中美混凝土桥梁设计比较
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中美混凝土桥梁设计比较
一、现代桥梁发展概况
现代桥梁的发展主要在二战以后。
二战期间,大量钢桥被破坏,预应力混凝土桥和斜拉桥开始崭露头角。
1928年,法国Freyssinet工程师首先发明预应力钢筋混凝土。
这种材料克服了钢筋混凝土易产生裂纹的缺点,改进了桥梁的施工方法,有效提高了桥梁的跨度。
20世纪50年代,林同炎对预应力进行了更深入地研究,创造了"预应力学说"理论体系。
预应力理论的完善使预应力钢筋混凝土桥梁得到了飞速发展。
60年代是斜拉桥发展的第一个高峰期。
期间,斜拉桥的技术创新主要体现在两个方面:1、从稀索体系发展到密索体系,更方便拼装:2、桥面从钢桥面变到预应力混凝土桥面,以及两种材料的结合,提高了桥面的性能。
这些创新使斜拉桥在很大跨度范围内成为最有竞争力的桥梁类型。
70年代,预应力技术与斜拉桥的结合产生了采用预应力混凝土桥塔和桥面的P.C.斜拉桥。
其中,最著名的是法国J.Muller设计的Brottone桥,主跨为320m,其最大的拉索达到一千吨级的索力,并创造了另一种钢梁柔塔的法国风格RC,斜拉桥。
同一时期,瑞士著名工程师ChristianMenn教授创造了拉桥和连续刚架桥。
80年代,预应力桥梁在发展过程中也暴露出不少问题。
预应力索在水泥灌浆防腐的管道内发生严重锈蚀,引起了国际桥梁界的普遍关注。
采用体外预应力索能有效地解决这一问题,同时,因为体外预应力索具有可检查、易更换的优点,用它替代体内预应力索还能减薄壁厚,减轻结构自重,所以,体外预应力索得到了快速发展。
沿用水泥灌浆防腐工艺的斜拉桥拉索内,因为水泥收缩和货载作用发生断裂而使防腐失效的问题也得到了重视。
90年代,世界桥梁修建速度越来越快,跨度记录不断刷新。
在建设大型桥梁的过程中,一些新材料、新工艺不断涌现。
法国诺曼底桥采用了平行钢绞线拉索和施工控制技术,丹麦大海带桥采用塔墩防撞技术,日本明石海峡大桥采用高强度钢丝、塔墩深水基础和钢桥塔减震技术,日本多多罗桥采用长拉索防雨振措施,挪威Stolmasundet连续刚架桥采用预应力悬臂施工技术以及大桥健康监测和振动控制技术。
新技术的发展为21世纪桥梁的继续发展奠定了坚实的基础。
二、当前混凝土桥梁设计规范具有明显的区域性
但是,在实际交通运输的过程中,由于汽车荷载的随机性非常大,并且随着经济的快速发展,地区之间的界限也越来越不明显,这样就导致混凝土桥梁区域化设计方面出现一定的难度。
为了保证我国经济的发展,避免因混凝土桥梁安全问题影响经济发展,在我国混凝土桥梁设计过程中有必要参考世界发达国家的混凝土桥梁设计规范,并将其进行比较,从而找出符合我国混凝土桥梁设计的设计规范,为我国混凝土桥梁的建设提供参考。
纵观世界混凝土桥梁设计的规范,内容全面、结构可靠性强的当属美国在1999 年颁布的公路LRFD 桥规和1978 年-1990 年的英国桥规。
本文限于篇幅,仅将我国混凝土桥梁设计和美国美国在1999 年颁布的公路LRFD桥规中关于混凝土桥梁设计的内容进行比较。
三、中美两国桥规中荷载取值的比较
1、我国公路桥涵设计通用规范中关于荷载取值的标准在公路桥涵设计通用规范(2004)中的公路I 级荷载中,关于车道荷载的规范值为10.5KN/m,关于集中荷载的规范值按照桥梁的跨径不同,其取值标准也不同,其具体标准如下:桥梁计算跨径≦5m 时,集中荷载的规范值为180KN;桥梁计算跨径≧50m 时,集中荷载的规范值为360KN;5m<桥梁计算跨径<50m 时,集中荷载的规范值必须在严格的直线内插计算下求出。
车道荷载均布荷载规范值必须满布在让结构产生最差效应同号影响线之上,集中荷载的规范值只对相对应的影响线里面最大影响线的最大值。
对于剪力效应的计算,集中荷载的规范值必须乘以 1.2 的系数。
2、美国桥梁结构设计规范中关于荷载取值的标准
美国桥梁结构设计规范对于载荷取值和我国的规范有明显的不同,美国桥梁结构设计规范中的荷载主要包括车道荷载、卡车荷载以及挂车荷载。
如下图所示,各重轮压力为145KN,其中中轴与后轴之间的间距按照车辆运行时产生的最差影响,其值在 4.3m-9.0m 之間发生变化。
四、中美两国桥规中荷载效应的组合值比较
1、中美两国桥规中荷载的分项系数比较
比较发现,将恒载和活载进行组合,中国的组合值是:1.2Sg+1.4Sha;美国的组合值为1.25Sg+1.75Sha。
2、中美两国桥规中车道荷载的计算关系比较
中国的活载计算:如果按照I 级公路进行计算,此时车道荷载为10.5KN/M,集中荷载标准值为280KN,γ 值取1.4,冲击系数的值取 1.113,那么通过计算,活载值为5113KNm。
美国的荷载计算:单车道荷载值为9.3KN/m,间距为 1.2m双轴荷载为110KN 的γ 值取 1.75,其冲击系数的值取 1.33,通过计算,荷载值为6113KNm。
五、中美两国桥规中结构抗力的计算关系比较
中国极限状态方程式可以表示为:γ0S≤R 。
其中:
在安全等级I 级的情况下,1/γ0和上面的数据比较,与美国设计中的拉弯、轴拉、纯弯类型的构件中的折减系数比较接近,和美国的剪扭、轴压、压弯类型的构件中的折减系数相比较,明显偏大。
我们还可以将安全等级为II、III 级情况下的数据和1/γ0 进行比较,同样可以发现中国的折减系数都比较大,这就说明中国的结构抗力安全系数的取值相对较小。
结束语
通过中美两国混凝土桥梁设计的各个项目比较,找到了中国和美国桥梁设计中存在的异同,这些问题的发现对于我国混凝土桥梁设计具有非常重要的参考价值。
参考文献:
1、JTGD 62-2004. 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.北京:人民交通出版社,2004
2、TTGD 60-2004.公路桥涵设计通用规范.北京:人民交通出版社,2004。