基于英标规范体系的混凝土桥梁设计方法研究

贾聪惠

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

随着我国提出的“一带一路”倡议不断深入，我国许多企业开始“走出去”，承接海外工程项目的建设。在国内，工程行业规定是要求必须采用现行最新发布的规范版本进行工程设计，而国外工程项目则是以业主要求为准则，在业主要求中通常会明确主要设计规范、允许参考引用的其他规范以及不同规范存在矛盾时的优先级次序等。

英国曾经在地球上有着广阔的版图，英国标准在全球也有着广泛的认可度和使用度，特别是在众多英联邦国家以及部分其前殖民地国家和地区。本文将结合坦桑尼亚乌本戈立交工程设计实例，从设计规范、结构设计方法、材料、荷载、结构分析计算等方面系统介绍基于英标规范体系的混凝土桥梁设计，同时为其他海外工程的设计与建设工作提供参考和借鉴，也有利于开拓海外市场，树立我国的国际形象。

1 英标规范体系与工程背景

1.1 英标规范体系

2010年4 月开始，欧洲规范逐渐代替与之相抵触的地区规范，但因为使用英标的英联邦国家以及前殖民地地区或国家数量众多，且部分国家不受欧盟约束，依旧采用英标，比如坦桑尼亚。BS 5400规范是英标规范体系的重要组成部分，是适用于钢桥、混凝土桥和组合桥设计、施工的一套国标。其基于极限状态进行设计，共包含十大部分。

这里需强调一点，除BS5400规范外，英标规范体系中还有其他一些相关规范，如路桥设计手册（BD 37/01）和 BS8110-1～3等，作为对 BS 5400规范的细化和补充，在具体设计过程中需配合使用。

1.2 工程背景

坦桑尼亚乌本戈立交（Ubungo Intersection）工程是Morogoro Road和Nelson Mandela Road-Sam Nujoma Road的交叉口工程，共设计为三层，包括配套分流道路。主线道路为双向六车道，包括两条BRT专用车道，设计车速50 km/h。效果图如图1所示。

该项目是中坦双方推进“一带一路”框架下的合作成果，由坦桑尼亚公路局发包，中国铁建中土东非有限公司承建，用于缓解该市交通压力。作为英联邦成员国之一，根据业主要求，该工程采用英国BS 5400规范体系进行设计。

2 材料特性与设计方法

2.1 材料特性

2.1.1 混凝土

英标的混凝土强度等级划分与国内一致，也是采用立方体抗压强度，同样需要引用材料性能分项系数进行折减；但与国内规范不同的是，对于不同的构件类型、受力状态及极限状态，BS 5400规定的材料分项系数是不同的，详见表1[1-2]。

图1 乌本戈立交效果图

表1 50号混凝土的材料分项系数

BS 5400规定的混凝土设计应力-应变曲线如图2所示。以50号混凝土为例，承载能力极限状态（ULS）下的混凝土抗压强度设计值为

22.33 MPa，与国内规范基本相同。

图2 混凝土的设计应力-应变曲线

2.1.2 普通钢筋

BS 5400只规定了三种钢筋等级Grade485、Grade460和Grade250，确定材料强度时的材料性能分项系数为1.15，跟国内材料性能分项系数1.2相比略小。

BS 5400规定的普通钢筋的设计应力-应变曲线如图3所示。由图可知，英标中普通钢筋抗压强度设计值与抗拉强度设计值不相同，前者要比后者小，这一点跟国内规范有较大差别。

图3 普通钢筋的设计应力-应变曲线

2.1.3 预应力钢筋

预应力钢筋符合 AASHTO：M203M/M203标准，采用 øs15.24低松弛高强度预应力钢丝，抗拉强度标准值fpu=1 860 MPa，确定设计强度值时的材料性能分项系数为1.15，其设计应力-应变曲线如图4所示。

图4 预应力钢筋的设计应力-应变曲线

2.2 结构设计方法

BS 5400规范和国内规范的结构设计方法一致，即基于极限状态法进行设计，同样分为承载能力极限状态（ULS）和正常使用极限状态（SLS）两类，表达式与国内规范也基本一致：R*≥S*。其中，S*=γf3（γfLQk的效应），为设计荷载效应；R*= 函数为设计抗力。其中，γfL为荷载分项系数；γf3为荷载效应分项系数；γm为材料分项系数；fk为材料强度特征值。

需要说明的是，在BS 5400规范中，SLS下荷载效应分项系数为1.0，这与国内规范一致；ULS下荷载效应分项系数根据分析方法取值，当采用弹性分析法时为1.1，当采用考虑弯矩重分配的塑性分析法时为1.15，与国内规范相比较，取值略大，可靠度大于国内规范。

3 荷载与荷载组合

3.1 荷载

BS 5400规范中定义的荷载分为永久荷载和可变荷载，其中对永久荷载的规定与国内规范基本一致，都包含自重、二期恒载、预应力、混凝土收缩徐变、土压力、不均匀沉降等，但是对于可变荷载尤其是活载的规定有很大的区别。

BS 5400规定荷载特征值的重现期是120 a，公路桥梁的活载包括HA和HB荷载。其中，HA为正常交通车辆荷载代表值，由均布荷载UDL和集中荷载KEL组成，荷载模式与我国车道荷载类似；HB为特种车辆荷载，一个单位的HB荷载为40 kN，由4个轴（每轴4个车轮）组成，单轴重10 kN，第二轴和第三轴的间距根据影响线加载进行调整，可以为 6 m、11 m、16 m、21 m 或 26 m[3]。

根据规范第6.4.2条规定，HA和HB荷载组合有三种加载方式，如图5所示。

由上可见，英国BS 5400规范车辆活载的重载效应要大于国内规范，且HA和HB荷载组合方式较为复杂，特别是HA荷载，手算很难完成。对于超静定体系的桥梁结构分析，即使采用有限元分析软件，也需借助专门的英国规范活载计算模块，否则活载计算会相当繁冗复杂。

3.2 荷载组合

BS 5400中不同的荷载分别进行承载力极限状态（ultimate limit state，ULS）和正常使用极限状态（serviceability limit state，SLS）组合，共分为三种主要组合和两种次要组合，每种荷载组合的每种荷载所用的分项荷载系数见BS 5400-2:2006表1。

与国内规范不同，BS 5400规范中温度荷载与活载制动力分属于不同的荷载组合，两者不叠加考虑，且支座摩阻力仅与永久荷载进行组合。另外需注意，ULS下混凝土收缩、徐变荷载分项系数为1.2；预应力荷载只考虑了超静定结构的二次力效应，其荷载分项系数取为1.0，计算竖向剪力与扭转时，预应力引起不利效应时，荷载分项系数取1.15，如果对抗剪与抗扭有利取0.87。SLS下混凝土收缩、徐变效应以及预应力（包括二次力），荷载分项系数取1.0。

图5 HA和HB荷载组合加载（单位：m）

4 桥梁结构分析

本文结合乌本戈立交工程，选取一联3×30.1 m预应力混凝土简支T梁为设计算例，桥宽25.1 m，横向共11片T梁，采用英国BS 5400规范体系进行结构分析计算。

4.1 结构分析基本规定

承载能力极限状态下需进行结构抗弯、抗剪、抗扭等承载力验算，采用ULS组合1～5。根据弯曲拉应力的限值，BS 5400规范中预应力混凝土构件可分为三类：第一类构件（Class 1）——不允许出现拉应力；第二类构件（Class 2）——允许出现拉应力，拉应力限值先张法构件为后张法构件为但不能出现可视裂缝；第三类构件（Class 3）——允许出现拉应力和裂缝，拉应力限值根据裂缝宽度限值确定[4]。

与国内规范相比，第一类构件等同于全预应力混凝土构件，第二类构件等同于部分预应力混凝土中的A类构件，第三类构件则等同于部分预应力混凝土中的B类构件。同时正常使用极限状态下BS 5400规范的应力控制要求没有国内规范严格[5-6]。

4.2 正常使用极限状态下的裂缝控制

与国内规范相同，BS 5400规范对裂缝的控制也跟环境条件相关，它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，容许裂缝宽度分别为0.1 mm、0.15 mm、0.25 mm 和 0.25 mm。从对裂缝的控制要求来看，国内规范比BS 5400规范更严格。

4.3 变形要求

对于第一类和第二类构件，设计荷载作用下的瞬时挠度采用弹性分析方法计算，对于第三类构件，当永久荷载小于或等于设计施加荷载的25%时，挠度计算方法同第一类和第二类构件；当永久荷载大于25%的设计荷载时，挠度根据弯矩-曲率关系计算。

4.4 结构计算

采用空间有限元程序建立结构分析模型，如图6所示。

图6 结构分析计算模型

由分析计算结果可知（见图7），成桥恒载下T梁跨中最大弯矩为4 947 kN·m，最大剪力为722 kN；HA和HB活载组合产生的跨中最大弯矩为4 126 kN·m，最大剪力为550 kN；ULS包络组合下T梁跨中最大弯矩为12 057 kN·m（抗力为16 256 kN·m），最大剪力为 1 732 kN（抗力为2 098 kN）。T梁承载能力满足规范要求。

由分析计算结果可知（见图8），SLS包络组合下T梁上缘未出现拉应力，最大压应力为10.13 MPa；下缘最大拉应力为1.21MPa，最大压应力为11.02 MPa。T梁按第二类构件设计，采用50号混凝土，根据BS 5400规范要求，拉应力限值为压应力限值为0.4fcu=20 MPa，T梁应力满足规范要求。

图7 ULS包络组合下T梁内力

图8 SLS包络组合下T梁应力（单位：MPa）

由分析计算结果可知（见图9），SLS下T梁跨中最大挠度为11.64 mm，对桥下净空无影响，满足规范要求。

图9 T梁挠度（单位：mm）

5 结语

本文结合乌本戈立交工程设计实例，基于英标规范体系分别从设计规范、结构设计方法、材料、荷载、结构分析计算等方面系统介绍混凝土桥梁设计过程，并与我国现行规范对比，主要得出如下结论：

（1）对于不同的构件类型、受力状态及极限状态，BS 5400规定的混凝土材料性能分项系数是不同的。

（2）BS 5400采用的普通钢筋应力-应变本构关系与国内规范差异较大，普通钢筋抗压强度设计值与抗拉强度设计值不相同，前者要比后者小。

（3）可变荷载的规定与国内规范存在较大差异，荷载的组合方式也存在一定区别，且计算方法较为复杂。

（4）采用承载能力极限状态法分析时，荷载分项系数略大于国内规范，偏于安全，而正常使用极限状态基本一致，在裂缝控制、应力控制方面国内规范较为严格。

（5）以乌本戈立交工程标准跨径30.1 m的预应力混凝土简支T梁为设计算例，采用英标规范进行结构分析及验算，其承载力、应力、变形均满足要求。