同，但總體上英標BS5400規(guī)定的鋼筋抗拉強度高于國標的規(guī)定。并且英標鋼筋的抗拉強度要大于其抗壓強度，而國標則相同。

表3 普通鋼筋抗拉、抗壓強度設計值 MPa

1.3 預應力鋼筋

英標BS5896對預應力鋼筋材料進行了表述，對于橋梁工程中常用的7股鋼絞線按抗拉強度標準值可以分為5類，抗拉強度范圍是1 570～1 860MPa，中國規(guī)范則分為3類，抗拉強度分別為1 720MPa、1 860MPa、1 960MPa。每一類鋼絞線又根據(jù)公稱直徑的不同劃分為許多種，英標和國標設計常用的都是公稱直徑為15.2mm的鋼絞線，兩種規(guī)范規(guī)定的鋼絞線參數(shù)基本相同，比如橫截面面積均為139mm2，最大張拉力259kN,彈性模量1.95×105MPa。

2 汽車荷載及荷載效應組合

2.1 荷載效應組合

英標BS5400[3]和國標[4]對結構極限狀態(tài)都分為兩類，分別是承載能力極限狀態(tài)(ULS)和正常使用極限狀態(tài)(SLS)，荷載組合以及荷載組合系數(shù)兩者有較大的區(qū)別，英標BS5400規(guī)定了五種荷載組合。

(1)荷載組合1：恒載+土壓力+不均勻沉降+汽車荷載+人行道/非機動車道荷載。

(2)荷載組合2：恒載+土壓力+不均勻沉降+汽車荷載+人行道/非機動車道荷載+風荷載+臨時施工荷載。

(3)荷載組合3：恒載+土壓力+不均勻沉降+汽車荷載+人行道/非機動車道荷載+溫度荷載。

(4)荷載組合4：恒載+土壓力+不均勻沉降+汽車荷載引起的荷載(離心力、制動力、碰撞護欄等)。

(5)荷載組合5：恒載+土壓力+不均勻沉降+支座摩阻力。

每種組合的分項系數(shù)詳見英標BS5400第2篇[3]中的Table1,不再贅述。

我國規(guī)范規(guī)定的橋梁結構按承載能力極限狀態(tài)設計時應采用基本組合和偶然組合兩種作用效應組合，按正常使用極限狀態(tài)設計時應采用頻遇組合和準永久組合兩種作用效應組合，每種組合的分項系數(shù)詳見JTGD60-2015《公路橋梁設計通用規(guī)范》第4章[4]相關內容。表4列出的內容是系數(shù)差異較大的幾種荷載類型。

表4 荷載分項系數(shù)對比

通過比較主要的荷載分項系數(shù)可知英國標準比中國規(guī)范規(guī)定的分項系數(shù)要大，特別是二期荷載的分項系數(shù)。總的來說英標規(guī)定的荷載作用總效應比中國規(guī)范的規(guī)定要大，設計更加偏保守。

2.2 汽車荷載

英標BS5400規(guī)定公路橋梁標準荷載包括HA和HB荷載，HA荷載由均布荷載和一個集中荷載組成，與國標車道荷載類似。HB荷載是用若干個單位荷載表示大小的特種車輛荷載，與國標車輛荷載類似。英標HA和HB荷載效應可以疊加，國標車道荷載和車輛荷載不能疊加。

2.2.1 HA荷載與國標車道荷載對比

英標BS5400-2中規(guī)定HA荷載由均布荷載(UDL)和一個集中荷載(KEL)組成(圖1、表5)，當加載長度不大于50m時，均布荷載由下式得出：

當加在長度大于50m時，均布荷載由下式得出英標規(guī)定HA荷載中的集中荷載按每車道120kN取值。

圖1 HA荷載均布荷載曲線

表5 HA荷載均布荷載值

中國規(guī)范規(guī)定的公路I級車道荷載的均布荷載值為10.5kN/m，集中荷載標準值為180～360kN，具體值與跨徑有關。公路II級車道荷載按公路I級車道荷載的0.75倍采用。

英標BS5400的HA荷載的均布荷載值隨著加載長度的增加而減少，取值范圍是17.2～211.2kN/m；中國規(guī)范規(guī)定車道荷載為固定值10.5kN/m,通過對比可知英標的均布荷載大于國標，對于短跨徑橋梁差異更加明顯。根據(jù)參考文獻[5]里20m簡支T梁的計算結果可知跨中彎矩和梁端剪力都比中國規(guī)范大50 %左右，其主要原因是英標20mHA荷載的均布荷載值為45.1kN/m,約為中國荷載標準的4倍。

2.2.2HB荷載與國標車輛荷載對比

英標BS5400第2篇規(guī)定的HB荷載主要描述如下：對于公路橋梁，通常考慮的HB荷載的最小單元是30個，如果有特殊要求，單元數(shù)可以增加到45個；一個單元額定荷載為每軸10kN即每個輪2.5kN(圖2)。

圖2 HB荷載布置圖示

HB車輛是四軸，軸距是1.8m+(6.0～26.0)m+1.8m=9.6～29.6m，中間兩軸間隔設計時按最不利影響線位置進行調整。根據(jù)圖示，考慮30個單元，每個軸重量是300～450kN，一個車總重就是1 200～1 800kN。

我國規(guī)范規(guī)定的公路I級和公路II級車輛荷載相同，共有5個軸，一輛車總重550kN。通過對比可知英標規(guī)定的HB荷載比我國車輛荷載大，采用英標HB荷載設計結構偏保守。

目前國內橋梁病害產生的主要原因之一是超載車輛引起的結構損壞，也可以認為中國規(guī)范汽車荷載效應值偏低，若能參照英標規(guī)范，適當提高汽車荷載效應值則可以減少橋梁病害及事故的產生。

3 預應力計算要求

3.1 預應力構件限值對比

3.1.1 英標

英標BS5400對預應力混凝土構件的分類與國標基本相同，BS5400將其分為三類,荷載均為正常使用極限狀態(tài)荷載組合情況下：

第1類：不允許出現(xiàn)拉應力(對于施工階段，允許在恒荷載、預應力荷載以及施工臨時荷載共同作用下產生小于1MPa的拉應力)。

第2類：允許產生拉應力，無可見裂縫，且拉應力不能超過規(guī)定值，限值見表6。

表6 英標第2類預應力構件拉應力限值要求

第3類：拉應力超過規(guī)定的限值，但裂縫寬度不得超過規(guī)范的要求。

3.1.2 國標

我國規(guī)范對預應力構件也分為三類：

第1類：全預應力構件，此類構件在作用頻遇組合下控制的正截面受拉邊緣不允許出現(xiàn)拉應力。

第2類：部分預應力A類構件，此類構件在作用頻遇組合下控制的正截面受拉邊緣可出現(xiàn)拉應力，但不能超過限值，限值見表7。

表7 國標部分A類預應力構件拉應力限值要求

第3類：部分預應力B類構件，此類構件在作用頻遇組合下控制的正截面受拉邊緣可出現(xiàn)拉應力，且拉應力超過限值。

按照以往設計慣例，對于大跨徑橋梁通常要求設計為第1類構件，中小跨徑橋梁設計為第2類構件。通過第2類構件拉應力限值對比可知，英標拉應力限值大于中國標準，但需注意的是，英標正常使用極限狀態(tài)的組合效應也是大于國標的，所以不能簡單地判斷國標限值偏安全，設計時需根據(jù)實際的荷載情況及計算結果進行判斷。

3.2 預應力張拉初始應力要求

英標BS5400第4篇的6.7.1條規(guī)定了最大初始應力值要求：對于后張法構件預應力張拉初始應力不應大于70 %，對于先張法構件不應大于75 %。在張拉千斤頂時可以超張拉到80 %以提供額外的安全富裕。國標規(guī)定的預應力鋼絞線張拉控制應力為75 %抗拉強度標準值，也可以超張拉至80 %以提供額外的安全富余。

4 構造要求

4.1 鋼筋間距要求

英標規(guī)定縱向鋼筋為一排時鋼筋的最小凈距不應小于hagg+5mm，hagg是粗骨料的最大尺寸。當縱筋有兩排或者多排時，每排鋼筋之間的豎向間隔不應小于2/3hagg，施工時可在兩排鋼筋之間放置直徑25mm的鋼筋，間隔1～2m，以滿足間隔要求。

4.2 鋼筋保護層厚度

英標BS5400將環(huán)境類別劃分為4中：極其嚴重、很嚴重、嚴重、一般。鋼筋保護層要求規(guī)定主筋至構件邊緣的凈距應滿足表8規(guī)定。

表8 英標鋼筋保護層厚度要求

我國規(guī)范的鋼筋混凝土保護層厚度根據(jù)構件的不同、設計使用年限以及環(huán)境類別來確定，通過比較可知國標的保護層劃分更加詳細和安全。

4.3 預應力管道間距

4.3.1 英標

英標BS5400第4篇的6.8.3章節(jié)對預應力鋼束的間距要求如下：預應力管道間距應不小于以下三者的最大值：

(1)hagg+5mm，hagg指最大骨料粒徑。

(2)豎向：波紋管豎向內徑。

(3)水平向：波紋管水平向內徑，并且能滿足振搗棒的操作空間要求。

4.3.2 國標

我國規(guī)范對后張法構件的預應力管道間距要求如下：

(1)直線管道的凈距不應小于40mm，且不宜小于管道直徑的0.6倍；對于預埋的金屬或塑料波紋管和鐵皮管，在直線管道的豎直方向可將兩管道疊置。

(2)曲線型預應力鋼筋管道在平面內相鄰管道間的最小凈距應按本規(guī)范第9.4.8條第1款計算，平面外相鄰管道外緣的最小凈距，應按本規(guī)范第9.4.8條第2款計算。

通過對比可知英標對波紋管的豎向間距要求更為嚴格，而國標則允許波紋管在直線段豎向疊置。因此在設計預應力混凝土橋梁時，特別是在跨中底板和支點頂板存在較多預應力管道的連續(xù)梁橋，需適當加大梁高和結構厚度，以滿足英標的管道間距要求。

5 結束語

本文主要從材料參數(shù)、荷載分項系數(shù)和汽車荷載、預應力計算和限值要求以及構造要求等方面對英標BS5400和我國橋梁設計規(guī)范進行了對比，可以得出一般情況下英標BS5400規(guī)定的荷載組合效應比國標規(guī)定的荷載效應要大，并且構造要求也比國標嚴格，但部分預應力混凝土構件的拉應力限值大于國標的限值。因此按照國標進行初步設計時，可適當增加預應力鋼束數(shù)量以及結構厚度和高度，以滿足英標BS5400規(guī)定的荷載及構造要求。