對2015版公路鋼結構橋梁設計規范若干條文的理解與思考

劉甜甜 陳正星 陳耀軍 王亞萍

摘要 通過對比中日幾本鋼結構設計規范，對受壓加勁肋剛柔性判斷、彎剪復合應力、角焊縫計算長度及鋼箱梁隔板需求剛度等內容，總結出設計中對新版《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D60—2015）（以下簡稱“規范”）的幾點體會，供設計人員在實際工程中參考使用。

關鍵詞 受壓加勁肋; 剛柔性判斷; 橫隔板; 需求剛度

中圖分類號 U442.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0181-03

0 引言

近年來，隨著國家政策引導，鋼結構橋梁應用越來越多。1986年版公路鋼結構橋梁規范，編制年代久遠，已經遠遠不適應公路鋼橋建設發展的形勢需求。2009年，國務院要求交通運輸部組織開展了在建橋梁改用鋼結構論證分析，2013年，中國鋼結構協會組織編寫了“鋼結構在建設領域中推廣應用的方案”，同時隨著環保、可持續發展理念逐步完善，人工成本提升，鋼結構越來越具有經濟技術優勢，大力推廣碳排放量低的鋼結構橋梁勢在必行，新版《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D60—2015）[1]應運而生。各設計單位對該規范部分條文理解不同而產生意見分歧，鑒于該規范整體框架與《日本道橋示方書·鋼橋篇》[2]類似，該文結合上述兩本規范和國內其他鋼結構規范，對公路鋼結構橋梁設計規范部分條文予以探討，希望對這些分歧意見的統一有所裨益。

1 對公路鋼結構橋梁設計規范部分條文的理解與思考

1.1 關于鋼結構沖擊韌性

對于基材與焊縫，公路常規鋼結構橋梁采用低合金高強度鋼，沖擊韌性規定不明確。鐵路鋼橋均用橋梁用鋼，沖擊韌性規定明確。例如對沖擊試驗部分的低溫沖擊功，該規范要求焊縫不低于基材，無論焊縫還是基材都需滿足34J（Q345），可能會造成鋼廠供貨按照滿足34J出廠，但焊接后就不能滿足34J的要求。可以借鑒《鐵路橋梁鋼結構設計規范》（TB 10091—2017）[3]附錄A中寫法進行明確。

1.2 關于抗傾覆驗算

規范在4.2.2條[1]采用抗傾覆穩定系數來驗算，但對具體指標及機理描述未知，設計應用存在一定困難。指標建議按照國標《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》（50917—2013）[4]增加約束的扭轉角，并參考《日本道橋示方書·鋼橋篇》[2]在1恒+2活（或不利風）組合下不出現負反力。

1.3 關于撓度驗算

規范表4.2.3[1]表注：當荷載作用于一個跨徑內有可能引起該跨徑正負撓度時，計算撓度應為正負撓度絕對值之和。規范本身條文規定主要針對懸索橋或拱橋制定的，而實際工程中，部分設計者對于梁橋仍舊采用不同跨產生的正負撓度絕對值之和，對于梁高受限情況下，不得不加厚頂底板厚度提高截面慣性矩從而提升剛度滿足規范要求，造成不必要的材料浪費。李喬在《公路橋規撓度限值方式討論》[5]一文中表明，即使懸索橋或大跨度拱橋，一跨內正負撓度相加也存在一定爭議。

1.4 關于受壓加勁肋剛柔性判斷

張華敏[6]關于5.1.6條條文進行了公式推導，規范中計算橫向加勁肋相對剛度公式分母中a應為b。該條文引自日本橋梁設計規范，分母中a修改為b后，公式基本與日本一致。

橫向加勁肋的相對剛度規范原公式：

（1）

建議調整公式：

（2）

公式中字母意義同該規范。

《日本道橋示方書·鋼橋篇》[2]4.2.5款公式如下：

式中：α為加勁板縱橫尺寸比，α=a/b，a和b字母意義同該規范;α0為加勁板縱橫尺寸比界限，;為縱向加勁肋相對剛度比，;其余字母參數意義見《日本道橋示方書·鋼橋篇》4.2.5款。

下面通過一個小例子來驗證：

已知：腹板間距：4 400 mm，隔板間距：6 000 mm，

中間插入2道橫肋，頂板設置14道板式縱向加勁肋，加勁肋尺寸為（220×20）mm，橫肋采用倒T型，腹板尺寸為（420×20）mm，翼緣尺寸為（320×20）mm，鋼材均采用Q345C鋼材。計算結果見表1：

由表1可知，采用修改后公式計算與日本公式計算結果基本一致。如仍采用原規范公式計算，為了滿足剛性加勁肋要求，必須增大加勁肋尺寸，造成了材料浪費。

1.5 關于腹板縱向加勁肋設置高度

規范第5.3.3條，當腹板需要設置1道縱向加勁肋時，設置高度為距離翼緣板為0.2倍的腹板高度，當需要設置2道縱向加勁肋時，設置高度分別為0.14和0.36倍腹板高度。在條文說明中提到，本條規定基于中性軸位于腹板中心附近，當腹板受壓區高度相對于腹板高度很大時，應采用其他更精確的方法計算。在組合梁設計時，當設計為恒載組合梁（混凝土面板和鋼主梁形成組合截面之后共同承受恒載和活載），對于小跨度簡支組合梁而言通常中性軸位于混凝土橋面板或距離上翼緣很近，腹板加勁肋需求弱。在設計中應搞清楚規范本意，合理應用，以免浪費材料或結構不安全。此外梁高很高時，不僅僅需要布置兩根縱向加勁肋，希望規范補充明確。

1.6 第一體系、第二體系疊加的問題

在鋼箱梁橋設計中，常規設計方法是將頂板正交異性橋面板采用第一體系和第二體系應力疊加控制結構設計。第一體系：作為縱腹板主梁的上翼緣組成部分，頂板及縱向加勁肋參與主梁體系的受彎承載，同時主梁體系需要考慮剪力滯效應、局部穩定造成的有效寬度折減。此效應采用車隊荷載的等價活載——車道荷載。第二體系：車輪荷載縱向傳遞給橫隔板，此效應必須考慮輪載特性。桿系模型的縱向計算中并不建立橫隔板（也沒法建立），忽略了頂板縱肋將力流引導到橫隔板的這個力流流向，因此需要額外計算頂板加勁肋被隔板支撐的第二體系，與第一體系應力疊加。

日本鋼箱梁橋面通常設置60～80 mm澆筑式瀝青鋪裝。在冬季時鋪裝硬化，對荷載有一定擴算作用，但在夏季鋪裝軟化，荷載擴散效用大打折扣，因此不考慮鋪裝層擴散。同時考慮第一體系和第二體系時時容許應力可提高40%[4]，而國內設計習慣是第一體系與第二體系應力疊加并不折減。

此外與各大設計院溝通，設計者計算第二體系應力時，采用1.8的車輛分項系數，而實際情況對于從來不跑三聯軸的橋梁，理論上不需要采用1.8的分項系數。

而在我國規范中并未見相關條文，希望規范補充明確。

1.7 彎剪復合應力驗算

5.3.1-6條公式右側為1[1]，對比《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》（JTG/T D64-01—2015）[7]7.2.2-3條和《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》（GB 50917—2013）5.2.2條[4]，該規范多了1.1（結構重要性系數）×1.1（點應力放大系數）=1.21倍，顯然該規范折算應力控制過嚴，建議公式右側調整為1.1。

彎剪復合應力規范原公式：

（10）

建議調整公式：

（11）

1.8 關于角焊縫計算長度

6.2.19條[1]，規范規定側面角焊縫計算長度，當承受動荷載時，不宜大于50hf;當受靜荷載時，不宜大于60hf。當計算長度大于上述數值時，其超過部分在計算中不予考慮。在計算支承加勁肋角焊縫強度時往往會遇到焊縫長度不夠后加大角焊縫尺寸問題，造成焊縫材料浪費和增加焊接工作量。該條文出自《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）[8]，新版《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）[9]條文中對此進行了修訂：11.2.6明確角焊縫計算長度可以超過60hf但不應超過180hf，超過60hf時，焊縫承載力設計值乘以折減系數αf：

（12）

公式中字母意義同《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）。夏志斌[10]在書中也有明確。

1.9 關于鋼箱梁橫隔板需求剛度

針對8.5.2條條文說明[1]，部分設計者對該條文的應用存在一定誤解。對于鋼箱梁橋，國內設計習慣采用單箱多室結構，設計者仍舊采用該規范驗算結構。實際上，規范公式中主扇慣矩應為畸變翹曲慣矩，只針對單箱單室或對稱雙室有解析解，而規范給出的解析解僅針對單箱單室情況。

該規范條文在假定橫隔板相對剛性的基礎上參考日本經驗限制隔板間距及剛度要求用于控制箱梁畸變翹曲正應力。當等效跨徑L<50 m時，實際橫隔板間距LD≤6 m，但計算需求剛度時，LD≤6 m時，取6 m計算（日本大量實際橋梁小跨徑隔板間距6 m左右沒有安全問題，允許間隔最大6 m）。

當等效跨徑L大于50 m時，實際橫隔板間距與等效跨徑相關，且不宜大于20 m（長大跨徑放寬隔板間距要求，但也不宜大于20 m。實際考慮施工過程制造運輸及加工，隔板間距也一般在6 m左右）。

理論上規范公式對橫隔板剛度要求過高，從精細化設計出發，可以采用薄壁桿件理論或有限元方法計算真實應力狀態，優化橫隔板設計。

2 結語

由于對《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）部分條文的理解不同，造成在規范執行中產生意見分歧，有必要作進一步探討和說明。另外規范在部分條文中存在紕漏，希望補充修正。該規范結合最新的極限狀態法設計理念，同時很多內容脫胎于容許應力法，規范編制經費有限，時間倉促，些許紕漏在所難免。未來國內一定會有結合國內實情、基于最新實驗和相關科研課題而自成體系的中國規范。

參考文獻

[1]公路鋼結構橋梁設計規范：JTG D64—2015[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

[2]社團法人.道路橋示方書·同解說Ⅱ·鋼橋篇（H29）[M].東京：日本道路協會，2017.

[3]鐵路橋梁鋼結構設計規范：TB 10091—2017[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[4]鋼-混凝土組合橋梁設計規范：GB 50917—2013[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[5]李喬.公路橋規撓度限值方式討論[EB/OL]. https：//mp.weixin.qq.com/s/4t1CJ2CcCseieF-Y5f-KSA.

[6]張華敏.加勁板橫向加勁肋剛性判斷公式的一種推導[J].上海公路，2019（1）：61-63+5.

[7]公路鋼混組合橋梁設計與施工規范：JTG/T D64-01―2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[8]鋼結構設計規范：GB 50017—2003[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[9]鋼結構設計標準：GB 50017—2017[S].北京：中國建筑出版社，2017.

[10]夏志斌.鋼結構設計：方法與例題[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2005.