中美公路桥梁设计规范对比研究

鲁玉忠，于剑丽，宋银平

(黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003)

目前中国建筑行业进入国际市场的份额日渐增多，近几年国内公司在南美国家相继承揽了一些大型水利水电、公路桥梁工程项目，在合同中都明确写明采用美国规范，我公司在承接厄瓜多尔CCS项目工程设计中也是如此。笔者参加了厄瓜多尔CCS项目中的公路桥梁设计，在设计过程中对中美两国桥梁规范进行了一些研究工作，对中国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)［1]、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)［2](以下简称中国桥梁规范)和美国公路桥梁设计规范［3](以下简称美国桥梁规范)进行对比，找出两国规范的差异。中美桥梁规范主要区别是:(1)设计方法不同;(2)汽车荷载取值不同;(3)荷载组合系数不同;(4)计算基本假定和截面抗弯承载力表达式不同;(5)混凝土标准试件的尺寸及保证率不同。本文通过对单跨6～35 m标准跨径汽车活载工况跨中弯矩计算统计，找出两国规范活载效应差别，并通过标准跨径配筋计算，给出因规范差异导致截面配筋的具体变化，总结出几点设计体会，对我国公路桥梁设计规范的改进和修订提出建议。

1 设计方法

1.1 中国桥梁规范

中国桥梁规范采用极限状态设计法，设计表达式

式中 γ0——桥梁结构的重要性系数;

S——作用(或荷载)效应(汽车荷载应计入冲击系数)的组合设计值;

R(·)——构件承载力函数;

fd——材料强度设计值;

ad——几何参数设计值。

1.2 美国桥梁规范

美国桥梁规范采用荷载抗力设计法(Load and Resistance Factor Design)，公式中“荷载”一侧，在力效应、荷载系数基础上乘以关于延性、超静定和运营重要性的综合系数;“抗力”一侧，采用公称抗力(各种材料强度标准值及几何参数计算出的抗力)乘以一个各种构件取值不同的抗力系数

式中 η——关于延性、超静定和运营重要性的系数;

Yi——荷载系数;

Qi——力效应;

φ——抗力系数;

Rn——公称抗力;

ηD——有关延性的系数;

ηR——超静定性的系数;

η1——运营重要性的系数。

1.3 设计方法差异

(1)我国桥梁规范采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。而美国规范是以可靠度理论为基础，采用荷载抗力设计法，设计表达式没有分项系数。

(2)在“荷载”一侧乘以系数不同。

中美桥梁规范不同等级道路上桥梁结构乘以系数取值见表1。

(3)“抗力”一侧采用材料强度不同(表1)。

中国桥梁规范采用材料强度设计值，美国桥梁规范采用材料强度标准值。

表1 “荷载”一侧乘以系数对比

2 汽车荷载

2.1 中国桥梁规范

汽车荷载分为公路—Ⅰ级和公路—Ⅱ两个等级，由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成，计算图示见图1。公路—Ⅱ级车道荷载为公路—Ⅰ级荷载的0.75倍。

图1 公路—Ⅰ级车道荷载

2.2 美国桥梁规范

汽车荷载定名为HL-93，包括2种组合:设计货车与设计车道荷载组合;设计双轴与设计车道荷载组合。桥梁结构计算取2种组合较大者。设计货车轴重及轴距见图2。

图2 设计货车活载(单位:m)

设计双轴为1对110 kN的轴，轴距1.2 m。

设计车道荷载为9.3 kN/m的均布荷载。

2.3 汽车荷载差异

(1)活载布置及取值不同。

(2)横断面多车道折减系数不同。

两国桥梁规范横向车道折减系数见表2，可见，美国桥梁规范多车道折减系数高于中国桥梁规范，其单车道折减系数为中国规范1.2倍。

表2 横向折减系数对比

(3)冲击系数取值不同。

美国桥梁规范冲击系数为常数μ美=0.33，中国桥梁规范冲击系数μ中是与材料及连接方式关联的变量，随着跨径的增加逐渐减小，冲击系数对比见图3。

拟桥面宽8.5 m单跨6～35 m标准跨径，汽车活载工况的跨中弯矩见图4、图5。不计冲击系数，美国汽车活载效应介于我国公路-Ⅰ级与公路-Ⅱ级效应之间，为公路-Ⅰ汽车效应的0.75～0.91倍。计冲击系数，美国汽车活载效应在6～8 m跨径范围效应小于我国公路-Ⅱ级，为公路-Ⅱ级效应的0.92～0.93倍，在10～35 m跨径范围介于我国公路-Ⅰ级与公路-Ⅱ级效应之间，为公路-Ⅰ级效应的0.78～0.95倍。

图3 冲击系数对比

图4 不计冲击系数各跨中弯矩

图5 计冲击系数各跨中弯矩

3 荷载组合系数

中美桥梁规范主要荷载组合系数对比见表3。

表3 荷载组合系数对比

桥面宽8.5 m，单跨6～35 m标准跨径，中国桥梁规范基本组合、美国桥梁规范组合Ⅰ，跨中弯矩对比见图6。美国汽车活载效应在6～10 m跨径范围介于我国公路-Ⅰ级与公路-Ⅱ级效应之间，为公路-Ⅰ级效应的0.86～0.98倍;在13～35 m跨径范围汽车效应大于我国公路-Ⅰ级，为公路-Ⅰ级效应的1.07～1.11倍。

图6 汽车活载组合跨中弯矩

4 计算基本假定和截面抗弯承载力表达式

4.1 计算基本假定

(1)构件弯曲后，其截面仍保持为平面，两国规范规定相同。仅极限压应变εcu规定不同，美国桥梁规范取值为0.003，中国桥梁规范根据混凝土强度等级不同取值为0.003 3～0.003。

(2)截面受压混凝土应力图简化为矩形，忽略混凝土抗拉强度，两国规范规定相同。

(3)中国桥梁规范，混凝土和钢筋采用强度设计值;美国桥梁规范，混凝土采用28 d抗压强度，钢筋采用最小屈服强度。

4.2 截面抗弯承载力表达式

中国桥梁规范

式中 Md——弯矩组合设计值;

fcd——混凝土轴心抗压强度设计值;

fsd——纵向钢筋抗拉强度设计值和抗压强度设计值;

As——受拉区、受压区纵向钢筋截面面积;

b——矩形截面宽度;

h0——截面有效高度;

x——混凝土受压区高度。

美国桥梁规范

式中 Mn——公称抗力;

β1——混凝土应力块系数;

b——矩形截面宽度;

c——混凝土受压区高度;

As——受拉区、受压区纵向钢筋截面面积;

fy——纵向抗拉钢筋最小屈服强度和抗压钢筋最小屈服强度;

ds——从最外受压混凝土边缘到纵向钢筋质心的距离;

5 混凝土标准试件尺寸及保证率

5.1 中国桥梁规范

中国桥梁规范的混凝土强度等级采用150 mm×150 mm×150 mm立方体试件28 d的抗压强度，钢筋和混凝土保证率是一致的，即95%，其强度标准值公式

式中 fcu，k——混凝土强度等级;

μf150——立方体抗压强度平均值;

σf150——混凝土样本标准差;

δc——混凝土样本变异系数，见表4。

表4 中国桥梁规范混凝土的变异系数

式中 fyk——钢筋强度标准值;

Sy——钢筋强度样本标准差;

δy——钢筋强度样本变异系数。

5.2 美国桥梁规范

美国材料试验方法ASTM规定，混凝土强度采用直径150 mm、高度为300 mm圆柱体试件28 d的抗压强度f'c作为混凝土的强度指标，具有98%的保证率，它在意义上相当于我国的棱柱体试件轴心抗压强度标准值。混凝土配合比平均抗压强度［4]:

f'c≤35 MPa时，取式 (10)、(11)中大值

Ss——混凝土样本标准差。

美国桥梁规范关于钢筋强度要求钢筋测定的最低值不低于设计取值，具有99.9%的保证率，其标准值表达式

中、美两国桥梁规范混凝土强度对比见表5，美国混凝土抗压强度为中国混凝土强度等级的0.74～0.82倍，随着混凝土强度等级的提高，强度差别也越大。本文忽略标准试件尺寸的差异，仅分析抗压强度保证率方面的区别。

表5 中美桥梁规范混凝土强度对比

6 算例

以标准跨径6 m装配式钢筋混凝土梁为例，单块中板截面尺寸如图7所示，二期恒载为7.8 kN/m，梁自重为7.36 kN/m，C30混凝土、HRB335主筋，净保护层厚度为3 cm，不配置受压钢筋。

图7 中板截面(单位:mm)

6.1 中国桥梁规范

fcd=13.8 MPa，fsd=280 MPa，γ0=1.0;M自重=29.83 kN·m，M二期=31.61 kN·m，M活=131.86 kN·m，Md=258.34 kN·m。计算跨中下缘配筋 As=3 089 mm2。

6.2 美国桥梁规范

中国材料标准强度fcd=13.8 MPa，fsd=280 MPa换算美国规范后1.05，M自重=29.83 kN·m，M二期=31.61 kN·m，M活=92.31 kN·m，Mn=246.25 kN·m。计算跨中下缘配筋 As=3 236.60 mm2。

中美桥梁规范截面配筋计算对比见表6。

表6 中美桥梁规范截面配筋计算对比

采用美国规范，在实际工程设计中，普通钢筋混凝土梁，一般采用，其他计算参数不变，则计算跨中下缘配筋As=2 229.18 mm2;截面所需配筋明显减少，主要为采用高强材料所致。

7 结论

(1)通过对中、美两国桥梁钢筋混凝土规范中设计方法、设计参数取值、设计荷载及荷载组合、材料保证率等方面对比，指出了规范差异之处，并通过实例说明了两国规范设计的具体差异。

(2)横断面多车道折减系数美国桥梁规范高于中国桥梁规范。

(3)单跨13 m以上，组合后汽车活载效应HL-93高于公路-Ⅰ级。

(4)美国混凝土抗压强度是中国混凝土强度等级的0.74～0.82倍，随着混凝土强度等级的提高，强度差别越大。

(5)高强度混凝土、钢筋等材料，在国外广泛应用于工程中。

(6)建议尽快组织我国公路桥梁规范英文版翻译工作，便于为工程相关的咨询及业主单位交流，便于与其他国际规范对比。

［1]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范［S].北京:人民交通出版社，2004.

［2]JTG D60—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S].北京:人民交通出版社，2004.

［3]AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，Fifth Edition［S].A-merican Association of State Highway and Transportation Officials，2010.

［4]ACI 318-11.Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI 318-11)and Commentary［S].American Concrete Institute，2011.

［5]高策，薛吉岗.铁路桥梁结构设计规范由容许应力法转换为极限状态法的思考［J].铁道标准设计，2012(2):41-45.

［6]郭丰哲.基于美国规范的预应力混凝土梁桥设计［J].铁道标准设计，2010(2):45-49.