中歐橋梁設計規范對比分析

李天超

(廣西樂望高速公路有限公司，廣西 南寧 530021)

0 引言

近年來，著眼于“一帶一路”倡議，中國基建企業有更多機會赴海外投資和拓展業務，但是絕大部分企業長期以國內經營為主，缺乏海外工程經驗，尤其是面對全新的設計規范，往往會因為對規范體系的不熟悉而導致設計面臨重大風險，直接導致經濟和信用損失。

規范是橋梁設計的基礎，為橋梁設計提供支撐并具有法律效應，對指導橋梁設計有著非常重要的作用。各國制定設計規范的基本原則是一致的，但受自身經濟發展水平和國情差異等因素的影響，規范在相應方面的側重也不同。

(1)中國規范由兩本基本橋梁規范組成，分別是《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)。中資企業近幾年在“走出去”的同時也將中國標準帶出了國門，在非洲地區部分工程項目中得到了推廣應用。

(2)歐洲規范(Eurocodes)是最具理論性、系統性、權威性的結構設計規范，尤其在橋梁工程領域具有較強的指導性。歐洲規范經過多次修訂，在2006年正式頒布。自2010年之后，歐盟國家均統一采用歐洲規范，廢除各自抵觸的國家條款。如今，歐洲規范不僅成為歐盟國家的官方標準，也逐漸被許多非歐盟國家采用，包括絕大部分非洲國家。

筆者將針對中國規范和歐洲規范分別就以下幾個主要方面進行研究對比，希望能對同行在今后遇到相關設計問題時起到借鑒作用。

1 極限狀態設計法和使用年限

1.1 極限狀態設計法

中國規范和歐洲規范在極限狀態設計方面基本一致，均將結構分為兩種極限狀態：

(1)承載能力極限狀態：指結構發生倒塌或者結構體系失效的狀態。

(2)正常使用極限狀態：指結構體系或某一構件不能滿足部分使用功能時的狀態。

兩種狀態的側重點略有不同，前者側重結構安全性，而后者側重結構的適用性。

但歐洲規范將抗浮失穩和水力破壞單獨作為一種狀態進行考察，由此看出歐洲規范認識到了對不同狀態下結構的差異化要求。

1.2 使用年限

在橋梁結構設計使用年限方面，中國規范與歐洲規范的規定都是100年。鑒于目前我們對影響結構使用年限的相關因素的認識不夠充分，還不能精確預測結構的使用年限，只能大致估計結構和材料的長期使用性能，粗略地確定結構構件維修或者更換的周期，但明確結構的設計使用年限依然是有必要的：

(1)可以根據設計使用年限的長短確定用于結構設計的荷載，選擇時需要考慮材料性能的劣化，譬如臨時結構就不必進行抗震設計，也不必考慮結構的疲勞損傷。

(2)比選不同的設計方案和建造材料，平衡初期建造成本和后期養護費用，使結構全壽命成本達到最優。

(3)系統性地優化結構維修養護策略。

2 荷載組合

2.1 結構重要性系數

結構重要性系數是中國規范根據結構的重要性提出的專門系數，在歐洲規范中也有相類似的系數，但具體應用方式卻不盡相同：

(1)中國規范結構重要性系數分別為1.1、1.0 和0.9。

(2)歐洲規范采用的計算模型不確定性分項系數γSd與中國規范的結構重要性系數類似，在實際應用過程中，通常考慮將計算模型的不確定性分項系數和作用分項系數合并。

2.2 荷載組合

結構或構件在運營期間受恒荷載及其他活荷載的影響，荷載組合時應考慮多種荷載作用時的概率，因此需指定不同的荷載組合系數。由于不同荷載在結構上出現的組合和概率不同，所以規范需要通過采用不同的分項系數和組合系數來進行結果分析。

2.2.1 中國規范組合要求

(1)組合的原則

中國規范通過頻遇系數來考慮不同荷載出現的概率，疊加考慮所有荷載工況。

(2)存在的問題及特點

盡管考慮所有可能發生荷載的組合，但采用的荷載折減系數一樣，沒有考慮到荷載作用的主次。

規范中沒有明確偶然工況參與荷載組合的量化要求。

2.2.2 歐洲規范要求

(1)組合的原則

首先確定結構的主導可變作用，包括參與組合的荷載類型及相應的荷載布置(位置、大小和方向)，主導與非主導可變作用采用不同的分項系數，這就會有很多種不利荷載組合，設計過程中難以明確最不利荷載組合。

(2)存在的問題及特點

歐洲規范的規定相對較為籠統，且設計需考慮的荷載工況較多，設計工作量較大，需要深入理解規范意圖，避免產生誤解。

3 材料

中國規范的混凝土強度等級是按立方體試件的抗壓強度標準值確定；歐洲規范對混凝土抗壓強度是按圓柱體試件和立方體試件的不同均有要求，分別用fcu和fck，cube表示，但混凝土強度等級是按圓柱體試件的抗壓強度標準值fck，cube確定的。中國規范通過不同標號混凝土的換算系數及脆性折減系數確定抗壓強度標準值；歐洲規范則通過混凝土結構材料強度分項系數確定抗壓強度標準值，如表1所示。

表1 普通鋼筋、鋼絞線分項系數比較表

4 荷載

橋梁結構根據橋址地域性和結構功能性的不同，承受不同的直接和間接荷載。常見的荷載有：結構自重、汽車、人群、溫度、風、雪、波浪、浮冰等常規荷載，另外還包括諸如船(車)撞荷載和地震荷載等一些偶然荷載。

不同國家規定的荷載均有差異，如溫度荷載因所處地域的不同而有差異，對所有荷載進行對比是一項極具挑戰性的任務，本文僅針對橋梁的主要荷載——活荷載進行對比分析，以期能基本反映不同國家的荷載規范。

4.1 標準值的取值

4.1.1 中國規范

按照公路Ⅰ級車道荷載標準規定：

均布荷載集度為qk=10.5kN/m，集中荷載Pk取值如表2所示，車道荷載布置如圖1所示。

表2 集中荷載Pk取值表

圖1 中國規范車道荷載布置圖

4.1.2 歐洲規范

歐洲規范規定了4種豎向荷載模式(見圖2)：

(a)

(b)

荷載模型1(LM1)：由雙軸四輪集中力(TS)和均布力(UDL)組成，覆蓋了絕大多數卡車和轎車的荷載效應，用于橋梁結構的整體驗算和局部驗算。

荷載模型2(LM2)：為一單軸雙輪的集中力，作為LM1荷載模型的補充，主要用于跨徑為3～7m的橋梁驗算。

荷載模型3(LM3)：由一系列的標準車輛模型組成，主要用于特殊交通情況下的橋梁整體和局部驗算。

荷載模型4(LM4)：為一均布荷載，用于考慮橋梁滿載人群的特殊情況。

其中LM1荷載與中國規范的公路Ⅰ級車道荷載類似，作為主要的驗算荷載。

4.2 活載車道折減

當橋面設置兩個車道以上時，從概率論的角度考慮，很難使每條車道上均處于滿載狀態。中國規范采用橫向折減系數來考慮，如表3所示。而歐洲規范分別對每一個車道都定義了荷載標準，其優點在于能體現出荷載的偏心影響(見表4)。橋梁計算跨徑>150m時，中國規范考慮了車道荷載的縱向折減，而歐洲規范沒有考慮此項因素。

表3 橫向車道布載系數表

表4 荷載模型LM1標準值表

以目前高速公路建設當中常用的30m跨徑為例，對中歐規范規定的汽車活載進行比較，結果如圖3所示。

(a)均布荷載(UDL)

(b)集中荷載(TS)

(c)車道荷載合計

通過圖3荷載對比可看出，歐洲規范集中軸載僅在前三個車道有規定值，超過三個車道后集中軸載為0，但歐洲規范規定的集中軸載值在7個車道以內均大于中國規范，且四個車道以內差距較大，超過中國規范40%以上。且歐洲規范的均布荷載也明顯大于中國規范，差值在70%以上。在兩項荷載合計值方面，中、歐洲規范差值在44%以上。

現實中我國超載車輛隨處可見，重載車引起橋梁垮塌的事件屢有發生，相應提高活載的等級以降低橋梁損毀事故的發生已很有必要。

5 耐久性設計

在耐久性設計方面，歐洲規范與中國規范的條款基本一致，在不同環境下，從混凝土配合比設計、結構細節設計、施工等方面采用不同的耐久性方案。下面以混凝土保護層厚度為例，介紹中、歐規范的異同。

歐洲規范在規定混凝土結構保護層厚度時，從以下三個方面考慮：(1)鋼筋向混凝土傳力的需要；(2)保護鋼筋不受環境侵蝕的需要；(3)耐火的需要。

歐洲規范中，混凝土保護層厚度cnom計算如式(1)所示：

cnom=cmin+Δcdev

(1)

式中：cmin——混凝土最小保護層厚度；

Δcdev——設計容許偏差，有國家附錄指定，推薦值取10mm。

設計中最小混凝土保護層應同時滿足粘結和環境要求，cmin應按式(2)取較大值：

cmin=max{cmin,b;cmin,dur+Δcdur,r-Δcdur,st-Δcdur,add;

10mm}

(2)

式中：

cmin,b——保證鋼筋與混凝土有效粘結的最小保護層厚度；

cmin,dur——保護鋼筋不受環境侵蝕的需要的最小保護層厚度；

Δcdur,r——附加安全厚度；

Δcdur,st——鋼筋采用不銹鋼可適當減少的保護層厚度；

Δcdur,add——應用特殊保護措施可適當減少的保護層厚度。

式中Δcdur,r、Δcdur,st、Δcdur,add采用遵守歐洲規范的國家各自附錄規定，歐洲規范建議值為0。

中國規范在規定混凝土結構保護層厚度時，從兩個方面考慮：(1)保證握裹層混凝土對鋼筋的錨固；(2)保護鋼筋不受環境侵蝕的需要。與歐洲規范相比，中國規范未考慮耐火需要對混凝土保護層的要求。

中國規范關于最小混凝土保護層厚度的規定如表5所示。

表5 混凝土保護層最小厚度cmin取值表(mm)

從表5分析來看，在進行結構耐久性設計時，歐洲規范考慮了粘結、環境、耐火等方面，而中國規范主要考慮了環境方面的要求，粘結方面的考慮也是在前不久修訂的2018版規范中新增加的。由此可見，相比中國規范，歐洲規范考慮更全面，這與歐洲規范廣泛用于土木工程領域(不僅限于橋梁工程)也有一定關系。

6 承載力計算

在承載力計算原理方面，歐洲規范與中國規范基本一致，只是在一些細節規定方面略有不同。

歐洲規范計算正截面承載力的基本假定：

(1)正截面在彎曲變形后仍保持平面。

(2)鋼筋(預應力鋼筋)與周圍混凝土應變相同。

(3)忽略混凝土抗拉強度。

(4)混凝土本構關系假定為拋物線，當fck<50MPa時，混凝土極限壓應變取0.0035；當fck≥50MPa時，按理論公式計算。

(5)在鋼筋設計強度范圍內，鋼筋應力為鋼筋彈性模量與應變的乘積。

(6)需考慮鋼筋初應變。

中國規范計算正截面承載力的基本假定：

(1)構件彎曲后，其截面仍保持平面。

(2)受拉區不考慮混凝土的抗拉強度。

(3)在鋼筋設計強度范圍內，縱向體內鋼筋應力為鋼筋彈性模量與應變的乘積。

結合來看，中國規范中的三點基本假定在歐洲規范中均有相應要求，歐洲規范規定的其他三個基本假定包括鋼筋與混凝土粘結、混凝土受壓本構以及預應力筋初應變等在中國規范中也有相關規定。

在承載力計算公式方面，以單筋截面為例，歐洲規范的計算公式如式(3)所示:

As=ηfcd(λx)b/fyd

x=Asfyd/(ηfcdλb)≤xlim

(3)

Md=ηfcd(λx)b(h0-0.5λx)

式中：xlim——最大混凝土受壓區高度，保證結構破壞時為延性破壞。

中國規范的計算公式如式(4)所示:

As=fcdbx/fyd

x=Asfyd/(fcdb)≤ξbh0

(4)

Md=fcdbx(h0-0.5x)

式中:ξb——界限受壓區高度，避免結構出現超筋。

為了避免結構的破壞形式為脆性破壞，中國規范規定了界限受壓區高度，與歐洲規范相應的最大混凝土受壓區高度要求一致。

7 結語

(1)在設計原則和方法方面，歐洲規范與中國規范基本一致，但是在材料取值、荷載系數、作用組合、耐久性設計以及結構設計中略有不同，在應用歐洲規范進行橋梁設計時應注意細節方面的差異。

(2)國家附錄是歐洲規范重要的組成部分，是不同國家實際情況的體現，因此在不同國家進行橋梁設計時執行國家附錄是很有必要的。

(3)中國規范的條款往往是推薦性和建議性的，要求有經驗的工程師根據自身認識水平和專業能力去靈活使用規范，部分情況下可不受規范約束去設計，但任何的法律責任都由設計者承擔；而中國規范往往給出的強制性條款居多，這就限制了設計者的發揮，固化了設計者的思維。

(4)近年來，部分中資企業在開展國外項目時采用了“規范混編”的模式，忽視了規范體系本身的完整性和適應性，導致項目進展緩慢等。筆者推薦采用同一規范體系的標準進行設計，即便是中國規范走出去，也應成套體系推薦使用，避免出現混編形式，最終導致出現業主、監理等各方難以接受的結局。