1、1 0 世 界 桥 梁 2 0 1 2 , 4 0 ( 3 ) 刚果 ( 布 ) 国家 1号公路二期工程钢筋 混凝土桥设计 黎述 亮 。 杨 勇 , 张建 芝 , 李俊 。 李 学 有 ( 中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北 武汉 4 3 0 0 6 3 ) 摘 要 :为在海外工程 中合理运用欧洲规范进行钢筋混凝土桥设计与计算 , 以刚果( 布) 国家 l号公路 二期工 程钢筋混凝土桥为例 , 介绍采用欧洲规范进行钢筋混凝土桥设计的总体思路、 结构 型式 、 结构 计算等 内容。桥梁参 考工程所在地实际情况 、 一期工程设计文件桥型的继承 、 标准化设计 、 法国规范及 其工程
2、 习惯 和施 工方特长 等进行 设计 ; 采用线 弹性分析方法进行结构分析 , 验算结 果均符合 规范要求 。对 比发现 , 欧洲 规范与 中国规 范差异较 大 , 设计者在运用欧洲规范指导设计时须具有扎实的理论 和计算功底 。 关 键 词 :钢 筋 混 凝 土桥 ; 欧 洲 规 范 ; 设 计 ; 计 算 中图分 类号 : U4 4 8 . 3 4 ; U4 4 2 文献标志码 : A 文章编 号: 1 6 7 1 —7 7 6 7 ( 2 0 1 2 ) 0 3 一o 0 1 o 一0 5 1 概 述 刚果 ( 布 ) 国家 1 号公 路是 连接 刚果 ( 布) 首 都布 拉
3、柴维尔与第二大城市、 非洲西部重要的港 口城市 黑 角之 间 的一 条重 要 交 通要 道 , 与 已建成 的 2号 公 路 相连 , 路线 全长 6 0 0 k m[ 1 ] 。 刚果 ( 布) 国家 1 号公路二期工程共分为 2个标 段 , 其 中明都 利 一 布 拉柴 维 尔 段 是 刚 果 ( 布 ) 国家 1 号 公路全 线设 计 、 施 工条 件较 为复杂 的一 段线路 , 长 约 1 6 0 k m, 共设 桥梁 6座 , 其 中钢 桥 2 座 , 钢 筋混 凝 土桥 4 座 。根据总包单位及法方咨询单位 的要求 , 桥 梁结构 采用 欧洲 规 范 进行 设 计
4、 同时 参 考 法 国规 范及其工程习惯。该标段桥梁工程前后经历了初步 设计 、 详 细设计 、 详 细 设 计 意见 、 施 工 图设 计 等设 计 阶段Ⅲ 2 ] 。本文 主要介 绍其 中 4座 钢筋 混凝 土桥 的设 计 与计算 , 作 为运 用 欧洲 规 范 进 行海 外 桥 梁 工程 设 计 的一个 实 例 , 可 为 今后 类 似 的 海外 工 程 项 目桥 梁 设 计提供 参 考 。 2钢筋 混凝 土桥 的设计 2 . 1 总 体设计 思 路 结合 刚果 ( 布 ) 国家 1号公 路 现 场 实 际情 况 , 依 据“ 技术先进 、 安全可靠、 适用耐久、
5、经济合理” 以及 满 足美观 、 环境 保 护 和可 持 续 发 展 的要 求 等 基本 原 则 l 3 ] , 在 钢 筋混 凝 土 桥 的设 计 时 主要 考虑 以下 一些 因素 。 2 . 1 . 1工程所 在地 实 际情况 刚果 ( 布 ) 工业 极其 落后 , 当地物 资 匮乏 , 运 输亦 不方便 , 工程所在地部分穿越原始森林区, 在桥梁设 计 时 , 需 要 充 分 考 虑 桥 梁 施 工 的可 行 性 和 经 济 性 。 如 当地 较难买 到或 租 到 支 架 , 需要 尽 量 少 地 将桥 梁 结 构设计 成现 浇结 构 ; 当地大 型 吊装 设备 较少
6、 需尽 量 减小 预制结 构 的跨 度 。 2 . 1 . 2 一期 工程设 计文 件桥 型的继 承 由于刚果 ( 布 ) 国家 1号公 路 已经进行 了一期 工 程 , 二期 工程进 行桥 梁工 程设计 时 , 一些 常规 桥梁采 用 与一 期工程 相 同的结 构形式 , 有 利于加 快设 计 , 便 于施工 及节 约成本 , 也有 利于加 快 图纸 的审批 工作 。 但 一期 工程采 用法 国规 范 , 而 二期 工 程 要 求 采 用 欧 洲 规范 , 不能 生搬硬 套 。 2 . 1 . 3标准化 设计 对 常规 桥 梁 尽量 采 用标 准 化设 计 , 以有 效
7、 提 高 设计质量, 提高设计和施工 的效率 , 降低施工成本 , 并 可实 现 良好 的 可维修 性和 可更换 性 。 2 . 1 . 4 法 国规范及 其工 程 习惯 该 项 目按 照 法 国 的勘察 设 计 管理 模 式 , 聘 请 独 立 于承 包商 之外 的第三 方咨 询公 司 ( 法 国咨 询公 司) 实施对 工程 的勘察 设计 监督 工作 。项 目所有 设计 施 工文件 均需 经监 理工 程 师 审 查 , 并 最终 在 设 计 文 件 上签字 盖章 , 因 而在设 计 时多 参 考 法 国规 范 及 其 工 程习惯有助于加快图纸 的审批及修改 , 如法方监理
8、 要 求钢 筋连 接尽 量不要 采用 工地 焊接 而采 用绑扎 形 式 , 故 该项 目桥涵 钢筋 均采用 绑扎 连接 。 2 . 1 . 5 维 护承包 商 的利 益 该 项 目由 中 国企业 总 承包 , 设 计 时 在 合理 范 围 收 稿 日期 : 2 0 1 1 —0 8 —1 5 作者简介: 黎述亮 ( 1 9 8 5 一) , 男 , 工程师 , 2 0 0 7年毕业于华 中科技大学土木工程专业 , 工学学士 , 2 0 0 9年 毕业于华 中科技 大学桥梁与隧道 工程 专业 , 工学硕士 ( E — ma i l : x h n l s l @1 6 3 . c o
9、rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刚果 ( 布) 国家 1号公 路二期工程钢 筋混凝 土桥设计 黎述亮 , 杨 勇 , 张建芝 , 李 俊 , 李学有 内考虑施工方在桥梁建设方面的特长 , 并力求 加快 施工进度, 降低施工成本 。 2 . 2桥梁设 置 根据 该段 线 路 地形 实 际情 况 , 考 虑 以上桥 梁设 计思 路 , 该标 段 内 4座 中 桥均 采 用 钢 筋混 凝 土 简 支 梁桥 ( 先简支后桥面连续) , 简支梁跨径分 为 1 3 m 和 1 6 m, 桥 宽 1 5 . 5 m 2 . 3 结 构型式
10、钢筋 混凝 土简 支梁桥 上部 结构横 向设 8片 矩形 主梁 , 1 6 m 跨 度 的矩 形 预 制梁 ( 见 图 1 ) 高 1 . 1 5 m, 1 3 m 跨度 的矩 形预 制梁 高 0 . 9 5 m。预制 梁 上铺 厚 2 0 c m 的现 浇混凝 土 桥 面板 , 桥 面铺 装 采 用 厚 5 c m 的沥青 混凝 土铺装 层 。桥梁全 宽 1 5 . 5 m, 横断 面组 成为 : 0 . 3 5 2 m( 护栏 ) +0 . 8 9 8 m( 人行道 ) +1 3 m ( 桥面 净宽 ) +0 . 8 9 8 m( 人 行 道 ) +0 . 3 5 2 r n
11、 护 栏 ) 。 桥墩 采 用 柱 式 墩 、 桩 基 础 , 桥 台 采 用 肋 板 台 、 桩 基 础 。 3 结构计 算 3 . 1 设计 参数 3 . 1 . 1 混凝 土 欧洲 规范 混凝 土强度 等级 是用 2 8 d龄期 的 圆柱体抗压强度标准值 厂 t 或立方体抗压强度标准 值 , c 来表示 的, 表示方法为“ / , ” 。该项 目钢筋 混凝 土桥 主 梁 、 横 梁 、 桥 面板 采 用 C 3 5 / 4 5混 凝 土 , 桥 墩 、 墩 盖 梁 、 台 帽 、 肋 板 采 用 C 3 0 / 3 7混 凝 土 , 承 台 、 桩基 、 系梁采用
12、 C 2 5 / 3 0混凝 土 。 3 . 1 . 2 钢筋 《 欧洲规 范 2 : 混 凝 土结 构 的设 计 》 [ 7 ] 中 明 确 指 出该 规 范 适 用 于屈 服 强 度 为 4 0 0 ~ 6 0 0 MP a的 钢 筋, 其常用钢筋型号为 B 5 0 0 A、 B 5 0 0 B 、 B 4 5 0 C( 数值 代表屈服强度标准值 , A、 B、 C为延性等级) , 可见欧 洲规范偏向于中、 高强度级别钢筋 , 由于该项 目采用 中 国 规 范 的 钢 筋 , 故 钢 筋 混 凝 土 桥 主 筋 采 用 1 55 0 HR B 4 0 0钢筋 。 3 .
13、 2 荷载取值 在进行结构计算时 , 分别考虑了结构 自重、 土重 力 、 土压 力 、 混 凝 土 收缩 徐 变 、 汽车 荷 载 、 人群 荷 载 、 温度作 用、 风荷载 等。本 文主要 介绍 汽车荷 载 的 取值 。 3 . 2 . 1 理论 车道划 分 根据欧洲规范 , 在进行汽车荷载效应计算时 , 首 先 需 对桥 面 划 分理 论 车 道 , 欧洲 规 范[ 9 理论 车 道 划 分 原则 为 : 理论 车道数 是 以行 车道 总宽 除 以 3 , 然 后 舍 去小 数部 分 , 剩 下 的 整 数部 分 就 是 桥梁 的理 论 车 道数 。矩形 梁桥 桥面
14、总宽 为 1 5 . 5 1T I , 其 中行 车道 宽 1 3 1T I , 则 矩 形梁 桥 行车 道 可 以划分 为 4个 理论 车道 +l I T I 的剩余区域( 见图 1 ) 。 3 . 2 . 2 汽车荷 载 结构 整体 计算汽 车荷 载考 虑 欧洲 规 范 o ] 荷 载 模 式 1 、 荷 载模式 2 ( 见 图 2 ) 、 荷 载模 式 3 、 荷 载模 式 4 , 局部计算时分别考虑荷载模式 1局部计算模式和 荷载模式 2 , 取二者大值 。汽车轮压通过桥面铺装 和混凝土板按照横 向与竖向 1: l的比例扩散 , 直至 扩 散 到混凝 土 板 的 中心
15、 。人 群 荷 载 按 3 k N/ m。考 虑 。本 次设 计考 虑 的特殊荷 载 ( 荷 载模 式 3 ) 包 括 民 用车辆和军用车辆 , 具体荷 载取值参照 E N 1 9 9 1 — 2 法 国附录 A嘲 中的 C 2 车 辆和 Mc 1 2 0型 坦克 。荷 载 模式 1标准值及调整系数见表 1 。 3 . 3 结构 分析 欧洲 规范 。 针对 钢 筋 混凝 土 构 件 介绍 了多 种 结构分析方法 , 主要包括线弹性分析 、 有限重分布的 线弹性分析、 塑性分析 、 非线性分析等方法 , 各方法 都有相应的适用条件 。该项 目钢筋混凝土桥梁结构 分析采用线弹性
16、分析方法。 3 . 4 承 载能 力极 限状态 ( UL S ) 验算 3 . 4 . 1 正截面抗弯验算 与 中 国公 路桥 规 。 类 似 , 欧 洲规 范 在 正截 面 3 5 . 2 1 . 8 9 . 8 3 0 0 . 0 . 3 0 0 . 0 . 3 0 0 . 0 . 3 0 0 . 0 . 1 0 0 . 0 . 8 9 . 8.} 3 5 . 2 。人行道 车道l 。 车道2 。 车道3 。 车道4 剩余 人行道 1 5 7 . 1 4. 5 0. 1 5 7 . 1 4 5 0. 1 5 7 . 1 4. 5 0. 1 5 7 . 1 4. 5 0.. 2
17、5 图 1 1 6 m跨径主梁横 向布置示意 单位 :c m 鲁 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 世 界 桥 梁 2 0 1 2, 4 0 ( 3 ) 岳 — E b _ i l 善善 ( a )荷载模式l ( 整体计算) ( b )荷载模式1 ( 局部计算) ( C )荷载模式2 单位:ff l 图 2欧洲规 范荷载模式 1 和荷载模式 2计算图示 表 1 荷载模式 1 标准值及调整系数 要 求 。 双轴集 中力 系统 TS 均布力 UDL 加载部位 ———— 轴载 Q k / k N 调整系数 口 g lk / k N m
18、 调整系数 口 承载力计算时也采用平截面假定, 根据力和弯矩的 平衡 条件 建立方 程 来 求解 , 对解 出 的构 件截 面 混 凝 土受压区高度 z需满足以下要求 : 当混凝土强度等 级≤C 5 0 / 6 0时 , 4o . 3 0 d ( d为构件 截面 有效 高度 , 下同) ; 当混凝土强度等级≥C 5 5 / 6 7时, -z ≤0 . 2 3 d。 以该项 目 1 6 m 跨度的钢筋混凝 土主梁 ( 后文 验算亦 以此主梁验算为例) 跨中截面抗弯验算为例: ①根据平 衡 条件建 立方 程, 解 出 lz 一9 3 . 4 mm A⋯。 , A V副, 按 构造
19、配 置腹 筋 , 否则 需 按计 算 配置腹筋 。欧洲规范以桁架模型为基础计算有腹筋 钢筋混凝土构件的抗剪承载力 , 计算图示见图 3 。 对有腹筋受弯构件斜截 面受剪承载力 , 欧洲规 范_ 5 给出以下两式进行计算 , 取两式的较小值 , 其 中 应满 足 1 ≤ c o t 0 ~ 2 . 5 。 △ , V 一 ( c o t 0+ c ot a) s i n a ( 2 ) V R d . ⋯ f e d b z ( 3 ) 式 中相关 变量 含义及 取值 见欧 洲规 范【 ] 。 该 桥主 梁 端 部 剪力 设 计 值 V a 一 1 1 1 5 . 7 k N,
20、 先 按式 ( 1 ) 求 得抗 剪 承 载 力 为 V R d 一 2 7 4 . 4 k N> V . i 一 2 0 8 .6 k N, 而 V R d . 。 一 2 7 4 . 4 k N< VE d 一 1 1 1 5 . 7 k N, 故需按计算配置抗剪箍筋。按式( 2 ) 和 ( 3 ) 计算 需 配 置 箍 筋 为 : A / s =V a / z 厂 d c o t 0 = 注:A 为受压翼缘;B 为压杆:C 为受拉翼缘:D 为腹筋。 图 3钢筋混凝土构件桁架模型计算图示 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刚果 ( 布)
21、国家 1 号公路二期工程钢筋混凝土桥设计 黎述亮 , 杨勇 , 张建芝 , 李俊 , 李 学有 1 3 1 1 . 1 5 c m。 / m, 而 欧 洲 规 范 规 定 构 造 最 小箍 筋 面积 为: A / s — i b 一0 . 0 8 b~ / _厂 ck / k 一5 . 9 2 c m 2 / m, 最 终 主梁选 用 2肢 1 2箍 筋 , 主梁 端 部 箍 筋 间距 0 . 1 0 m, 则 A / s 一2 2 . 6 2 c m 。 / m, 满 足抗剪承载力要 求 。 3 . 5 正常使用极限状态( S L S ) 验算 3 . 5 . 1 应力 验算
22、欧 洲 规 范 对混 凝 土 压 应 力 和 钢 筋 拉 应 力 的 限 制 ~ 7 是 : ①在荷 载标 准值组合下 , 对暴露等 级为 X D、 X F和 X S的环境下 , 不超过 k t , k 的建议值 为 0 . 6 。② 在 准 永 久 荷 载 下 混 凝 土 的 应 力 小 于 k 。 f 。 , 认 为 徐 变 是 线 性 的 。 当 混 凝 土 应 力 大 于 k 。 , 应考虑非线性徐变 , k 。的建议值为 0 . 4 5 。③ 在荷载标准值组合下 , 钢筋拉应力不超过 k 。 f , 如 果应 力是 由外 加 变形 引起 的 , 拉 应 力 不 超 过
23、k f , k 。 和 k 的建 议值 分别 为 0 . 8和 0 . 7 5 。 对该 桥 主梁 , 依据 开 裂 后截 面 特性 计 算混 凝 土 和钢 筋 的应力 : ① 主梁 跨 中标 准值 组 合 下 混凝 土 最 大压 应力 一1 0 . 0 MP a %0 . 6 f k 一2 1 MP a , 钢筋 最 大应 力 一2 5 4 . 3 MP a 24、 因此 线 性 徐 变是 适用 的 。 3 . 5 . 2 裂 缝验 算 ( 1 )裂缝 宽度 限值 。欧洲 规 范对 钢 筋混 凝 土桥 规定的最大裂缝宽度限值为 : 在准永久值组合下 , 最 大裂缝宽度限值 W 一0 . 3 mm。本次设计中, 对裂 缝 宽度 的限值 要求统 一设 定为 0 . 2 mm。 ( 2 )裂缝 控制 的最 小钢 筋 面积 。欧 洲规 范 给 出 了满 足裂 缝控 制要求 需要 的受拉 区有粘结 钢筋 的最 小数 量 , 计算公 式 为 : A⋯i d 一 是 k fe t , e f f A。 ( 4 ) 式 中 , A 为 裂 缝 控 25、制 要 求 的 受 拉 区 钢 筋 最 小 面 积 ; A 为受 拉 区混凝 土 面 积 ; 为 混 凝 土 刚开 裂 时 钢筋的允许最大应力绝对值 , 可取钢筋的屈服强度 标准 值 f t ; “ 为混 凝 土即将 开裂 时的抗 拉强度 平 均值 , 应大于 2 . 9 MP a ; k为考虑不均匀 自平衡应力 影 响的 系数 ; k 为在 即将 开 裂 的截 面 内考 虑应 力 分 布特 性 和力臂 变化 的系数 。 该桥 主梁 下缘配 置 1 5根 4 2 8钢 筋 , 上缘 配 置 5 根 2 0钢筋 , 根据式( 4 ) 可求得满足裂缝控制要求需 要的受拉区钢筋的最小
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