基于歐洲規(guī)范的人行天橋結(jié)構(gòu)分析

馬 韜

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

阿爾及利亞位于非洲西北部,全稱為阿爾及利亞民主人民共和國,面積238.17萬km2,人口3136萬,大多數(shù)是阿拉伯人,其次是柏柏爾人。伊斯蘭教為國教,官方語言為阿拉伯語,通用法語。 阿爾及利亞南部為占國土面積80%的沙漠,中部為寬闊平緩的高原,地中海沿岸為狹窄的濱海平原。河流多為間歇河。沿海地帶屬地中海氣候,南部沙漠地屬熱帶沙漠氣候。年降水量在700 mm以下。阿爾及利亞東西高速公路東連突尼斯、西接摩洛哥,它既是阿爾及利亞貫穿東西方向的主要交通大動脈,又是北非地中海沿岸國家重要的戰(zhàn)略通道,是北部非洲馬格里布(阿拉伯五國聯(lián)盟)高速公路的重要組成部分。阿爾及利亞東西高速公路建設(shè)項目是我國首次通過國際競標獲得的大型工程項目,工程承包人為中信-中鐵建聯(lián)合體(CITIC—CRCC)。根據(jù)項目合同要求,本項目必須按照歐洲標準(以法國規(guī)范為主)進行設(shè)計和施工,設(shè)計主要采用法國規(guī)范和源于法國規(guī)范的阿爾及利亞規(guī)范[1-3]。

1 項目采用歐洲標準的構(gòu)成和特點

1.1 歐洲標準及法國規(guī)范結(jié)構(gòu)體系

本項目所在地為阿爾及利亞,當?shù)赝聊竟こ淘O(shè)計標準主要采用歐洲標準體系中的法國規(guī)范。歐美高等教育本科階段學(xué)科劃分較粗,土木工程專業(yè)下并未如國內(nèi)細分為工民建、公路、鐵路、水工等二級學(xué)科,土木工程咨詢及施工公司的業(yè)務(wù)大多涵蓋了所有土建工程。歐洲土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(EN 規(guī)范簡稱歐洲規(guī)范)是由一系列相互配套使用的土木設(shè)計規(guī)范組成的,適用于各行業(yè)的土木工程。歐洲規(guī)范作為以EN為標準的歐洲標準,具有國家標準的合法地位,但考慮到每一成員國之間安全水平的不同,保留各成員國根據(jù)他們的具體情況確定與安全有關(guān)的參數(shù)值的權(quán)利,這些參數(shù)匯總于國家附錄中,形成在統(tǒng)一標準下的本國規(guī)范。NF EN規(guī)范為法國發(fā)行的基于歐洲標準的法國規(guī)范,包括了歐洲標準化協(xié)會發(fā)行的歐洲規(guī)范(含有各種附錄)、法國的標題及前言頁及法國的“國家附錄”。NF EN規(guī)范目前已成為采用法國標準的土木工程的主要執(zhí)行規(guī)范。法國國內(nèi)采用的公路工程標準、規(guī)范及技術(shù)指南由多家研究機構(gòu)或部門編制,沒有統(tǒng)一編碼[1-3，10，11]。其主要來源于：(1)法國發(fā)行的歐洲土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(NF EN)；(2)由法國經(jīng)濟財政與工業(yè)部下發(fā),法國運輸、建設(shè)、旅游和海洋部編制的《公共設(shè)施建筑行業(yè)的總技術(shù)條款匯編(CCTG)》；(3)法國公路和高速公路研究所(SETRA)；(4)法國隧道研究中心(CETU)。

1.2 本項目采用設(shè)計標準規(guī)范

(1)公共設(shè)施建筑行業(yè)的總技術(shù)條款匯編62分冊第一節(jié)(CCTG Fascicule 62—Titre Ⅰ (Section Ⅰ))

(2)公共設(shè)施建筑行業(yè)的總技術(shù)條款匯編62分冊第二節(jié)(CCTG Fascicule 62—Titre Ⅰ (Section Ⅱ))

(3)阿爾及利亞橋梁荷載標準(CPC Fascicule 61—Titre Ⅱ)

(4)法國地震區(qū)常用橋梁設(shè)計指南(Ponts courtants en zone sismique de SETRA)

(5)阿爾及利亞抗震標準(RPA 99/VERSION 2003)

(6)歐8規(guī)范-結(jié)構(gòu)物抗震計算(NF EN1998-1,1998-1/NA,1998-2,1998-2 /NA)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

PK0+500 PIO-1橋為上跨東西高速M5標段的人行天橋,根據(jù)功能分類,屬于PS橋(支線上跨橋)。PS橋跨越的障礙物為東西高速公路主線,墩臺高度相對固定,橋梁的跨徑選擇范圍為18～35 m,分跨為1～4孔。結(jié)合本橋具體情況,考慮美觀的結(jié)構(gòu)形式和施工方便,決定上部采用采用2×20 m連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu),下部采用矩形薄壁橋墩配擴大基礎(chǔ),見圖1。

圖1 人行天橋總體布置(單位：cm)

2.2 技術(shù)標準

橋梁類別：鄉(xiāng)道(人行天橋),一級橋梁；

氣象區(qū)劃：B類地區(qū)(溫和或干燥地區(qū))；

環(huán)境濕度：ρh=45%；

跨徑組合：2×20.0 m；

斜交角度：90°；

橋面寬度：0.25 m(欄桿)+2.5 m(人行道)+0.25 m(欄桿)=3.0 m；

設(shè)計荷載：人群4.5 kN/m2[9]；

預(yù)應(yīng)力度：Ⅱ類結(jié)構(gòu)[4-5]；

地震區(qū)段：橋址位于地震頻發(fā)的Ⅲ區(qū),動峰值加速度系數(shù)為0.4g[6-8]；

場地類別：S2類(堅固場地)；[6-8]

2.3 上部結(jié)構(gòu)尺寸

橋面寬3.0 m,橫向布置1片單箱單室箱梁,現(xiàn)澆箱梁高1.00 m,橋面鋪裝厚10 cm,見圖2。上部結(jié)構(gòu)及橋面的荷載通過梁底設(shè)置的板式橡膠支座傳遞到橋墩、梯道和基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)采用支架現(xiàn)澆法施工,下部結(jié)構(gòu)采用常規(guī)施工方法。

圖2 天橋結(jié)構(gòu)(單位：cm)

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)計算方法及參數(shù)

根據(jù)CCTG Fascicule 62—Titre Ⅱ (Section Ⅱ)規(guī)定,上部結(jié)構(gòu)計算采用極限狀態(tài)法進行設(shè)計。極限狀態(tài)法包括正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)(E.L.U),結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或者達到不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)(E.L.S),結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性能中某項規(guī)定限度的狀態(tài)[4，5,10，11]。結(jié)構(gòu)分析計算采用土木工程專用計算軟件Midas/Civilv.2007和Robot/OfficeV.20進行,其中靜力計算及應(yīng)力驗算采用Midas/Civilv.2007,截面配筋計算采用Robot/OfficeV.20。箱梁采用梁單元模擬,全橋結(jié)構(gòu)計算模型如圖3所示。全橋共劃分梁單元42個,與梁單元相關(guān)的節(jié)點46個,另外還有3個預(yù)應(yīng)力鋼束單元和3個邊界單元。

圖3 計算模型

上部箱梁結(jié)構(gòu)采用RN40混凝土,RN40混凝土為阿爾及利亞標準,其參數(shù)與歐洲標準相同,與我國標準差異較大。我國規(guī)范GB 50010—2002將立方體強度值作為混凝土強度的基本指標,并把立方體強度作為評定混凝土強度等級的標準。歐洲規(guī)范混凝土強度等級用混凝土圓柱體抗壓強度特征值fck(5%分位值)或立方體抗壓強度特征值fck,cube表示。RN40混凝土表示圓柱體強度特征值為40 MPa的混凝土[10-11]。其強度發(fā)展曲線和收縮徐變曲線見圖4～圖6。

圖4 強度發(fā)展曲線

圖5 收縮發(fā)展曲線

圖6 徐變發(fā)展曲線

預(yù)應(yīng)力荷載在各狀態(tài)下計算參數(shù)不同：承載能力極限狀態(tài)(E.L.U),預(yù)應(yīng)力作用力的平均值(概算值)：Pm=P0-ΔP；正常使用極限狀態(tài)(E.L.S),預(yù)應(yīng)力作用力的計算值：Pd=max{P1;P2},P1=1.02P0-0.80ΔP(可用來檢驗施工流程)；P2=0.98P0-1.20ΔP(可用來檢驗長期效應(yīng))[4-5],其中，P0為初始張拉預(yù)應(yīng)力,ΔP為預(yù)應(yīng)力損失。

3.2 結(jié)構(gòu)分析控制參數(shù)

(1)荷載組合：根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計的概念,按照概率極限狀態(tài)法進行設(shè)計,對結(jié)構(gòu)處于不同狀態(tài)下的荷載組合見表1。

表1 荷載組合

注：Pd—預(yù)應(yīng)力荷載；Gmax—恒荷載極大值；Gmin—恒荷載極小值；Qprc—施工荷載；FA—偶然荷載；Qr—活荷載；Qrp—特殊活荷載；T—均勻溫度荷載；Δθ—溫度梯度荷載。

(2)混凝土應(yīng)力控制：根據(jù)CCTG Fascicule 62-Titre Ⅰ (Section Ⅱ)中對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)物在各階段各狀態(tài)下的應(yīng)力控制要求,本橋的應(yīng)力控制見表2～表4。

3.3 計算結(jié)果

表2 壓應(yīng)力控制

注：fbu—極限狀態(tài)下壓應(yīng)力限值；fcj—混凝土抗壓強度；θ—與荷載效應(yīng)相關(guān)的系數(shù)；γb—荷載組合相關(guān)的安全系數(shù)；fbc—正常使用狀態(tài)下壓應(yīng)力限值；fc28—混凝土28 d抗壓強度。

表3 拉應(yīng)力控制

注：fts—正常使用狀態(tài)下拉應(yīng)力限值；ftj—混凝土抗拉強度。

表4 剪應(yīng)力控制

表5 施工階段截面應(yīng)力 MPa

表6 運營階段截面應(yīng)力 MPa

(1)截面正應(yīng)力

施工階段,正常使用狀態(tài)(E.L.S)下,截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力。運營階段,正常使用極限狀態(tài)(E.L.S)下,頻遇組合(frequent combination)下未出現(xiàn)拉應(yīng)力,標準組合(characteristic combination)下,上緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力,下緣最大拉應(yīng)力為-0.31 MPa。應(yīng)力狀態(tài)滿足設(shè)計要求。

(2)截面剪應(yīng)力

運營階段,承載能力極限狀態(tài)(E.L.U)下,截面最大剪應(yīng)力為1.84 MPa。正常使用極限狀態(tài)(E.L.S)下,截面最大剪應(yīng)力為1.27 MPa,均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本項目按照歐洲標準建設(shè),設(shè)計中主要采用法國規(guī)范及基于法國規(guī)范的阿爾及利亞規(guī)范。與現(xiàn)行中國公路橋涵規(guī)范既有相似之處,也有較大的區(qū)別。總體來講其結(jié)構(gòu)體系接近于我國建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范,對橋梁工程施工及運營過程中的各種因素考慮非常全面,并且對各種細部構(gòu)造均有詳細的規(guī)定。但是歐洲規(guī)范結(jié)構(gòu)體系龐大繁雜,實際運用中可操作性差,對工程技術(shù)人員專業(yè)素質(zhì)要求高。

相似處如下。

(1)中歐規(guī)范均采用極限狀態(tài)法作為設(shè)計基礎(chǔ),設(shè)計方法和思想相似,但中國規(guī)范采用的是基于可靠度的設(shè)計方法,而歐洲規(guī)范的分項系數(shù)主要是根據(jù)經(jīng)驗系數(shù)確定。

(2)在抗力設(shè)計方面,中歐規(guī)范均采用材料強度設(shè)計值(標準值除以材料分項系數(shù))。

(3)對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),2種規(guī)范均采用截面應(yīng)力作為控制結(jié)構(gòu)狀態(tài)的主要標準。

不同處如下。

(1)歐洲規(guī)范充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)運營階段的維修養(yǎng)護問題,對橋面系荷載給予0.8～1.2的調(diào)整系數(shù),以便于考慮結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的安全性,而中國規(guī)范未考慮此情況。

(2)歐洲規(guī)范對有效預(yù)應(yīng)力的計算考慮了最大最小2種不利情況,充分考慮了施工中的實際情況,而中國規(guī)范對此未有明確規(guī)定。

(3)在正常使用極限狀態(tài)下,歐洲規(guī)范對截面正應(yīng)力控制分為保護截面(靠近預(yù)應(yīng)力鋼束)和其他截面分別控制,保護截面控制嚴格,其他截面較寬松。中國規(guī)范則對截面統(tǒng)采用同一標準控制。

(4)在承載能力極限狀態(tài)下,中國規(guī)范主要采用截面抗力控制結(jié)構(gòu)尺寸,而歐洲規(guī)范主要采用正截面壓應(yīng)力進行控制。

(5)在正常使用極限狀態(tài)下,中國規(guī)范主要采用主壓和主拉應(yīng)力控制斜截面應(yīng)力狀態(tài),歐洲規(guī)范則主要采用截面剪應(yīng)力進行控制。

參考文獻：

[1] 李軍,余培玉.阿爾及利亞東西高速公路橋梁設(shè)計總體思路[J].公路,2008(9)：209-211.

Li Jun,Yu Peiyu. Algerian general idea of East-West Highway Bridge Design[J]. HIGHWAY,2008(9):209-211.

[2] 丁小軍.歐洲(法國)公路設(shè)計標準、規(guī)范體系的特點及構(gòu)成[J].公路,2008(9)：1-3.

Ding Xiaojun. Europe (France) highway design standards,specifications and features of the system constitutes[J]. HIGHWAY,2008(9)：1-3.

[3] 丁小軍,王佐.法中公路設(shè)計標準、規(guī)范的差異比較[J].公路,2008(9)：7-15.

Ding Xiaojun,Wang Zuo. In the law of the highway design standards and norms of the difference of the comparison[J]. HIGHWAY,2008(9)：7-15.

[4] 法國經(jīng)濟、財政和工業(yè)部合同中央委員會.通用技術(shù)條款62分冊第一章第一節(jié)[S].巴黎:法國經(jīng)濟、財政和工業(yè)部合同中央委員會,1999.

[5] 法國經(jīng)濟、財政和工業(yè)部合同中央委員會.通用技術(shù)條款62分冊第一章第二節(jié)[S].法國 巴黎:經(jīng)濟、財政和工業(yè)部合同中央委員會,1999.

[6] 法國標準化協(xié)會.歐洲結(jié)構(gòu)物抗震規(guī)范8[S].巴黎:法國標準化協(xié)會,2005.

[7] 阿爾及利亞 阿爾及爾：國家抗震研究中心.阿爾及利亞抗震標準 RPA 99/[S].2003年版.阿爾及利亞 阿爾及爾：國家抗震研究中心,2003.

[8] 國公路和高速公路技術(shù)設(shè)計服務(wù)技術(shù)工程中心.地震區(qū)常用橋梁設(shè)計指南[S].巴黎：法國公路和高速公路技術(shù)設(shè)計服務(wù)技術(shù)工程中心,2000.

[9] 阿爾及利亞 阿爾及爾公共工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及服務(wù)研究部.阿爾及利亞結(jié)構(gòu)工程計算公共規(guī)定手冊61分冊第二章[S].阿爾及利亞 阿爾及爾：公共工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及服務(wù)研究部,1999.

[10] 貢金鑫,等.中美歐混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[11] 貢金鑫,等.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(按照歐洲規(guī)范)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.