高校桥梁工程国际主流规范教学与思考

2023-01-02史俊

科教导刊·电子版 2022年27期

史俊

（中南大学土木工程学院，湖南长沙 410083）

0 引言

随着国家对“一带一路”理念的倡导以及经济全球化的不断推进，我国的土木和交通工程企业在国际工程市场的参与感越来越强，目前已经占有海外工程市场的一席之地。在此背景下，熟悉世界主流桥梁设计和施工规范，提高中国桥梁施工企业的国际竞争力是非常必要的。当今世界上最权威和最可靠的两个外国桥梁规范是AASHTO LRFD和欧洲规范。这些规范内容全面、技术成熟，且均以结构可靠性理论为核心。中国、美国和欧洲在材料强度、荷载作用、构件计算、结构耐久性等方面的规定存在差异[1]。理解并掌握国外桥梁设计规范的先进理念，有助于提高中国企业在海外市场的竞争力和中国的设计和施工能力，也可为我国公路混凝土桥梁设计规范的修订提供参考，并可将“一带一路”中国桥梁设计、施工技术推向世界。

1 世界主流桥梁规范研究现状

近年来，许多学者对中外桥梁设计规范之间的差异进行了研究和探索，并取得了一定的成果。王锋君[2]从荷载取值、分项系数和荷载组合等方面对中外桥梁设计规范进行了比较研究，并分析了在英美桥梁规范的车辆荷载作用下根据中国规范设计桥梁的结构响应。刘昭[3]比较并解释了中美桥梁规范中极限状态的表达形式，指出美国桥梁规范中各种极限状态所反映的设计思想更加清晰，校核内容更加具体。宋世研等[4]从材料强度值、构件设计方法、最大配筋率和最小配筋率、正截面承载力计算方法等方面对钢筋混凝土构件正截面的抗弯承载力进行了系统的对比分析。黎述亮等[5]计算和分析了欧洲桥梁设计中的活荷载，如车辆荷载、车辆离心力、车辆制动力、车辆牵引力、温度荷载和风荷载。孙贺学[6]分析了中美和欧洲桥梁设计规范中的材料、荷载和荷载组合、极限状态分类等方面所存在的差异。

目前关于中外桥梁设计规范的对比研究，主要从设计理念、构件验算、荷载模式及荷载组合、材料强度指标、应力、挠度、裂缝的控制及耐久性等方面进行深入的对比和分析。目前的研究特点如下：（1）现有的中外规范差异研究中主要在材料强度、设计荷载、构件验算等方面，没有综合性、系统性的比较。（2）现有的中外规范差异研究都是以简单结构为对象进行的，没有对大型、复杂结构的结果进行对比分析，因此其研究结果的适用性、可靠性存疑。（3）现有的中外规范均基于可靠度理论，但现有的中外规范对比研究没有从可靠度着手，难以捕捉中外设计规范的可靠度差异。

2 当前桥梁工程规范教学中存在的问题

2.1 以国内规范为主，缺乏国际视野

目前国内高校在桥梁工程教学中，主要围绕国内的现行规范进行教学，很少涉及国际上的主流规范的学习，一些学校如长安大学等开设了国际班，对国外规范由一定的了解。但是目前正值“一带一路”倡议大举实践的背景下，现有的规范学习内容难以满足当前的需要。根据对多家国内在海外经营项目的大型公司（如中国土木、中国港湾、中国路桥、中交一公院等）的调查结果显示，目前我国在国际项目上大量缺乏既懂英语又懂专业的人才。很多大型项目的管理人员只懂英语，不懂专业，对国外规范更是一窍不通，导致项目进展困难。但正如前文所言，现在国外的大型项目基本采用AASHTO标准或者欧洲标准，只有极少项目的业主能够同意采用中国标准。因此，我们必须立足本国标准，深入学习国际主流标准、规范，才能在国际项目上提升竞争力，立于不败之地。

2.2 缺乏对比

由于不同国家规范采用的设计理念、设计理论不同，编制规范的背景不同，经济技术发展水平不同，在设计准则、设计材料指标、荷载模式和取值、构件计算方法和控制目标等方面均有不同，因此有必要对世界上主流规范的这些方面进行对比分析，揭示各规范的安全可靠程度，对于我们在国际项目上的把握非常重要。例如我国桥梁规范中使用的主流材料强度低AASHTO LRFD规范，我国桥梁规范中采用均布荷载加集中力作为车道荷载方式，而AASHTO LRFD规范采用均布荷载、设计货车、设计双轴三种形式。经过对比计算，我国的移动荷载比AASHTO LRFD规范要大。因此，只有从规范的各层次进行详细比较学习，才能真正掌握个规范的区别和联系，从而在具体项目上应用时才能游刃有余。

2.3 国外规范使用不当

目前，国内的工程师在使用国外规范时，多是采用生搬硬套的方式，往往是用到哪里看到哪里，对所采用的国外规范没有整体把握，不知道规范的编制背景、适用条件，经常用错规范。例如，关于制动力的规定，我们国家《公路桥涵设计通用规范》中规定的制动力在特大桥上经常难以算过，然后一些工程师就采用欧洲规范的规定，这样就能算过，但实际上中欧规范编制背景不同、汽车荷载模式不同、车型也不同，直接生搬硬套采用欧洲规范会导致我们设计的桥梁的可靠度降低，可能造成不安全的后果。因此，在使用国外规范进行国内桥梁设计时，一般应做可靠度校准，确保可靠度满足国内规范时才可采用，否则应做专题研究或者慎重使用。这里特别指出，对于他国规范的使用，应特别注意使用的条件，特别是对于汽车荷载、温度荷载这种随区域变化的荷载，一般不能直接使用。

3 “一带一路”背景下桥梁规范教学目标

3.1 教学目标

针对当前“一带一路”倡议下我国大量国际化桥梁人才的需求，制定当前国际主流规范教学目标。主要以中国《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）、《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650—2020）、美国 AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 2020、AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications 2020及欧洲Eurocode规范的相关规定开展国际主流规范的对比学习，主要达到以下四个目标：（1）中外主流桥梁设计规范的设计理念、设计方法、设计准则进行对比。（2）对中外桥梁设计规范中的可靠度指标进行对比，分析中外桥梁规范目标可靠度指标的差异性，进行不同极限状态下桥梁结构挠度、裂缝、抗弯、抗剪等性能指标的可靠度分析。（3）对中外桥梁规范的设计基本要求、构造要求和极限状态进行对比，结合可靠度理论建立综合中外桥梁设计规范的评价体系。（4）以一个具体项目的大型桥梁为工程实例，对中外混凝土桥梁设计规范与评价体系进行综合评述。

当然，关于国内外主流的桥梁设计、施工规范的教学目标应该是灵活的，不局限于上述4个方面，教师应该根据学校和学生的具体情况灵活安排，并可根据从事国际项目的单位的需求灵活定制。比如单位主要从事的项目都是要求采用美标设计的，那就没必要去研究欧洲规范，而应把主要精力放在中、美规范的对比学习中。

3.2 示例分析

通过以上四方面的对比学习，可以让学生对中外规范有了整体把握，对学习规范大有裨益。例如在学习地震动水作用时，可从以下方面进行学习：一是寻找国内外规范中具有地震动水作用计算相关规定的规范，比如中国《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111-2006）第7.2.7条，给出了等截面圆形桥墩的分布动水压力及附加质量的计算方法，并且直接给出了总附加弯矩和剪力的计算公式；中国《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）第5.5.3条给出了 E1地震作用下桥墩地震动水压力的合力计算公式，该规范是在对多国动水压力公式和参数研究讨论后，参考日本规范动水压力计算方法进行了修订，该公式适用于圆形和矩形截面桥墩；中国《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2011）中关于动水压力的计算公式与我国公路抗震设计细则相同；Eurocode 8基于结构截面尺寸的比值，给出了不同截面形式的桥墩单位高度的动水附加质量计算方式，其动水附加质量为墩体所排开的水体质量。二是对各规范进行对比分析，比较可知：中国铁路规范、日本规范及欧洲规范都是采用附加质量的方法考虑地震动水作用，但各自具体考虑的方法又有不同。综合对比分析可以发现，目前规范中关于地震动水作用的计算有以下局限性：

（1）现行规范中关于地震动水作用的计算方法适用的桥梁跨径范围十分有限。我国现行《铁路工程抗震设计规范》适用于跨径不超过120m的普通混凝土桥或预应力混凝土桥及跨径不超过150m的钢桥；《公路桥梁抗震设计细则》适用于跨度小于150m的桥梁。

（2）现行规范适用的桥梁下部结构截面形式单一。相关规范只对圆形、圆端形和矩形等常规、简单截面，而实际工程情况中深水桥梁大都具有高墩、大跨的特点，桥墩常采用不规则的空心截面，此时规范规定的动水压力计算结果或将不可用。

（3）不同规范动水效应计算结果差异较大。例如我国抗震设计细则和日本规范计算结果比较接近，但抗震设计细则的计算结果和欧洲规范差异较大。

通过以上的对比学习，可以使学生全方位地对目前世界上各国规范对于动水作用的考虑情况，可以明确各国规范存在的问题和不足，对于进一步研究和规范选用有很大的帮助。总而言之，国内外主流规范的教学按五步走的方式进行：第一步，确定学习目标，可以是某个模块比如基本规定模块、极限状态模块、荷载及其组合模块、构件抗弯计算模块等等，也可以是某个具体的点，比如风荷载、移动荷载模式、温度梯度模式、收缩徐变模型等等；第二步，寻找国内相关规范，但凡对学习目标有相关规定的规范都应将相关的条纹罗列下来；第三步，寻找相关国外规范，但凡对学习目标有规定的国外规范都尽可能找到，并将其相应的规范条纹罗列下来；第四步，国内、国外规范对应比较，此时应根据具体学习目标得特征，选择合适的对比指标，例如对于前述的风荷载，可以比较风荷载的重现期水平、风荷载的分项系数、组合值系数、频遇值系数、准永久值系数、风荷载的组合方法等等。比较指标确定后，可列表或者绘制比较图形进行分析，应将相应规范的比较指标填入比较表格或者图形，采用定量、定性相结合的方法进行比较；比较之后应能得出相应的有效结论，比如哪个规范可靠度指标更大、哪个规范更安全、哪个最不安全、哪个规范的规定最合理、哪个还需要改进、哪个规范值得国内规范借鉴、对国内规范修订有哪些建议等等；第五步，在上述学习的基础上，逐步建立对规范的评价体系[7-8]。如此，可以说对规范的学习就达到了最佳效果。

4 “一带一路”背景下桥梁规范教学实施策略

4.1 引入国内外知名专家讲座

知己知彼，百战不殆。学习国外规范，离不开和国外专家的沟通交流，毕竟国外的专家对本国的规范更为熟悉。首先制定教学目标和教学计划，然后分批引入国外知名专家进行国外相关主流规范的讲解，使学生对国外规范有个总体的了解。还可以举办国外规范学习竞赛，让大家分享自己的学习成果，进一步激发学生对国外规范的学习兴趣并强化学习效果。

4.2 校企合作，融入国际项目

当前，我国很多大型土建公司已深耕国外大型项目，学校和教师可以邀请这些单位的知名专家进行宣讲，以帮助同学们进行国外规范的学习；教师也可以带领学生参与这些单位的国外项目，全程跟踪学习，产学研相结合，能达到更好的效果。此外，学校可以和长期进行大型海外项目建设的企业签订合作协议，并根据需求定制本校的国际主流桥梁建设规范、标准的教学方案。

4.3 分解目标，逐个击破

由于目前国际上的主流规范包括美国规范和欧洲规范体系庞大，内容繁多，学习起来比较吃力。加上一些学生有语言障碍，很难快速实现教学目标。因此，需要对教学目标进行分解，然后根据情况循序渐进，逐个击破。目标分解应注重逻辑层次，也应注意模块化，注意由简入深、全局到局部、从整体到细节的教学模式。首先，突破语言障碍。应该对桥梁工程专业相关的专业术语进行专门的整理，组织学生对这些专业英语进行专门学习，以减小英文规范的学习难度。其次，制定学习目标，比如从规范的设计理念、极限状态设计法、设计材料指标、荷载及其组合、结构计算方法及构件验算方法等分模块学习，逐个击破。最后，把各个模块的知识点连为整体，进一步深入学习和理解。从以上三步走教学模式，学生就可以对国内外的桥梁主流规范有了较深入的了解。