中欧桥梁设计规范对比分析

李天超

(广西乐望高速公路有限公司，广西 南宁 530021)

0 引言

近年来，着眼于“一带一路”倡议，中国基建企业有更多机会赴海外投资和拓展业务，但是绝大部分企业长期以国内经营为主，缺乏海外工程经验，尤其是面对全新的设计规范，往往会因为对规范体系的不熟悉而导致设计面临重大风险，直接导致经济和信用损失。

规范是桥梁设计的基础，为桥梁设计提供支撑并具有法律效应，对指导桥梁设计有着非常重要的作用。各国制定设计规范的基本原则是一致的，但受自身经济发展水平和国情差异等因素的影响，规范在相应方面的侧重也不同。

(1)中国规范由两本基本桥梁规范组成，分别是《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)。中资企业近几年在“走出去”的同时也将中国标准带出了国门，在非洲地区部分工程项目中得到了推广应用。

(2)欧洲规范(Eurocodes)是最具理论性、系统性、权威性的结构设计规范，尤其在桥梁工程领域具有较强的指导性。欧洲规范经过多次修订，在2006年正式颁布。自2010年之后，欧盟国家均统一采用欧洲规范，废除各自抵触的国家条款。如今，欧洲规范不仅成为欧盟国家的官方标准，也逐渐被许多非欧盟国家采用，包括绝大部分非洲国家。

笔者将针对中国规范和欧洲规范分别就以下几个主要方面进行研究对比，希望能对同行在今后遇到相关设计问题时起到借鉴作用。

1 极限状态设计法和使用年限

1.1 极限状态设计法

中国规范和欧洲规范在极限状态设计方面基本一致，均将结构分为两种极限状态：

(1)承载能力极限状态：指结构发生倒塌或者结构体系失效的状态。

(2)正常使用极限状态：指结构体系或某一构件不能满足部分使用功能时的状态。

两种状态的侧重点略有不同，前者侧重结构安全性，而后者侧重结构的适用性。

但欧洲规范将抗浮失稳和水力破坏单独作为一种状态进行考察，由此看出欧洲规范认识到了对不同状态下结构的差异化要求。

1.2 使用年限

在桥梁结构设计使用年限方面，中国规范与欧洲规范的规定都是100年。鉴于目前我们对影响结构使用年限的相关因素的认识不够充分，还不能精确预测结构的使用年限，只能大致估计结构和材料的长期使用性能，粗略地确定结构构件维修或者更换的周期，但明确结构的设计使用年限依然是有必要的：

(1)可以根据设计使用年限的长短确定用于结构设计的荷载，选择时需要考虑材料性能的劣化，譬如临时结构就不必进行抗震设计，也不必考虑结构的疲劳损伤。

(2)比选不同的设计方案和建造材料，平衡初期建造成本和后期养护费用，使结构全寿命成本达到最优。

(3)系统性地优化结构维修养护策略。

2 荷载组合

2.1 结构重要性系数

结构重要性系数是中国规范根据结构的重要性提出的专门系数，在欧洲规范中也有相类似的系数，但具体应用方式却不尽相同：

(1)中国规范结构重要性系数分别为1.1、1.0 和0.9。

(2)欧洲规范采用的计算模型不确定性分项系数γSd与中国规范的结构重要性系数类似，在实际应用过程中，通常考虑将计算模型的不确定性分项系数和作用分项系数合并。

2.2 荷载组合

结构或构件在运营期间受恒荷载及其他活荷载的影响，荷载组合时应考虑多种荷载作用时的概率，因此需指定不同的荷载组合系数。由于不同荷载在结构上出现的组合和概率不同，所以规范需要通过采用不同的分项系数和组合系数来进行结果分析。

2.2.1 中国规范组合要求

(1)组合的原则

中国规范通过频遇系数来考虑不同荷载出现的概率，叠加考虑所有荷载工况。

(2)存在的问题及特点

尽管考虑所有可能发生荷载的组合，但采用的荷载折减系数一样，没有考虑到荷载作用的主次。

规范中没有明确偶然工况参与荷载组合的量化要求。

2.2.2 欧洲规范要求

(1)组合的原则

首先确定结构的主导可变作用，包括参与组合的荷载类型及相应的荷载布置(位置、大小和方向)，主导与非主导可变作用采用不同的分项系数，这就会有很多种不利荷载组合，设计过程中难以明确最不利荷载组合。

(2)存在的问题及特点

欧洲规范的规定相对较为笼统，且设计需考虑的荷载工况较多，设计工作量较大，需要深入理解规范意图，避免产生误解。

3 材料

中国规范的混凝土强度等级是按立方体试件的抗压强度标准值确定；欧洲规范对混凝土抗压强度是按圆柱体试件和立方体试件的不同均有要求，分别用fcu和fck，cube表示，但混凝土强度等级是按圆柱体试件的抗压强度标准值fck，cube确定的。中国规范通过不同标号混凝土的换算系数及脆性折减系数确定抗压强度标准值；欧洲规范则通过混凝土结构材料强度分项系数确定抗压强度标准值，如表1所示。

表1 普通钢筋、钢绞线分项系数比较表

4 荷载

桥梁结构根据桥址地域性和结构功能性的不同，承受不同的直接和间接荷载。常见的荷载有：结构自重、汽车、人群、温度、风、雪、波浪、浮冰等常规荷载，另外还包括诸如船(车)撞荷载和地震荷载等一些偶然荷载。

不同国家规定的荷载均有差异，如温度荷载因所处地域的不同而有差异，对所有荷载进行对比是一项极具挑战性的任务，本文仅针对桥梁的主要荷载——活荷载进行对比分析，以期能基本反映不同国家的荷载规范。

4.1 标准值的取值

4.1.1 中国规范

按照公路Ⅰ级车道荷载标准规定：

均布荷载集度为qk=10.5kN/m，集中荷载Pk取值如表2所示，车道荷载布置如图1所示。

表2 集中荷载Pk取值表

图1 中国规范车道荷载布置图

4.1.2 欧洲规范

欧洲规范规定了4种竖向荷载模式(见图2)：

(a)

(b)

荷载模型1(LM1)：由双轴四轮集中力(TS)和均布力(UDL)组成，覆盖了绝大多数卡车和轿车的荷载效应，用于桥梁结构的整体验算和局部验算。

荷载模型2(LM2)：为一单轴双轮的集中力，作为LM1荷载模型的补充，主要用于跨径为3～7m的桥梁验算。

荷载模型3(LM3)：由一系列的标准车辆模型组成，主要用于特殊交通情况下的桥梁整体和局部验算。

荷载模型4(LM4)：为一均布荷载，用于考虑桥梁满载人群的特殊情况。

其中LM1荷载与中国规范的公路Ⅰ级车道荷载类似，作为主要的验算荷载。

4.2 活载车道折减

当桥面设置两个车道以上时，从概率论的角度考虑，很难使每条车道上均处于满载状态。中国规范采用横向折减系数来考虑，如表3所示。而欧洲规范分别对每一个车道都定义了荷载标准，其优点在于能体现出荷载的偏心影响(见表4)。桥梁计算跨径>150m时，中国规范考虑了车道荷载的纵向折减，而欧洲规范没有考虑此项因素。

表3 横向车道布载系数表

表4 荷载模型LM1标准值表

以目前高速公路建设当中常用的30m跨径为例，对中欧规范规定的汽车活载进行比较，结果如图3所示。

(a)均布荷载(UDL)

(b)集中荷载(TS)

(c)车道荷载合计

通过图3荷载对比可看出，欧洲规范集中轴载仅在前三个车道有规定值，超过三个车道后集中轴载为0，但欧洲规范规定的集中轴载值在7个车道以内均大于中国规范，且四个车道以内差距较大，超过中国规范40%以上。且欧洲规范的均布荷载也明显大于中国规范，差值在70%以上。在两项荷载合计值方面，中、欧洲规范差值在44%以上。

现实中我国超载车辆随处可见，重载车引起桥梁垮塌的事件屡有发生，相应提高活载的等级以降低桥梁损毁事故的发生已很有必要。

5 耐久性设计

在耐久性设计方面，欧洲规范与中国规范的条款基本一致，在不同环境下，从混凝土配合比设计、结构细节设计、施工等方面采用不同的耐久性方案。下面以混凝土保护层厚度为例，介绍中、欧规范的异同。

欧洲规范在规定混凝土结构保护层厚度时，从以下三个方面考虑：(1)钢筋向混凝土传力的需要；(2)保护钢筋不受环境侵蚀的需要；(3)耐火的需要。

欧洲规范中，混凝土保护层厚度cnom计算如式(1)所示：

cnom=cmin+Δcdev

(1)

式中：cmin——混凝土最小保护层厚度；

Δcdev——设计容许偏差，有国家附录指定，推荐值取10mm。

设计中最小混凝土保护层应同时满足粘结和环境要求，cmin应按式(2)取较大值：

cmin=max{cmin,b;cmin,dur+Δcdur,r-Δcdur,st-Δcdur,add;

10mm}

(2)

式中：

cmin,b——保证钢筋与混凝土有效粘结的最小保护层厚度；

cmin,dur——保护钢筋不受环境侵蚀的需要的最小保护层厚度；

Δcdur,r——附加安全厚度；

Δcdur,st——钢筋采用不锈钢可适当减少的保护层厚度；

Δcdur,add——应用特殊保护措施可适当减少的保护层厚度。

式中Δcdur,r、Δcdur,st、Δcdur,add采用遵守欧洲规范的国家各自附录规定，欧洲规范建议值为0。

中国规范在规定混凝土结构保护层厚度时，从两个方面考虑：(1)保证握裹层混凝土对钢筋的锚固；(2)保护钢筋不受环境侵蚀的需要。与欧洲规范相比，中国规范未考虑耐火需要对混凝土保护层的要求。

中国规范关于最小混凝土保护层厚度的规定如表5所示。

表5 混凝土保护层最小厚度cmin取值表(mm)

从表5分析来看，在进行结构耐久性设计时，欧洲规范考虑了粘结、环境、耐火等方面，而中国规范主要考虑了环境方面的要求，粘结方面的考虑也是在前不久修订的2018版规范中新增加的。由此可见，相比中国规范，欧洲规范考虑更全面，这与欧洲规范广泛用于土木工程领域(不仅限于桥梁工程)也有一定关系。

6 承载力计算

在承载力计算原理方面，欧洲规范与中国规范基本一致，只是在一些细节规定方面略有不同。

欧洲规范计算正截面承载力的基本假定：

(1)正截面在弯曲变形后仍保持平面。

(2)钢筋(预应力钢筋)与周围混凝土应变相同。

(3)忽略混凝土抗拉强度。

(4)混凝土本构关系假定为抛物线，当fck<50MPa时，混凝土极限压应变取0.0035；当fck≥50MPa时，按理论公式计算。

(5)在钢筋设计强度范围内，钢筋应力为钢筋弹性模量与应变的乘积。

(6)需考虑钢筋初应变。

中国规范计算正截面承载力的基本假定：

(1)构件弯曲后，其截面仍保持平面。

(2)受拉区不考虑混凝土的抗拉强度。

(3)在钢筋设计强度范围内，纵向体内钢筋应力为钢筋弹性模量与应变的乘积。

结合来看，中国规范中的三点基本假定在欧洲规范中均有相应要求，欧洲规范规定的其他三个基本假定包括钢筋与混凝土粘结、混凝土受压本构以及预应力筋初应变等在中国规范中也有相关规定。

在承载力计算公式方面，以单筋截面为例，欧洲规范的计算公式如式(3)所示:

As=ηfcd(λx)b/fyd

x=Asfyd/(ηfcdλb)≤xlim

(3)

Md=ηfcd(λx)b(h0-0.5λx)

式中：xlim——最大混凝土受压区高度，保证结构破坏时为延性破坏。

中国规范的计算公式如式(4)所示:

As=fcdbx/fyd

x=Asfyd/(fcdb)≤ξbh0

(4)

Md=fcdbx(h0-0.5x)

式中:ξb——界限受压区高度，避免结构出现超筋。

为了避免结构的破坏形式为脆性破坏，中国规范规定了界限受压区高度，与欧洲规范相应的最大混凝土受压区高度要求一致。

7 结语

(1)在设计原则和方法方面，欧洲规范与中国规范基本一致，但是在材料取值、荷载系数、作用组合、耐久性设计以及结构设计中略有不同，在应用欧洲规范进行桥梁设计时应注意细节方面的差异。

(2)国家附录是欧洲规范重要的组成部分，是不同国家实际情况的体现，因此在不同国家进行桥梁设计时执行国家附录是很有必要的。

(3)中国规范的条款往往是推荐性和建议性的，要求有经验的工程师根据自身认识水平和专业能力去灵活使用规范，部分情况下可不受规范约束去设计，但任何的法律责任都由设计者承担；而中国规范往往给出的强制性条款居多，这就限制了设计者的发挥，固化了设计者的思维。

(4)近年来，部分中资企业在开展国外项目时采用了“规范混编”的模式，忽视了规范体系本身的完整性和适应性，导致项目进展缓慢等。笔者推荐采用同一规范体系的标准进行设计，即便是中国规范走出去，也应成套体系推荐使用，避免出现混编形式，最终导致出现业主、监理等各方难以接受的结局。