浅析美标体系下高速公路桥梁设计

【作者简介】李博（1984~），男，陕西澄城人，工程师，从事桥梁设计
与科学研究。

１引言
目前，多数中国企业参与到“一带一路”的建设中，巴基斯坦高速公路桥梁设计采用美国标准，但在实际应用中又结合了当地规范和相关工程经验，参数的取用和设计依据难以把控。

本文以巴基斯坦南部某高速公路工程实践为依据，介绍美标体系下桥梁设计理念，参数取用，并说明设计中应注意的问题。

２结构设计方法
美标中关于桥梁结构设计总体上是以可靠度理论为基础，采用荷载-抗力的设计方法，可归纳为公式（1）,公式的左侧为外力作用，在作用效应组合的基础上乘以关于延性、超静定及运营重要性的综合系数；公式右侧为结构设计抗力，采用名义抗力乘以不同受力构件的抗力折减系数，其表达式为：
η∑Y i Q i ≤准R n
（1）
式中，
η∑Y i Q i 为作用效应组合设计值；η为涉及延性、超静定及运营重要性的综合系数；R n 为结构抗力标准值；准为结构抗力系数。

根据当地工程经验，
对于桥涵结构设计，η值一般可取1.1。

对于钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计抗力折减系数准的取值为：
钢筋混凝土的抗弯和抗拉取0.9；预应力混凝土的抗弯和抗拉取1.0；
抗剪和抗扭，常规密度混凝土取0.9；低密度混凝土取0.7。

此处应注意，
对受压的弯曲构件，其抗力系数准值应随着乘有系数的轴载抗力准P n 从0.1f c ′A g 减少到0线性变化至弯曲抗力系数。

（P n 为构件轴向抗力计算值，f c ′为混凝土抗压强度设计值（圆柱体试件），A g 为受压钢筋截面积。

）对于部分预应力混凝土构件，弯曲抗力系数准应按式（2）计算[1]：
准=0.9+0.1（PPR ）（2）
其中，PPR=
A ps f py
A ps f py +A s f y
（3）式中，
PPR 为预应力钢筋所占比例；A s 为非预应力受拉钢筋的面积，
mm 2；A ps 为预应力钢筋的面积，mm 2；f y 为钢筋规定的屈服强度，
MPa ；f py 为预应力钢筋抗拉强度设计值。

浅析美标体系下高速公路桥梁设计
Analysis of Highway Bridge Design Under American Standard System
李博
（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安710075）
LI Bo
(CCCC First Highway Consulants Co.Ltd.,Xi'an 710075,China)
【摘要】针对美标体系下桥梁设计中容易出现的问题，结合巴基斯坦南部某高速公路桥梁设计工程实践经验，从设计方法、材料、
荷载及其组合、地震作用4个方面，分析了在桥梁设计过程中相关参数取值及应该注意的问题，对设计思路和方法进行了总结，可供相关工程技术人员参照。

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】In view of the problems that are easy to appear in the design of bridges under the American standard system,the relevant parameters
and the problems was analyzed from the aspect of design method,materials,load and relevant combination ,seismic action with the practical experience of a highway bridge design project in southern Pakistan.The design ideas and methods were summarized for reference of relevant engineering and technical personnel.
【关键词】美国标准；高速公路；桥梁设计
【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】American standards;highway;bridge design
【中图分类号】U442【文献标志码】B 【文章编号】1007-9467（2019）02-0163-03
【DOI 】10.13616/ki.gcjsysj.2019.02.276
Municipal ·Traffic ·Water Resources Engineering Design
市政·交通·水利工程设计
163
Construction&DesignForProject
工程建设与设计
３钢筋混凝土及预应力混凝土材料
３．１混凝土
美标中混凝土强度试件采用圆柱体准150mm×300mm，在21.1℃的条件下湿养护28d，并在规定的加载速度下测得的强
度为f
c
′作为混凝土结构设计的强度指标[2]。

巴基斯坦当地规范
中规定：“混凝土类别为A、B、C、D
1
、D2、D3、Y类和素混凝土，A1类混凝土应使用在各类非钢筋和钢筋混凝土结构中，以下特别
注明或业主的代表指示位置除外。

水下浇筑的混凝土应为A
2类，最低水泥比重为350kg/m3，收缩量为10~15cm。

用作桩柱的
混凝土应为A
3
类，最低水泥比重为400kg/m3。

B类混凝土应仅用于有明确规定的地方。

C类混凝土应用于水槽，或按照业主
代表指示、特别规定或图纸指定的位置。

D
1
、D2或D3类混凝土应用于预应力混凝土构件。

Y类混凝土应用于钢格栅桥面的填料、加强部位或按照特别规定使用。

素混凝土应用于地基下方的垫层，并按照图纸所示或业主代表指示使用”。

中国标准采用150mm×150mm×150mm的立方体试件，在203℃和相对湿度95%以上的潮湿空气中养护28d，在规定加
载速度下测得的强度称为标准立方体抗压强度，用f
cu,k
表示，由于其强度较为稳定，以此作为混凝土强度的标号，但棱柱体或者圆柱体试件确定的强度更接近实际情况，所以中国标准规定以150mm×150mm×300mm试件确定的混凝土强度作为混凝土结构设计的强度指标，称为轴心抗压强度。

中国建筑科
学院《混凝土结构设计》（2003）给出了圆柱体抗压强度f
c
′
（准150mm×300mm）与立方体抗压强度f
cu
（150mm×150mm×300mm）的关系为[3]：
f c′=（0.79~0.81）f cu（4）
取f
c
′=0.80f cu，混凝土强度保证率95%时的保证率系数为1.646，91%时的保证率系数为1.28，这样将91%保证率的f c′
换算为95%保证率的f
cu，k
的公式为[3]：
f cu，k=1.25×1-1.646δf cu
1-1.28δf cu
f c′（5）
试件抗压强度变异系数δf
cu
可取0.12，则可确定当地标准
中规定的圆柱体混凝土强度f
c
′与中国标准中立方体强度f cu，k 的对应关系，如表1所示。

表１f
c
′与f cu，k对应关系
混凝土类型f c′/PSI f cu，k/MPa
A1 A2 A3 D1 D23000
3500
4000
5000
6000
24.5
28.6
32.7
40.9
49.1
３．２钢筋
美国长期以来在钢筋混凝土结构中趋向于使用高强度钢
筋，目前，大部分采用屈服强度为60000PSI（414MPa）的钢筋，
这样做较经济，可以减少在模板中的钢筋用量，提高混凝土结
构质量。

在ACI规范中允许使用强度高达80000PSI（550MPa）
钢筋，这类钢筋一般是逐渐屈服而没有屈服台阶，要求在规定
的最小屈服强度时，总应变不超过0.35%。

３．３钢绞线
美标ASTM A416/A416M—2012《Standard Specification for
Steel Strand,Uncoated Seven-Wire for Prestressed Concrete》中
规定了7股无涂层钢绞线的性能和要求，可用于预应力混凝
土结构。

在巴基斯坦，依据当地规范，在桥梁结构设计中，钢绞
线应符合ASTM416Grade270，极限拉应力为1860MPa[4]，常
用型号如表2所示。

表２１８６０（２７０）钢绞线型号
等级钢号直径/mm截面面积/mm2
1860（270）
11
13
15
18
11.11
12.70
15.24
17.78
74.2
98.7
140.0
189.7
４汽车荷载
４．１美国标准中关于汽车荷载规定
美国标准规定在公路上及附属结构上的汽车荷载，定义
为H-93L，应包括以下2方面内容。

4.1.1设计车道荷载
设计车道荷载应由一个9.3N/mm的纵向均布荷载组成。

在
横向，应假定设计车道荷载均布在3000mm的宽度上。

设计车
道荷载产生的力效应不受动荷载增计值（冲击系数）的影响。

4.1.2设计货车和设计双轴
设计货车为32t三轴轴重车，最大轴重为142.3kN，并考
虑动载增计值。

设计双轴应在包括一对111.2kN的轴，轴距
1.22m，横向轮距应取为1.83m，并考虑动载增计值（冲击系数）
IM，对静荷载施加的系数应取为（1+IM）/100。

４．２巴基斯坦汽车荷载
1967《西巴基斯坦桥梁设计规范》规定巴基斯坦公路汽车
荷载包括2个等级，车辆荷载“A”和军事荷载“AA”[5]。

车辆荷
载A由一组挂车车队组成，前车后轮与后车前轮中心间距规
定为19.8m，最大轴重为142.3kN；军事荷载为坦克荷载，作用
方式为履带荷载，设计轴重为700kN，需要注意的是军事荷载
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调查结果数量损失经济损失头足（成鱼）鱼卵鱼卵鱼卵仔稚鱼仔稚鱼仔稚鱼鱼（幼）鱼（幼）鱼（幼）虾（幼）虾（幼）虾（幼）蟹（幼）蟹（幼）
蟹（幼）头足（幼）头足（幼）头足（幼）鱼（成鱼）鱼（成鱼）
鱼（成鱼）虾（成鱼）
虾（成鱼）虾（成鱼）蟹（成鱼）蟹（成鱼）蟹（成鱼）头足（成鱼）
头足（成鱼）
卷载效应
影响因素影响因素
温排水影响因素
1.取水量二次循环/一次循环
2.密度海域特征1.排放热量
工程特点
2.稀释条件
海域特征
1.生物品种（海域特征）
2.当地价格
（市场供给）损失大应重视
单价高
单
价高图１影响渔业资源经济损失的因素
著高于二次循环取水方式；海域内鱼卵仔稚鱼及游泳动物的密度、海水稀释条件以及生物品种均与核电厂所在海域特点有关，这就需要选取周围海域生物量相对较少，海域内生物品种经济价值相对较低且海水稀释条件较好的区域建设核电
厂，以此降低渔业资源损失的经济补偿费用。

５结论
综上，为减少核电厂建设过程中的阻力，同时将利润最大化，提出以下建议：（1）在选址过程中充分做好周围海域的水生生态及渔业资源调查工作，选取周围海域生物量相对较少，海域内生物品种经济价值相对较低且海水稀释条件较好的区域；（2）设计阶段，将核电厂运行过程中对周围海域渔业资源经济性影响纳入评估二次循环冷却方式和直流循环方式经济影响比较的重点评估因素之一。

【参考文献】
【1】杨帆,傅小城.某核电厂取排水设计对渔业资源经济价
值影响分析[J].工程建设与设计,2018(6):65-68.
【2】徐兆礼,张凤英,陈渊泉.机械卷载和余氯对渔业资源损失量评估初
探[J].海洋环境科学,2007,26(3):246-251.
【收稿日期】2018-10-20
通行时需进行交通管制，桥梁横向只能通行一辆坦克。

挂车及军事荷载冲击系数取值为：
挂车荷载：
I =4.5L +6
≤0.3（6）
坦克荷载：当L <9m ，I =0.25；当9m<L <45.5m ，I =0.1；当L >45.5m ，
I =0.088。

L 为相关跨径长度，m 。

４．３汽车荷载应用
关于汽车荷载的应用，在巴基斯坦虽然要求依据美国标准，但实际工程设计中普遍采用1967《西巴基斯坦桥梁设计规范》
关于车辆荷载的相关规定，其余荷载及计算方法均采用美标中的内容。

在结构验算时，
一般应同时计算挂车荷载“A ”和军事荷载
“AA ”的荷载效应，然后依据ASTM A416/A416M —2012《Standard Specification for Steel Strand,Uncoated Seven-Wire for Prestressed Concrete 》
中的相关规定计算其他荷载效应并进行组合，以最不利荷载对结构进行验算。

５地震分析
关于抗震分析，巴基斯坦当地习惯采用弹性系数法，第m 振型的地震弹性反应系数C s m 为：
C s m =1.2AS T m 2/3
≤2.5A
（7）
式中，T m 为第m 振型的震动周期；A 为加速度系数；S 为场地系数。

根据当地工程经验，在巴基斯坦南部平原地区地震加速度系数可取0.15～0.16。

场地系数应根据土壤剖面类型进行选择。

６结论
以巴基斯坦南部某高速公路项目为依托，从设计方法、材料性能、设计荷载、抗震分析4个方面介绍了美国标准在桥梁结构设计中应用的经验和体会，说明相关参数的取值和设计思路；同时指出在巴基斯坦高速公路桥梁设计实践中，总体上依据美国标准，对一些参数的取值参照当地规范取用。

【参考文献】
【1】ASTM A416/A416M —2012Standard Specification for Steel Strand,
Uncoated Seven-Wire for Prestressed Concrete[S].【2】1998巴基斯坦施工总体规范[S].
【3】贡金鑫,魏巍巍,胡家顺.中美欧混凝土结构设计[M].北京:中国建筑
工业出版社,2007.
【4】2006高速公路桥梁设计标准[S].【5】1967西巴基斯坦桥梁设计规范[S].
【收稿日期】2018-10-17
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