中英桥规简支预应力梁桥验算对比与分析

於方莹 朱明娜

(浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006)

中英桥规简支预应力梁桥验算对比与分析

於方莹 朱明娜

(浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006)

对中国桥梁规范JTG和英国桥梁规范BS5400中结构验算部分进行了比对和分析，并选取在建海外桥梁工程，采用中英两国规范分别对30 m跨径简支工字梁进行验算比较，比较结果显示，中国规范的公式和方法更为简洁，便于工程设计，控制要求比英国规范严格。

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1 概述

我国高等级公路设计与施工能力不断增强，涉外项目也逐渐增多，很多项目均执行国外标准，其中英国规范BS5400是英联邦及其前殖民地国家和地区仍在主要使用的规范之一。英国高速公路建设和管理发达，其标准规范体系也较为完备。英国公路管理局(Highway Agency)发布了公路技术标准规范涵盖了英国高速公路和干线道路的设计、施工、养护、运营等方面，其中BS5400的第四部分是混凝土桥设计操作规范。主要包括钢筋混凝土、预应力混凝土以及预制、组合混凝土构件设计。相对应的中国规范为JTG—D62公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范。本文比较中英两国规范中混凝土结构验算的差异，并通过比较算例计算结果进行进一步分析。

2 正常使用极限状态下验算对比

2.1 混凝土应力控制要求

表1列出了中英两国规范对钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的应力要求。中国规范在给出混凝土的设计压力控制值时，以强度标准值fck(ftk)和强度设计值的形式给出，而英国规范均以立方体抗压标准强度fcu的形式给出，为保证两国规范的可比性，将中国规范规定的限值转换成以立方体抗压强度fcu表示。

从表1中可以看出两国规范均将混凝土构件分成普通钢筋混凝土构件、预应力混凝土A，B类以及全预应力混凝土构件三种情况。在正常使用极限状态，中国规范应力控制要求比英国规范严格；而在施工阶段，英国规范比中国规范严格。

2.2 钢筋应力控制要求

英国标准BS5400用屈服强度规定了钢筋等级为G460和G250两种，材料性能分项系数γm=1.15，中国规范也根据屈服强度将钢筋划分了4个等级：HPB300，HRB335，HRB400，HRB500。中国规范规定钢筋的材料性能分项系数γm=1.2。实际设计值控制要求对比如表2所示。国内工程主要采用HRB400钢筋，与英国BS5400规范中规定的G460钢筋抗拉和抗压设计值基本相同，但中国规范钢筋留有更大的安全余量。

表1 中英规范混凝土应力控制要求

表2 中英规范钢筋应力控制要求 MPa

2.3 钢束应力控制要求

英国规范所规定的钢束材料性能分项系数γm=1.15，在使用阶段，若钢束的张拉控制应力满足要求，且混凝土虚拟应力没有超限，则钢束应力无需验算。中国规范规定使用阶段的钢束应力限值为0.65fpk(0.65fpu)。

2.4 裂缝控制要求

英国规范和中国规范对裂缝的控制也跟环境条件相关。其中英国规范将环境条件分成恶劣(extreme)，非常严重(very severe)，严重(severe)和适中(moderate)四个等级，分别对应中国规范的Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ类环境。英国规范规定的容许裂缝宽度分别为0.1 mm，0.15 mm，0.25 mm和0.25 mm。而中国规范规定钢筋混凝土构件容许裂缝宽度为0.15 mm，0.20 mm；采用精轧螺纹钢筋的预应力混凝土构件为0.15 mm，0.20 mm；采用钢丝或钢绞线的预应力混凝土构件为不允许裂缝和0.1 mm。从对裂缝的控制要求来看，中国规范对裂缝的控制要求比英国规范严格，且中国规范应尽可能避免设计成预应力混凝土B类构件。

3 承载能力极限状态下规范要求对比

3.1 抗弯能力

对预应力混凝土结构，中国规范和英国规范承载能力极限状态下的计算式根据不同的假定进行计算，计算图式差异如图1所示。中国规范假定混凝土在一定范围的受压区内应力均达到极限，计算公式采用对预应力筋形心取矩的形式Mu=fcdbx(h0-x/2)；英国规范假定混凝土受压区应力为近似实际分布状态。计算公式采用对混凝土受压区形心取矩的形式，Mu=Tp(dp-yc)，仅当受压区混凝土等宽时，可采用简便计算式为：Mu=Tp(dp-0.5hy)。

3.2 抗剪能力

中英两国规范对抗剪能力的规定均包含抗剪截面验算和抗剪承载能力两个部分。

中国规范规定的抗剪承载能力计算式为γ0Vd≤Vcs+Vsb+Vpb；其中，Vcs为混凝土和箍筋共同承担项；Vsb为普通弯起钢筋承担项；Vpb为预应力钢筋承担项。英国规范将预应力筋和普通钢筋分开进行验算。其中，预应力筋和混凝土的作用，在考虑未开裂截面计算时为Vco=0.67bh(f2t+fcpft)0.5，在考虑开裂截面时为Vcr=0.037bdf0.5cu+McrV/M，若抗剪能力不够，再增加抗剪钢筋项，抗剪承载能力为V=Vc+0.87fyvdtAsv/sv。

3.3 抗扭能力

中英两国规范对混凝土截面的要求做出的规定，与抗剪能力对混凝土截面要求相同。

在满足截面要求的情况下，中国规范对矩形截面的抗扭计算式为：

英国规范对矩形截面的抗扭计算式为：

T=Ast/Sv×1.6x1y1(0.87fyv)。

中英两国规范中关于钢筋混凝土纯扭构件的承载力计算模型都采用了变角度空间模型。按此理论，抗扭钢筋有纵筋和箍筋两部分，中国规范用配筋强度比ξ来控制箍筋与纵筋之间的数量以及强度，英国规范也用As1/S1来表达箍筋和纵筋之间的强度要求。

4 验算对比

4.1 工程案例

某在海外实施的项目主线桥采用30m跨预应力混凝土简支工字梁结构，断面布置如图2所示。上部结构采用4车道，单幅桥宽11.65m，设置7片工字梁，板梁间距1.7m。单片工字梁构造及尺寸如图3所示，每片梁上翼缘两侧各设置有牛腿，其上搁置预制板，用作进行混凝土桥面板浇筑的模板。单片梁设置4束15-12高强低松弛预应力钢绞线。混凝土强度达到85%开始张拉。

30m跨径标准梁跨内设有2道端横梁和2道中横梁。预制各片工字梁架设完成后，在工字梁间完成横梁钢筋连接及混凝土浇筑，板梁间铺设预制隔板，然后现浇桥面板，最后完成桥面铺装施工。

本文采用SAPCSiBridge桥梁设计软件建立上部结构单幅桥空间梁格模型，分别施加中英两国规范的荷载参数，各自得出桥梁内力结果进行验算比较。建立的空间梁格模型如图4所示。

4.2 抗弯承载能力对比计算

图5示出了采用中英两国规范对模型的计算，两国规范的弯矩包络计算值英国规范比中国规范大10%以内。英国规范采用的按实际混凝土应力分布的方法计算所得的混凝土抗弯能力要比中国规范采用简化矩形分布大20%。

4.3 抗剪能力对比计算

图6示出了两国规范计算所得的剪力包络和抗剪能力包络。两国规范所计算的剪力值中国规范稍大，抗剪承载能力包络中国规范亦稍大，其值差距均小于10%。

4.4 抗扭能力对比计算

对于工字梁结构，腹板承担主要的抗扭作用，图7示出了中英两国规范对工字梁腹板的抗扭验算结果，计算所得的扭矩值差异在20%以内。抗扭承载力的计算公式中英两国规范差距较大，中国规范考虑剪扭耦合效应比英国规范强，比英国规范计算值更保守。

4.5 应力对比计算

图8示出了中英两国规范施工阶段张拉完毕最不利工况(短期效应组合)及使用工况下工字梁主梁上下翼缘的应力水平。在施工阶段，因预应力损失的计算差异，英国规范求得的最大压应力和最大拉应力均比中国规范大。使用阶段两国规范计算值差异在15%以内。

除对应力比较外，还考虑到两国规范预应力混凝土A类构件对应力的控制要求的差异，表3给出了按照两国规范给出的控制应力的应力冗余度对比，可知两国规范对应力的储备差别较小。

表3 应力冗余对比 MPa

5 结语

通过对以上的规范条文对比和实例桥梁的计算对比分析，用中英规范对桥梁进行验算可以得出以下几点结论：

1)正常使用极限状态下对混凝土应力，钢筋应力，钢束应力和裂缝宽度的规定，中国规范更为严格。

2)中英两国规范对承载能力极限状态下的计算原理相同，但对细节的规定上有一定差距，中国规范的计算假定，步骤及其参数的意义更贴近工程实际，更方便于设计。

3)中英两国规范，承载能力极限状态下的内力计算值差距在20%以内，但两国规范对抗力的验算有差别，故在抗弯验算和抗扭验算时中国规范偏安全，在抗剪验算上英国规范偏安全。

4)施工状态和正常使用极限状态下，中英两国规范的计算应力不同，但应力储备量差别较小。

[1]JTGD60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[2]JTGD62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]JTGB01—2014，公路工程技术标准[S].

[4]BS5400，Steel，ConcreteandCompositeBridgesPart2：Specificationforloads[S].

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Calculation & analysis comparison on simply supported PSC bridge under Chinese & British code

Yu Fangying Zhu Mingna

(ZhejiangProvincialInstituteofCommunicationsPlanning,Design&Research,Hangzhou310006,China)

In this article, by comparing the checking part of the Chinese code JTG and British code BS5400, a specific project undergoing overseas is selected as a calculation model. In this project, the 30 m span simply supported PSC I girder is adopted as the mainline structure. The results show that the checking methods and equations from JTG are more concise than those from BS, thus the JTG code is relatively more directly for designing, also, the checking criterion of JTG is more severe.

Chinese & British code, checking, comparison, redundancy

2015-02-28

於方莹(1982- )，女，工程师； 朱明娜(1963- )，女，高级工程师

1009-6825(2015)13-0177-03

U441.7

A