中美规范下预应力混凝土结构设计方法的比较

李祖逸

（广东省建筑设计研究院　广东　广州　510010）

中美规范下预应力混凝土结构设计方法的比较

李祖逸

（广东省建筑设计研究院广东广州510010）

随着我国的经济突飞猛进的发展，我国的公路桥梁建设企业也越来越发达，并进入到国际市场上，在很多国家都承担了桥梁建设任务。由于地理环境和发展水平不一样，各个国家的公路桥梁设计规范都不一致。本文通过赞比亚西尔马大跨径预应力混凝土结构设计进行分析，对中美两国的公路桥梁设计规范关于大跨径预应力混凝土结构设计的差异性研究分析。并为我国以后的桥梁设计规范的修订工作提供参考。

中美桥梁；设计规范；结构设计；预应力；混凝土

前言

道路对于国民的生活有着重要的作用，而道路交通系统中有一个非常重要的部分那就是桥梁。随着城市的不断发展，桥梁的作用也越来越重要。由于地理原因，构建道路会遇到非常多的困难，比如会遇到河流、沟谷以及其他阻碍，那么就应该构建桥梁，这样就可以保证道路联系在一起。一个国家的桥梁工程技术发展水平主要体现在桥梁设计规范上，桥梁设计规范同时也是桥梁建设行业对社会的公开技术承诺。由于我国与其他国家在文化、经济等各方面都不相同，所以每个国家的桥梁设计规范有很大差别。因此可以通过与发达国家相比较，从而学习先进的科学技术以及占领国际市场，同时也对我们国家的公路桥梁混凝土设计规范具有很大的帮助。本文的研究对我国公路桥梁设计规范的修订工作具有参考价值以及可以更好地完成国外桥梁建设项目以提高我国地位。本文通过对中、美两套桥梁设计规范的差异性进行研究，从而指出我国存在的不足以及可以借鉴的国外经验。

1　中美公路桥梁设计规范的发展状况

1.1中国规范

在新中国成立开始，就进行了大规模的公路桥梁建设工作。当时我国的设计规范主要是模仿苏联规范而编制而成的。但是我国和苏联的基本国情是不一样的，所以直接借鉴苏联经验不符合我国的实际，所以在后来我国开始自己编制适合我国国情的规范，直至1985年，我国根据半概率极限状态设计方法重新修订了桥梁设计规范并出版了《公路桥梁钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范》。在现在，随着世界各国之间的交流越来越多，我国也开始与世界接轨，制定了很多新的规范，目的就是为了使我国的桥梁设计规范标准水平可以与世界领先水平相当。

1.2美国规范

美国在二战结束之后一跃成为世界最发达的国家，所以在土木工程领域也有着非常强的优势。早在1921年初，美国就着手公编制路桥梁设计规范。而在1931年美国的公路交通与运输协会就颁布《公路桥梁标准规范》。随着时间的推移，这个规范在后来得到了很多的修正和变化，并在1990年，美国颁布了《AASHTO荷载和抗力系数桥梁设计规范》。这个规范无论是从理论基础还是实际经验中都有着较高的水平。最新修正的版本就是五年前所使用的第五版。

2　中美预应力混凝土结构设计方法对比分析

这一部分笔者以赞比亚西尔马66m+120m+66m预应力混凝土连续梁桥工程为例，对中美两国的预应力混凝土结构设计方法进行比较。在分析过程中运用了结构有限元分析软件对赞比亚西尔马66m+120m+66m预应力混凝土连续梁桥进行有限元仿真模拟并且分别按照中美桥梁设计规范对桥梁结构进行内力分析，比较两国结构设计方法。

2.1桥梁总体概况

连接赞比亚西方省Senanga市与Sesheke市道路的大桥就是赞比亚西尔马大桥。在这个大桥周围都是丘陵山区，地形十分复杂，植被也比较丰富。除此以外，该桥处在水流湍急地区，所以采用66m+120m+66m的方法。大桥常年流水，雨季时流量大，河水无污染。地质勘探可以知道，该处主要由沉积沙、粉沙、沙砾及岩石块构成。

2.2主要工程材料

表1　各部分结构混凝土类型一览表

2.3预应力钢材

纵向预应力钢束采用的是美国标准即单根钢绞线直径为15.2mm，每股面积为140mm2，标准强度fpk=1860MPa，最小破断荷载260.7kN。每束控制张拉力195.3kN。而普通钢筋采用的是HRB335和R235钢筋，都应该符合相应的规定。桥梁支座使用盆式橡胶支座。钢筋直径大于12mm者均采用前者的钢筋，而相反可以采用后者的钢筋。预应力管道采用塑料波纹管，在这里需要给其注浆，我们使用的是真空压浆技术。结构用钢板采用的是符合现行国际标准的Q235C钢。主桥纵向预应力锚具则使用的是17和12以及10丝钢绞线群锚及其相应的设备。桥面防水层使用的是三涂FYT-1改进型防水层。桥面伸缩缝使用D160型毛勒伸缩缝。

2.4计算参数的选取

经过分析计算。同时也考虑各个因素，因此本文的大跨径预应力混凝土连续梁桥结构的分析使用的是MIDAS/Civil。

2.4.1混凝土

桥梁上部结构箱梁采用C50混凝土，其弹性模量Ec=3.45× 104，轴心抗压强度标准值fck=32MPa，轴心抗拉标准强度ftk= 2.7MPa，抗拉强度设计值ftd=1.83MPa，施工阶段张拉预应力钢束时，轴心抗压强度是轴心抗压强度标准值8/10。而这些值在美国中分别为43.1×104、41MPa以及0.75倍。

2.4.2预应力钢束材料参数

预应力钢束采用的是标准强度为1860MPa的1×7标准型的高强度低松弛预应力钢绞线，弹性模量Ec=1.9×104，预应力钢束锚具为两端压缩变形，开始点为6mm，结束点也是6mm，预应力钢束的松弛率为0.03，预应力管道每米局部偏差摩擦影响系数为0.0015。

3　主要结论

本文首先总结了中国、美国、欧洲公路桥梁设计规范关于设计活载、极限状态设计方法、荷载效应组合方式相关规定的差异。与此同时本文也介绍了一些基本理论，并针对大跨径预应力混凝土连续梁桥进行分析，在分析时我们采用的是Midas/ civil结构有限元分析软件。最后以赞比亚西尔马66m+120m+ 66m大跨径预应力混凝土连续梁桥梁为工程实例，运用Midas/ civil有限元软件进行全桥有限元模拟。并对中美两国的预应力混凝土结构设计方法进行比较。通过实验，笔者得到了如下的结论：

（1）虽然中美两国的公路桥梁设计规范都是以极限状态设计方法进行桥梁设计并以此为基础，但是在表达上存在区别。中国采用正常使用极限状态和承载能力极限状态两种结构设计极限状态。而美国采用的是强度极限状态、使用极限状态、极端事件极限状态及疲劳与断裂极限状态。对于恒荷载分项系数，美国大于我国，但是美国也不是最大的。而对于活荷载分项系数，美国同样大于我国并且美国是最大的。由上我们可以看我国恒荷载分项系数和活荷载分项系数水平都不如美国和其他发达国家，所以在以后的公路桥梁设计规范的修正工作中，应该提高这两个系数水平，这也是世界公路桥梁设计未来的发展趋势。

（2）中美两国在荷载标准值、汽车荷载在布载形式、冲击系数及折减系数上都有着截然不同的情况。美国的控制汽车荷载是取最大值，这与我国截然不同。其次，针对车辆荷载效应，我国更加重视安全。根据国情我国在大跨径桥梁公路桥梁设计规范中汽车荷载效应大于美国，同时在世界也是最大的。中美两国这些规范的比较，使得两国可以互相补充，取长补短。

（3）中美两国公路桥梁设计规范对于温度荷载作用的分类是一致的，都包括了均匀温度荷载作用和温度梯度荷载作用，除此之外，两国还全部采用双折线形式的温度梯度模式。而且中美两国在规范后者时都只考虑了梁顶温差，而且根据桥面板铺装的类型设定相应的温度基数，且这些温度基数相差不大。不仅如此，中美差别还在于美国规范温度梯度荷载产生的温度内是大于我国的，但是我国与美国差距不大。正是由于，在实际工作中，要根据实际的具体情况来决定温度梯度模式，这是由于复杂性的温度梯度荷载的作用方式造成的。

（4）中美两国对于弯矩效应比较相似。与此同时剪力效应的规范差异也不是很大，美国稍大于中国。

（5）中美两国公路桥梁设计规范正常使用极限状态荷载工况作用下，弯矩效应与剪力效应美国都稍大于中国。而在正常使用极限状态荷载工况作用下，美国远大于中国。正是由于这样，在实际的工作中正常使用极限状态荷载工况是分析中美桥梁结构设计非常重要的参数。

4　结束语

本文通过对中美预应力混凝土结构设计方法对比分析，得到了一些结论，这些结论对以后的实际工作具有重要的参考价值。同时也指出了中美的差别，我国可以向美国学习先进的技术经验，但是在中美预应力混凝土结构设计的差异性研究上还有很多的不足，以后可以加大此领域的研究，这样才可以解决如我国大跨径桥梁结构荷载分项系数等一系列问题。国家应该加大此领域的投资，这样人们才可以真正享受到高科技带来的生活的便利。最后，加大研究也为以后的实际工作和理论储备奠定了良好的基础。

[1]马毓泉，汪屏，冯云成.中、英、美规范温度梯度效应比较分析[J].交通科技，2013（5）.

[2]贾金青，陈凤山.桥梁工程设计计算方法及应用[M].中国建筑工业出版社，2010.

[3]周勇军，孙婧，梁玉照.公路桥梁设计荷载基本组合的分项系数值及其效应对比[J].公路，2012（1）.

[4]中华人民共和国行业标准.《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）.北京：人民交通出版社，2014.

[5]Priestly，M.J.N.Design of Concrete Bridges for temperature Gradients[J]. AmericanConcrete Institute Journal，May，2013.

TU318

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2015-4-26