基于中英橋梁規范-30 m跨徑簡支工字梁荷載計算對比

吳杰良，劉麗思，蔡建剛

(1.浙江省交通規劃設計研究院有限公司，浙江 杭州 310006；2.云南交通職業技術學院，云南 昆明 650500)

0 引 言

我國高等級公路設計與施工不斷增強，近些年涉外項目也逐漸增多。以英國標準BS5400作為道路橋梁設計規范的工程項目仍在英聯邦及其前殖民地國家和地區作為主要的標準在使用。斯里蘭卡科倫坡外環高速路項目(The Outer Circular Highway to the City of Colombo)即為其中之一。本文比較中英規范中荷載取值及荷載效應組合的相關規定，并分析產生差異的原因。

1 荷載參數對比

1.1 恒荷載對比

兩國規范對于恒載的定義合計計算沒有顯著區別，在荷載組合系數體現對結構的效應。

1.2 活荷載對比

中國規范和英國規范BS5400-2中對活荷載和人行荷載均有詳細規定，表1列出了兩國規范在各活載定義和數值的差異。

表1 中國規范和英國規范關于活載的定義對比

1.3 風載對比

中國規范的風荷載規定較為簡單，橫向風載作用與結構所在的地理位置、周圍的地形地貌、地物、結構離地面的高度、結構物自身的形狀及斷面尺寸有關。除下承式桁架橋外，一般不考慮順橋向風載；也不考慮豎橋向風載。

英國規范的風荷載考慮橫橋向風載、順橋向風載和豎向風載。橫向風載與結構所在地理位置、周圍地形地貌、地物、結構物高度、結構物自身形狀和斷面尺寸以及橋梁上部活載存在與否有關。順橋向風載與結構物自身形狀和斷面尺寸有關，豎向風載與橋梁的平面投影面積有關。

1.4 溫度荷載對比

對于體系溫差，英國規范根據橋梁實際位置所在的氣溫得到橋梁有效最高和有效最低溫度，并根據橋面鋪裝的厚度和橋面板類型進行修正；中國規范直接將全國劃分為嚴寒、寒冷及溫熱3種溫度類型6個區域，規定了每個溫度類型的最低及最高有效溫度標準值。從適用性上分析，英國規范更容易為世界其它地區所參照。

對于截面溫度梯度，英國規范考慮上部結構類型，將梯度溫度分成4組，同時考慮鋪裝的影響；中國規范的溫度梯度分布僅根據上部結構材料分成2組，且沒有明確指出鋼結構橋梁的溫度梯度。故英國規范對溫度梯度經常被用于國內項目的設計中。

1.5 荷載組合類型的對比

英國規范和中國規范都將驗算組合分成承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。每種荷載組合都應考慮主要作用和次要作用。在英國規范中，根據主要作用的不同將極限狀態分類對應5種組合工況：中國規范在每種主要荷載工況下采用同樣的計算公式，通過調整組合值系數來考慮主要作用和次要作用中各作用間的關系，通過長短期組合的定義豐富荷載組合的內涵，總體而言，英國規范對組合的規定更為直接，對比結果如表2所示。

表2 中國規范和英國規范關于荷載分項系數的對比

此外，英國規范承載能力極限狀態下結構安全系數全取γf3=1.1，中國規范承載能力極限狀態下結構重要性系數根據不同的安全等級分成三檔：1.1～0.9三檔。英國規范的規定更嚴格。

2 內力計算結果對比

2.1 算例概述

科倫坡外環高速路項目主線高架橋橋標準段采用30 m跨徑預應力混凝土簡支工字梁結構。上部結構標準4車道單幅橋寬11.65 m，設置7片工字梁，板梁間距1.7 m。單片工字梁構造如圖1所示，梁高1.833 m，上翼緣寬1.06 m，下馬蹄寬0.711 m，腹板厚0.203 m，每片梁設4道15～12預應力鋼絞線，上翼緣兩側各設置有牛腿，其上擱置橋面板現澆模板。單跨橋中設置2道端橫梁和2道中橫梁。

本文采用符合英國標準SAP CSibridge橋梁設計軟件建立上部結構單幅橋空間梁格模型，分別施加英國規范和中國規范的荷載參數，各自得出橋梁內力結果。建立的SAP空間梁格模型如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

2.2 內力單項結果對比

表3列出了采用中國規范和英國規范計算對30 m標準跨橋梁主要單項結果的對比。從結果上可知，兩國規范計算的單項值差別較小，主要體現溫度梯度作用上。

表3 中國規范與英國規范單項計算結果對比

2.3 內力組合結果對比

內力組合計算結果如圖2所示。在承載能力極限狀態下，彎矩計算結果中國規范較英國規范大7%，剪力計算結果中國規范較英國規范大26%。其主要原因是中國規范在承載能力極限狀態下考慮車輛沖擊系數較英國規范大，且在計算剪力時中國規范有考慮20%的增大系數。

圖2 計算結果對比圖

同理，在正常使用極限狀態下，彎矩計算結果英國規范較中國規范大27%，剪力計算結果較中國大12%，由于中國規范在正常使用極限狀態下不計沖擊系數，同時在長期和短期組合下活載、風載和溫度荷載均乘以組合值系數，對最后組合值削減較大。因此，影響兩國規范內力計算結果差異的主要因素是組合要求和組合系數。

2.4 撓度結果對比

兩國規范對撓度計算的規定也有較大差異，中國規范根據結構靜力分析方法進行計算，英國規范按照采用應力曲率計算法進行查表計算，撓度形狀與曲率關系表達式1/rx=d2a/dx2，用簡化方法求出計算撓度為a=KL2/rx。

對于中國規范， 正常使用極限狀態分為短期組合和長期組合，計算撓度按短期效應組合并考慮長期影響。英國規范僅有一種正常使用極限狀態。

對計算模型進行比對分析，在車輛活載作用下，實例橋梁按中國規范計算所得的跨中撓度值為14.8 mm，按英國規范計算撓度值為12 mm。應力曲率計算法是一種近似計算方法，用簡化計算方法會對梁產生計算偏差。

3 結 論

中國規范和英國規范相比，從規范內容和實例橋梁計算結果上，有以下幾點差異。

(1)中英兩國規范車輛活載定義各有不同的方法，計算結果差別較小，英國規范在對車輛附加荷載的定義上更詳細。根據實例模型計算對比顯示，影響計算結果的因素主要是荷載極限狀態的組合要求和組合系數。

(2)英國規范對風荷載和溫度荷載的定義較中國規范更詳細，中國規范規定的梯度溫差形式與英國規范的規定差距較大，計算所得的溫度內力對結構設計影響也較大。

(3)中國規范采用靜力方法計算撓度，英國規范采用應力曲率計算法計算撓度，中國規范的方法更直觀準確，英國規范的方法及其表格相較常規橋梁結構使用時較為方便。