2017版日本公路钢桥设计规范与我国规范的比较

林康

(大连市市政设计研究院有限责任公司 116000)

引言

在日本由于人口和社会机能高度集中的大中城市中的桥梁工程成为交通基础设施的建设重点,建设环境有诸多的限制条件,钢桥由于形式灵活,工厂预制化程度高,施工过程中对周边环境影响小,自重轻抗震性能好,材料可循环利用,日益成为一种优先选用的桥型。日本的城市高速道路(类似于我国的快速路,但是为收费道路)的桥梁跨度通常在100m 之内,但是建设难度很大。首先受到建设用地条件的限制,不具备苜蓿叶形、环形等立交形式的用地条件。其次建设过程中难于长时间占用市政道路,所有的施工机械和桥梁构件均需满足公路运输要求。高架桥或立交桥之下为原有市政道路,新建桥梁不能对原有道路的通行能力造成大的影响,不可能采用立交桥下柱子林立的方案,上部结构跨度常达数十米,下部结构中异形钢制桥墩有较多应用,一些框架式桥墩两个立柱之间的距离达30m 以上,甚至还有60m 以上的个例。两条全互通高架道路相交,无法保证用地条件下,只能将1,3 象限的左转匝道(日本为右转)在交叉点从一条主路上空跨越,2,4 象限的左转匝道再从1,3 象限左转匝道上空跨越,另外1 个方向的主路再从所有左转方向匝道上空跨越,这样再加上原有地面道路,就需要有5 层交通体系,顶层桥梁的高度达到30m 以上。日本从20 世纪60 年代起开始建设城市高速道路,日本东京的高速道路有30m 高空漫步一说。我国的市政桥梁建设正进入方兴未艾的时期,为了能参考日本的工程实例,有必要对日本公路桥梁的设计规范做一了解。规范虽然名为道路桥示方书,即公路桥梁设计规范,但这是一个基础性的规范,日本的城市桥梁等规范都是在此基础之上制定的。

2017 年11 月版日本公路桥梁设计规范共分5 册,分别是道路桥示方书·同解说Ⅰ共通篇[1](196 页)、Ⅱ钢桥·钢部材篇[2](700 页)、Ⅲ混凝土桥·混凝土部材篇(404 页)、Ⅳ下部构造篇(571 页)、Ⅴ耐震设计篇(302 页),以下简称日本规范。与国内规范的比较主要涉及到通用篇及钢桥篇,分别相当于我国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 -2015)[3],《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64 -2015)[4]。

1 钢桥要求的性能

新版日本桥梁规范在三个方面对桥梁的性能提出要求: 耐荷性、耐久性和其他性能。耐荷性即承载能力极限状态的计算,日本规范所采用的设计方法从2012 版规范的容许应力度法转换成为2017 版的极限状态法。日本规范没有正常使用极限状态,疲劳设计等被归入到耐久性设计。可变荷载引起的挠度等归入到其他性能的设计。

2 耐荷性的设计

日本规范与我国规范相比,承载能力极限状态设计的基本思路都是作用效应小于结构抗力,但在具体环节上与我国采用的极限状态法有所区别。日本规范中没有结构重要性系数的一项,作用组合的效应直接与结构抗力相比较。作用组合的效应的分项系数、组合系数在数值选取方面两国规范之间也有一定的差别。

2.1 日本规范对机能性和安全性的区分

日本规范从机能性和安全性两个方面确定承载能力,针对3 种极限状态进行设计(表1)。其中限界状态2 仅限于罕遇地震或受到撞击等偶然作用控制的状态; 在预先限定的构件上发生有限的损伤,在整体结构上不产生连锁反应。而对于一般的上部结构,永久作用及可变作用的作用组合处于支配性地位,此时必须确保机能性对限界状态1 和确保安全性对限界状态3分别进行验算。限界状态1 并不等同于我国规范中的正常使用极限状态,而且我国在纯钢桥设计中也没有正常使用极限状态方面的计算。限界状态1 的计算是承载能力极限状态计算的一个方面,指在确保桥梁机能的条件下的一种承载能力极限状态,可变作用去除后具有可逆性不需检修,也不需要特别注意能够完全恢复之前的状态。但日本作为一个多震国家,在日本规范中把多遇地震也作为一种可变作用; 某些情况下多遇地震的强度比我国8 度区高速公路上重要的大桥所受到的罕遇地震强度还要大[5],依然要求确保桥梁结构完全无损的正常使用性能。限界状态3 是指结构在保证安全的情况下承载能力的极限状态。

表1 日本规范三种限界状态Tab.1 Threelimit states in the Japanese code

2.2 作用组合的效应的比较

日本规范中作用效应组合时(表2),结构重力等作用的分项系数为1.05。日本的汽车荷载采用L荷载和T荷载,与我国的车道荷载和车辆荷载相近[6]。汽车荷载、风荷载等可变作用的分项系数为1.25。对于安全等级为一级的结构,按照我国规范计算出的结构重要性系数与效应设计值的乘积比日本规范大20%左右。

表2 规范中作用组合的效应的比较Tab.2 A comparison of the actions combination

2.3 钢材强度的比较

日本虽然早在1974 年竣工通车的主跨510m的桁架桥大阪港大桥中就已大量使用700MPa、800MPa 高强度钢材,但日本公路桥梁设计规范适用于跨径200m 及以下的桥梁,超过200m 的桥梁根据实际条件进行必要的调整后参考使用,直至2012 年的钢桥设计规范钢材抗拉强度依然为570MPa。在2017 版中新增的SBHS400/500 级高屈强比钢材的规定,抗拉强度并没有提高,但屈服强度分别提高至400MPa 和500MPa。

日本规范的钢板板厚在40mm 以下时强度为固定值,40mm 以上至100mm 厚时有所降低。表3 中所列屈服强度值为板厚40mm 及以下材料的强度。带∗材料为沿袭了2012 版规范的普通屈强比钢材。但规范规定若采用屈服点不随板厚变化的钢材,则100mm 以内时屈服强度均为表中数值。

我国钢桥规范中钢材牌号为Q235、Q345、Q390、Q420,牌号中的数值即为屈服点,设计强度为相对于屈服点考虑一定安全率之后的数值。板厚大于16mm 后设计强度有所降低,但实际工程中主要截面的厚板通常大于16mm,较薄的钢板很多情况下并不是由强度控制。我国公路规范中的钢材强度等级比日本规范略低,而在我国2017 最新版铁路钢桥设计规范[7]中在以前规范规定的钢材牌号为Q235q、Q345q、Q370q、Q420q 之上,新增了Q500q 钢种。

表3 日本规范中钢材的强度特征值(单位： MPa)Tab.3 Strength characteristic values of steels in Japanese codes(unit: MPa)

2.4 钢材设计强度的比较

对于同等材质的中等板厚(16mm ～40mm)材料,在限界状态1 时,按照我国规范规定的材料设计强度值与日本规范在数值上相仿。但在日本规范中,针对机能性和安全性两个方面确定承载能力。限界状态3 虽然在概念上来自极限强度,但设计值同样根据强度特征值即屈服强度乘以修正系数而来。见表4。

对于屈强比不同的钢材,同样的机能性并不代表同样的安全性。新增的SBHS400 级和SBHS500 级钢材的抗拉强度并不比目前广为采用的490 级和570 级材料更高。相对于抗拉强度的安全系数而言,新材料可以说并没有优势。但相对于屈服强度的机能性而言,又获得了明显的改善,所以针对机能性和安全性分别进行验算。针对机能性的限界状态1 要求可变作用去除后结构完全可逆,限界状态3 要求结构保证安全。不仅对于构件需要区分机能性和安全性,对于连接构造,机能性和安全性也是两个不同的方面。比如对于摩擦型高强螺栓连接,摩擦面不发生滑动是对机能性的要求,螺栓自身不断裂是对安全性的要求,所以需要从两个不同的方面分别进行验算。但是有些情况下并不能明确区分限界状态1和限界状态3。受压构件的强度设计值的基本值与受拉构件相同,但整体稳定性、局部稳定性及边界支持条件偏心的影响均对抗压设计值有可能有所降低。此时机能性和安全性难于区分,通过验算安全性(限界状态3)就可以同时考察对机能性(限界状态1)的要求。对于常规材料,按照两国规范计算得出的抗力基本相仿,日本规范对于新材料的采用提供便利条件。

表4 规范中钢材抗拉强度设计值的比较(单位： MPa)Tab.4 Comparison of steel tensile strength design values(unit: MPa)

2.5 耐荷性评价结果的比较

由于日本的设计比较细致,在设计过程中需要根据工程量计算得到的实际钢重对结构分析中的钢重进行收敛计算以使钢重的误差在0 ～+5%之间,后期的灯柱、声屏障、交通标志、检修设施的荷载均予以考虑,所以恒载作用的分项系数虽然表面上比我国小,实际上的差别并不大。汽车荷载作为可变荷载最主要的方面,由于日本的超载情况不像我国普遍,采用较小的分项系数也是合理的。耐荷性的设计虽然我国比日本的作用效应乘以结构重要性系数大20%,结构抗力接近,但从概率统计的角度上看两者的安全性和机能性还是相仿的。若将日本的桥梁结构适用于我国,需做适当的加强。

2.6 局部稳定性计算的比较

两国规范整体上相仿,日本规范较为详尽,在一些细节上规定有所不同。例如在受压及受弯加劲板局部稳定性计算方面的规定有所不同。

表5 受压加劲板的局部稳定性计算的比较Tab.5 Comparison of local stability of pressurized stiffened plates

日本规范的钢桥篇和抗震篇对加劲板局部局部稳定性要求不同的原因是两者的性能目标不同。对于一般的上部结构,构件仅工作在弹性阶段,稳定性要求相对较低; 而对于钢制桥墩等结构在E2 地震时构件已超出弹性变形限界,进入到塑形变形阶段,稳定性要求相对较高。

与混凝土结构相比,钢结构强度高,板厚小,通过加劲肋来保证局部构件的局部稳定性,局部稳定性非常关键,宜根据结构的性能目标对稳定性提出要求。

梁式桥的钢梁腹板只承担弯矩,不承担轴力,局部稳定性较易保证。纵向加劲肋仅在受压方向设置即可,当设置1 道纵向加劲肋时横向加劲肋间距的要求如表6 所示。

表6 对钢梁腹板横向加劲肋间距的要求的比较Tab.6 Comparison of requirements for spacing between transverse stiffeners of steel girders

当主梁结构不存在较大轴力时,日本的钢板梁,钢箱梁的腹板的板厚显著低于翼缘。我国规范对腹板稳定性的要求明显高于日本。值得注意的是中国规范中的各项系数与日本2012 年及之前多版规范采用容许应力度法设计时的系数完全相同。不设纵向加劲肋及设置两道加劲肋时与此类同。

3 耐久性的设计

日本规范在100 年的设计使用期限内,对耐久性能提出了更明确具体的要求。对维护管理方面的要求进一步细化。

3.1 疲劳设计对细部结构的要求

由于日本在疲劳设计时采用的荷载计算模型为单轴重200kN 的F荷重,与我国规定的疲劳荷载的三个计算模型均不相同,验算结果难于在数值上直接进行比较。日本规范在细部结构上有较多的具体规定可以参考。

1.在正交异性钢桥面板中,有些桥梁曲率半径小无法使用U 肋; 还有些桥梁的宽度变化较大,主体部分使用U 肋,变宽局部用板肋做个别调整。纵肋与横肋相交时的过焊孔,不仅横肋与U 肋相交时与桥面板之间不设过焊孔,板肋或球扁钢加劲肋时也不设过焊孔,见图1。

2.日本桥规中为了提高疲劳强度,纵肋(U肋等)原则上采用摩擦型高强螺栓连接。

图1 横肋在板肋及球扁钢肋处的过焊孔(单位： mm)Fig.1 Scallop cut of transverse rib on plate rib and spherical flat steel rib(unit: mm)

3.中国桥钢规[4]的附录C 疲劳细节表C.0.8正交异性桥面板——闭口加劲肋的⑤纵肋全熔透对接焊缝,双面焊缝,无垫板的一项,实际结构中难于碰到。出于对疲劳方面的考虑,不希望U肋在工厂进行纵向连接; 而U 肋焊到桥面板上后,现场连接时无法进行双面焊接。日本桥规中规定,在不得以的情况下U 肋采用焊接连接时,采用带有垫板的全熔透对接焊缝。

3.2 对维护管理方面的要求

两国桥规中都规定设计时应考虑支座的可更换性,日本规范规定的较为具体。日本桥规要求应该容易到达支座位置,以方便维护管理。应预留支座更换时的施工空间。在支座更换时的上下部结构千斤顶支点位置预先设置支承加劲肋等必要的结构措施。如果建设时在上部结构的千斤顶支点位置未作补强,在需要更换支座的时候才设置,必然涉及到高空作业、现场焊接甚至是箱梁内部焊接、施工后涂装等诸多工程。下部结构缺乏设置临时支点的必要空间,如果设置临时墩,临时墩高度较大,而地基承载力往往也不足。将来更换支座的工程规模必然较大,也需要较长的工期,对日后正常使用造成诸多不便。在建设之初考虑可修复性,需要更换支座时可以简单迅速地进行,可以减少全生命周期的总费用。

4 其他性能

1.其他性能指不属于耐荷性与耐久性方面的性能,但关系到桥梁的可用性和舒适性的性能,或极端情况下的可靠性。

2.汽车荷载下计算竖向挠度的限值两国规定有一定的差别,见表7。日本规范规定的限值比我国略严。挠度值关系到行车舒适性、振动、噪音及对周围环境的影响。

表7 计算竖向挠度限值的比较Tab.7 Comparison of calculating vertical deflection limits

3.日本规范[8]规定在满足耐荷性的基础上,对超设计作用的防范性能的要求。例如要求在发生超过E2 地震的超设计地震时,支座即使破坏,在落梁防止系统的保护下,也不易发生落梁等极端事态。对于主要桥梁,能够快速进行支座更换作业。这种支座与出于耐久考虑的支座更换还有一定的区别,是在发生极端事件下的快速反应能力的要求。

5 结论

1.2017 版日本桥规采用的极限状态法,结构承载力设计值与按我国规范计算出的结果在数值上相近,结构重要性系数与作用效应设计值的乘积日本比我国小20%左右。在一定程度反映出日本桥梁在设计工作中对荷载考虑的较为细致,并且道路超载水平较低的特点。可将日本桥梁结构做适当加强后适用于我国。

2.在确定结构承载能力时,日本针对桥梁的机能性和安全性分别进行验算,根据所要求的性能进行设计,为新材料新结构的采用提供了便利条件。

3.带肋受压板应采用刚性加劲肋,否则局部稳定折减对结构承载力影响过大。我国规范中对刚性加劲肋的刚度要求相当于弹塑性结构所要求的刚度,通常对于上部结构不必要求塑性变形能力。

4.我国规范对受弯钢梁腹板横向加劲肋的间距要求过于严格。

5.在耐久性、可维护性方面日本规范有较多细节规定可以参考。

6.其他性能要求方面,日本规范对挠度要求与我国相仿,但对超设计地震等极端事件的防范能力要求很强。