對(duì)2015版公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范若干條文的理解與思考

劉甜甜 陳正星 陳耀軍 王亞萍

摘要 通過對(duì)比中日幾本鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)受壓加勁肋剛?cè)嵝耘袛唷澕魪?fù)合應(yīng)力、角焊縫計(jì)算長度及鋼箱梁隔板需求剛度等內(nèi)容，總結(jié)出設(shè)計(jì)中對(duì)新版《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D60—2015）（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）的幾點(diǎn)體會(huì)，供設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工程中參考使用。

關(guān)鍵詞 受壓加勁肋; 剛?cè)嵝耘袛? 橫隔板; 需求剛度

中圖分類號(hào) U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）03-0181-03

0 引言

近年來，隨著國家政策引導(dǎo)，鋼結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用越來越多。1986年版公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁規(guī)范，編制年代久遠(yuǎn)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)公路鋼橋建設(shè)發(fā)展的形勢(shì)需求。2009年，國務(wù)院要求交通運(yùn)輸部組織開展了在建橋梁改用鋼結(jié)構(gòu)論證分析，2013年，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)組織編寫了“鋼結(jié)構(gòu)在建設(shè)領(lǐng)域中推廣應(yīng)用的方案”，同時(shí)隨著環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念逐步完善，人工成本提升，鋼結(jié)構(gòu)越來越具有經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，大力推廣碳排放量低的鋼結(jié)構(gòu)橋梁勢(shì)在必行，新版《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D60—2015）[1]應(yīng)運(yùn)而生。各設(shè)計(jì)單位對(duì)該規(guī)范部分條文理解不同而產(chǎn)生意見分歧，鑒于該規(guī)范整體框架與《日本道橋示方書·鋼橋篇》[2]類似，該文結(jié)合上述兩本規(guī)范和國內(nèi)其他鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范，對(duì)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范部分條文予以探討，希望對(duì)這些分歧意見的統(tǒng)一有所裨益。

1 對(duì)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范部分條文的理解與思考

1.1 關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)沖擊韌性

對(duì)于基材與焊縫，公路常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)橋梁采用低合金高強(qiáng)度鋼，沖擊韌性規(guī)定不明確。鐵路鋼橋均用橋梁用鋼，沖擊韌性規(guī)定明確。例如對(duì)沖擊試驗(yàn)部分的低溫沖擊功，該規(guī)范要求焊縫不低于基材，無論焊縫還是基材都需滿足34J（Q345），可能會(huì)造成鋼廠供貨按照滿足34J出廠，但焊接后就不能滿足34J的要求?？梢越梃b《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10091—2017）[3]附錄A中寫法進(jìn)行明確。

1.2 關(guān)于抗傾覆驗(yàn)算

規(guī)范在4.2.2條[1]采用抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)來驗(yàn)算，但對(duì)具體指標(biāo)及機(jī)理描述未知，設(shè)計(jì)應(yīng)用存在一定困難。指標(biāo)建議按照國標(biāo)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（50917—2013）[4]增加約束的扭轉(zhuǎn)角，并參考《日本道橋示方書·鋼橋篇》[2]在1恒+2活（或不利風(fēng)）組合下不出現(xiàn)負(fù)反力。

1.3 關(guān)于撓度驗(yàn)算

規(guī)范表4.2.3[1]表注：當(dāng)荷載作用于一個(gè)跨徑內(nèi)有可能引起該跨徑正負(fù)撓度時(shí)，計(jì)算撓度應(yīng)為正負(fù)撓度絕對(duì)值之和。規(guī)范本身?xiàng)l文規(guī)定主要針對(duì)懸索橋或拱橋制定的，而實(shí)際工程中，部分設(shè)計(jì)者對(duì)于梁橋仍舊采用不同跨產(chǎn)生的正負(fù)撓度絕對(duì)值之和，對(duì)于梁高受限情況下，不得不加厚頂?shù)装搴穸忍岣呓孛鎽T性矩從而提升剛度滿足規(guī)范要求，造成不必要的材料浪費(fèi)。李喬在《公路橋規(guī)撓度限值方式討論》[5]一文中表明，即使懸索橋或大跨度拱橋，一跨內(nèi)正負(fù)撓度相加也存在一定爭(zhēng)議。

1.4 關(guān)于受壓加勁肋剛?cè)嵝耘袛?/p>

張華敏[6]關(guān)于5.1.6條條文進(jìn)行了公式推導(dǎo)，規(guī)范中計(jì)算橫向加勁肋相對(duì)剛度公式分母中a應(yīng)為b。該條文引自日本橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，分母中a修改為b后，公式基本與日本一致。

橫向加勁肋的相對(duì)剛度規(guī)范原公式：

（1）

建議調(diào)整公式：

（2）

公式中字母意義同該規(guī)范。

《日本道橋示方書·鋼橋篇》[2]4.2.5款公式如下：

式中：α為加勁板縱橫尺寸比，α=a/b，a和b字母意義同該規(guī)范;α0為加勁板縱橫尺寸比界限，;為縱向加勁肋相對(duì)剛度比，;其余字母參數(shù)意義見《日本道橋示方書·鋼橋篇》4.2.5款。

下面通過一個(gè)小例子來驗(yàn)證：

已知：腹板間距：4 400 mm，隔板間距：6 000 mm，

中間插入2道橫肋，頂板設(shè)置14道板式縱向加勁肋，加勁肋尺寸為（220×20）mm，橫肋采用倒T型，腹板尺寸為（420×20）mm，翼緣尺寸為（320×20）mm，鋼材均采用Q345C鋼材。計(jì)算結(jié)果見表1：

由表1可知，采用修改后公式計(jì)算與日本公式計(jì)算結(jié)果基本一致。如仍采用原規(guī)范公式計(jì)算，為了滿足剛性加勁肋要求，必須增大加勁肋尺寸，造成了材料浪費(fèi)。

1.5 關(guān)于腹板縱向加勁肋設(shè)置高度

規(guī)范第5.3.3條，當(dāng)腹板需要設(shè)置1道縱向加勁肋時(shí)，設(shè)置高度為距離翼緣板為0.2倍的腹板高度，當(dāng)需要設(shè)置2道縱向加勁肋時(shí)，設(shè)置高度分別為0.14和0.36倍腹板高度。在條文說明中提到，本條規(guī)定基于中性軸位于腹板中心附近，當(dāng)腹板受壓區(qū)高度相對(duì)于腹板高度很大時(shí)，應(yīng)采用其他更精確的方法計(jì)算。在組合梁設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)設(shè)計(jì)為恒載組合梁（混凝土面板和鋼主梁形成組合截面之后共同承受恒載和活載），對(duì)于小跨度簡(jiǎn)支組合梁而言通常中性軸位于混凝土橋面板或距離上翼緣很近，腹板加勁肋需求弱。在設(shè)計(jì)中應(yīng)搞清楚規(guī)范本意，合理應(yīng)用，以免浪費(fèi)材料或結(jié)構(gòu)不安全。此外梁高很高時(shí)，不僅僅需要布置兩根縱向加勁肋，希望規(guī)范補(bǔ)充明確。

1.6 第一體系、第二體系疊加的問題

在鋼箱梁橋設(shè)計(jì)中，常規(guī)設(shè)計(jì)方法是將頂板正交異性橋面板采用第一體系和第二體系應(yīng)力疊加控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第一體系：作為縱腹板主梁的上翼緣組成部分，頂板及縱向加勁肋參與主梁體系的受彎承載，同時(shí)主梁體系需要考慮剪力滯效應(yīng)、局部穩(wěn)定造成的有效寬度折減。此效應(yīng)采用車隊(duì)荷載的等價(jià)活載——車道荷載。第二體系：車輪荷載縱向傳遞給橫隔板，此效應(yīng)必須考慮輪載特性。桿系模型的縱向計(jì)算中并不建立橫隔板（也沒法建立），忽略了頂板縱肋將力流引導(dǎo)到橫隔板的這個(gè)力流流向，因此需要額外計(jì)算頂板加勁肋被隔板支撐的第二體系，與第一體系應(yīng)力疊加。

日本鋼箱梁橋面通常設(shè)置60～80 mm澆筑式瀝青鋪裝。在冬季時(shí)鋪裝硬化，對(duì)荷載有一定擴(kuò)算作用，但在夏季鋪裝軟化，荷載擴(kuò)散效用大打折扣，因此不考慮鋪裝層擴(kuò)散。同時(shí)考慮第一體系和第二體系時(shí)時(shí)容許應(yīng)力可提高40%[4]，而國內(nèi)設(shè)計(jì)習(xí)慣是第一體系與第二體系應(yīng)力疊加并不折減。

此外與各大設(shè)計(jì)院溝通，設(shè)計(jì)者計(jì)算第二體系應(yīng)力時(shí)，采用1.8的車輛分項(xiàng)系數(shù)，而實(shí)際情況對(duì)于從來不跑三聯(lián)軸的橋梁，理論上不需要采用1.8的分項(xiàng)系數(shù)。

而在我國規(guī)范中并未見相關(guān)條文，希望規(guī)范補(bǔ)充明確。

1.7 彎剪復(fù)合應(yīng)力驗(yàn)算

5.3.1-6條公式右側(cè)為1[1]，對(duì)比《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01—2015）[7]7.2.2-3條和《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50917—2013）5.2.2條[4]，該規(guī)范多了1.1（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）×1.1（點(diǎn)應(yīng)力放大系數(shù)）=1.21倍，顯然該規(guī)范折算應(yīng)力控制過嚴(yán)，建議公式右側(cè)調(diào)整為1.1。

彎剪復(fù)合應(yīng)力規(guī)范原公式：

（10）

建議調(diào)整公式：

（11）

1.8 關(guān)于角焊縫計(jì)算長度

6.2.19條[1]，規(guī)范規(guī)定側(cè)面角焊縫計(jì)算長度，當(dāng)承受動(dòng)荷載時(shí)，不宜大于50hf;當(dāng)受靜荷載時(shí)，不宜大于60hf。當(dāng)計(jì)算長度大于上述數(shù)值時(shí)，其超過部分在計(jì)算中不予考慮。在計(jì)算支承加勁肋角焊縫強(qiáng)度時(shí)往往會(huì)遇到焊縫長度不夠后加大角焊縫尺寸問題，造成焊縫材料浪費(fèi)和增加焊接工作量。該條文出自《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）[8]，新版《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）[9]條文中對(duì)此進(jìn)行了修訂：11.2.6明確角焊縫計(jì)算長度可以超過60hf但不應(yīng)超過180hf，超過60hf時(shí)，焊縫承載力設(shè)計(jì)值乘以折減系數(shù)αf：

（12）

公式中字母意義同《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）。夏志斌[10]在書中也有明確。

1.9 關(guān)于鋼箱梁橫隔板需求剛度

針對(duì)8.5.2條條文說明[1]，部分設(shè)計(jì)者對(duì)該條文的應(yīng)用存在一定誤解。對(duì)于鋼箱梁橋，國內(nèi)設(shè)計(jì)習(xí)慣采用單箱多室結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者仍舊采用該規(guī)范驗(yàn)算結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，規(guī)范公式中主扇慣矩應(yīng)為畸變翹曲慣矩，只針對(duì)單箱單室或?qū)ΨQ雙室有解析解，而規(guī)范給出的解析解僅針對(duì)單箱單室情況。

該規(guī)范條文在假定橫隔板相對(duì)剛性的基礎(chǔ)上參考日本經(jīng)驗(yàn)限制隔板間距及剛度要求用于控制箱梁畸變翹曲正應(yīng)力。當(dāng)?shù)刃Э鐝絃<50 m時(shí)，實(shí)際橫隔板間距LD≤6 m，但計(jì)算需求剛度時(shí)，LD≤6 m時(shí)，取6 m計(jì)算（日本大量實(shí)際橋梁小跨徑隔板間距6 m左右沒有安全問題，允許間隔最大6 m）。

當(dāng)?shù)刃Э鐝絃大于50 m時(shí)，實(shí)際橫隔板間距與等效跨徑相關(guān)，且不宜大于20 m（長大跨徑放寬隔板間距要求，但也不宜大于20 m。實(shí)際考慮施工過程制造運(yùn)輸及加工，隔板間距也一般在6 m左右）。

理論上規(guī)范公式對(duì)橫隔板剛度要求過高，從精細(xì)化設(shè)計(jì)出發(fā)，可以采用薄壁桿件理論或有限元方法計(jì)算真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，優(yōu)化橫隔板設(shè)計(jì)。

2 結(jié)語

由于對(duì)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）部分條文的理解不同，造成在規(guī)范執(zhí)行中產(chǎn)生意見分歧，有必要作進(jìn)一步探討和說明。另外規(guī)范在部分條文中存在紕漏，希望補(bǔ)充修正。該規(guī)范結(jié)合最新的極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)理念，同時(shí)很多內(nèi)容脫胎于容許應(yīng)力法，規(guī)范編制經(jīng)費(fèi)有限，時(shí)間倉促，些許紕漏在所難免。未來國內(nèi)一定會(huì)有結(jié)合國內(nèi)實(shí)情、基于最新實(shí)驗(yàn)和相關(guān)科研課題而自成體系的中國規(guī)范。

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