关于公路钢桥设计标准的讨论
孙丽
哈尔滨市市政工程设计院黑龙江哈尔滨150001
摘要：针对现阶段《钢结构与木结构设计规范》与其它公路规范不配套的现状，对于钢桥设计时应采用的荷载、荷载组合及钢材容许应力的取值进行了讨论，并提出了解决方法。
关键词：钢桥;容许应力法;荷载组合;容许应力
Abstract:In view of the present stage"steel structure and wood structure design code",with other highway code is not supporting the status quo,discussed the steel bridge design should be used when the load,load combination and steel allowable stress value are discussed, and put forward solutions.
Key words:steel bridge;allowable stress method;load combination; allowable stress
中图分类号：TU99文献标识码A 文章编号：
引言
在国民经济建设中，伴随着钢产量的大幅提高，我国对钢材的使用逐步放宽。过去，在公路及城市桥梁建设中鲜有使用的钢桥，也以其适合工厂化制造，便于运输，便于无支架或少支架施工，安装迅速等优点渐入人们的视野。钢桥在公路及城市桥梁总里程中所占的比重逐步加大。
设计施工周期长，技术难度大，工程投资高的大桥、特大桥在设计施工乃至运营过程中都会引起人们的足够重视，进而对此类桥梁进行全过程管理。工程的建设者对此类桥梁精心设计，精心施工，并对某些问题专门立项，在专家的指导下进行科学研究。因此，大桥、特大桥出现问题的概率反而比中小跨径的钢板梁桥、钢桁梁桥出现问题的概率低。究其原因，不外乎工程的建设者未能对中小跨径钢桥的设计施工引起足够的重视，少有人过问此类钢桥的技术问题。这就要求设计者要对钢结构桥梁有足够的认识，熟知并领会规范的编制要领，在设计过程中活学活用，减少出错的可能，降低事故发生的概率。
1问题的提出
截止2010年底，公路桥涵的设计规范已有多本经过修订，如《公路桥涵设计通用规范》（以下简称《通规》）、《公路桥涵地基与基础设计规范》、《公路圬工桥涵设计规范》、《公路钢筋及预应力混凝土桥涵设计规范》等均已经过修订出版并实施。但，《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）（以下简称《钢木规范》）尚在修订之中。在钢桥的设计工作中，由于设计规范不配套，给设计者带来的困惑，主要有以下三点。
①《钢木规范》采用的是容许应力法，而现行《通规》使用的是极限状态设计法，二者的设计思想不同，也就是说进行钢桥设计时，不能用现行《通规》中的荷载组合。
②《钢木规范》中提到的钢材牌号已被新的钢材牌号取代，新的钢材牌号容许应力的确定值得商榷。
③《钢木规范》中使用的汽车荷载，温度作用等是原《通规》的，而原《通规》又被新《通规》所取代，汽车荷载，温度作用等怎样确定也是需要解决的。
本文将从以上三个问题入手，阐述一下对钢桥设计的认识，继而，提出解决方法。
2．钢桥设计中关于荷载及荷载组合的问题
目前，国内外钢桥设计主要采用容许应力法和半概率极限状态法两种方法。
容许应力法是将材料作为弹性体，用材料力学或弹性力学方法，算出构件或结构在标准荷载（使用荷载）作用下的应力，要求任一点的计算应力σ，不超过材料的容许应力[σ]，即：[]σ
σ≤
材料的容许应力，系由材料的极限强度（如混凝土）或者流限（如钢材），除以安全系数K所得。
容许应力法具有以下特点：
A 容许应力法采用平截面假设，构件受力变形后，截面仍保持为平面，即纤维的应变与其到中和轴的距离成正比；另，容许应力法采用虎克定律，应力与应变成正比，这样就使得计算公式简单实用。
B 容许应力法公式中的安全系数K 值是一个经验值，它在不同的规范，不同的历史时期均不相同，人的主观因素对于K 值的确定具有很大影响。
C 容许应力法采用单一的安全系数K ，对不同材料，不同荷载，以及其它影响结构安全的因素，不能区别对待，因而可能使结构在某些情况下过分安全，而在另一些情况下却不够安全。
D 对于具有塑性性质的材料，容许应力法无法考虑其塑性阶段继续承载的能力，设计偏于保守。
极限状态设计法的设计准则是：对于规定的极限状态，荷载引起的荷载效应（结构内力）大于抗力（结构承载力）的概率（失效概率）不应超过规定的限值。所谓半概率就是指对影响结构安全的某些参数，用数理统计进行分析，并与经验相结合，引入某些经验系数。
由于钢桥破坏状态的复杂性，钢桥结构失效不能采用单一极限状态表达，一般应该包括承载能力极限状态，正常使用极限状态，疲劳破坏极限状态三个极限状态。现以基本组合作用下的承载能力极限状态为例，对其公式表达作以简略说明。
,......)
,,()(21110k k R n
i ik ci Qi Qi k Q Q k G G a f R Q C Q C G C γψγγγγ≤++∑=式中：
0γ—结构重要性系数，依结构安全等级的不同
而取不同的数值；
G
γ—永久荷载分项系数；
1
Q γ，Qi γ—第一个和其它第i 个可变荷载分项系
数；
k G —永久荷载的标准值；
k Q 1—第一个可变荷载的标准值，
该可变荷载标准值的效应大于其它任意第i 个可变荷载标准值的效应；
ik Q —其它第i 个可变荷载标准值；
G C ，1Q C ，Qi C —永久荷载、第一个可变荷载和
其它第i 个可变荷载的荷载效应系数；
ci
ψ—第i 个可变荷载组合系数；
)(?R —结构构件的抗力函数；
R γ—结构构件抗力分项系数，其值应符合各类
材料的结构设计规范的规定；
k f —材料屈服强度的标准值；
k a —几何参数的标准值。
由上述极限状态设计表达式可以看出：A 极限状态设计法对不同荷载，不同材料及其它影响结构使用的因素，分别给以分项系数及组合系数，能够对上述各方面对结构的影响区别对待，有利于结构设计可靠度的提高。
B 极限状态设计法与非弹性设计法相结合，可以挖掘结构潜力，使设计出来的结构更为经济合理。
综上所述，容许应力法的主要缺点是由于单一安全系数是一个笼统的经验系数，因之给定的容许应力不能保证各种结构具有比较一致的安全水平，也未考虑荷载增大的不同比率或具有异号荷载效应情况对结构安全的影响。容许应力设计法以线性弹性理论为基础，以构件危险截面的某一点或某一局部的计算应力小于或等于材料的容许应力为准则。在应力分布不均匀的情况下，如受弯构件、受扭构件或静不定结构，用这种设计方法比较保守。但，容许应力设计应用简便，是工程结构中的一种传统设计方法，目前公路、铁路工程设计中仍在应用。
通过对容许应力法与半概率极限状态法的比较分析，我们可以看到《钢木规范》中所提到的容许应力法所采用的荷载组合是标准值组合，而现行《通规》所提到的极限状态设计法所阐述的组合是基本组合，作用短期效应组合，作用长期效应组合等。显然，在对桥梁钢结构采用容许应力法进行计算时，是不能直接套用现行《通规》的作用组合的。反而，设计者要在旧《通规》中寻找答案。
旧《通规》将作用在桥梁结构上的荷载划分为21种，为下文叙述方便，笔者将这21种荷载划分为六类，分别以荷载分类代号表示，见表一。
荷载分类
表一
编
号荷载分类
荷载名称
荷载分
类代号
备注
1永久荷载（恒载）
结构重力A ’
A
2预加应力
3土的重力及土侧压力
4混凝土收缩及徐变影响力
\
5基础变位影响力6水的浮力7可变
变荷
载?
活汽车B
8
汽车冲击力
荷载
9离心力
10汽车引起的土侧压力11人群
12平板挂车或履带车\
现行《通规》已取消此类荷载
13
平板挂车或履带车引起的土侧压力
14其他可变活载
风力C
15汽车制动力16流水压力17冰压力18温度影响力19支座摩阻力20
偶然荷载
地震力
D 21
船只或漂流物撞击力
E
注：表中荷载分类代号在荷载组合中指代所在类别中的一种或几种荷载
为此，可将《钢木规范》中提及的五种组合，按下式表达
组合I ：A+B ；组合II ：A+B+C
组合III ：由于现行《通规》已取消平板挂车及履带车荷载，本组合实际已不存在
组合IV ：A+B+E
组合V ：施工组合，根据施工情况确定参与组合的荷载
由旧《通规》第2.1.4条可知桥涵采用容许应力法设计时，应对不同的荷载标准值组合给出相应的材料容许应力值，并以此作为设计的依据。《钢木规范》针对这一点也做出了相应的规定。《钢木规范》第1.2.10条：验算结构在各种荷载作用下的强度和稳定性时，基本钢材和各种连接件的容许应力应乘以表二的提高系数k 。
容许应力的提高系数
表二
注：节点销子的容许弯应力在任何荷载作用下，均不得提高
由表可知，随着标准值组合的不同，基本钢材和各种连接件的容许应力亦是有所变化的。如对于
永久性结构，在组合I 作用下，容许应力为［σ］，在组合II 作用下，容许应力为1.25［σ］。
2004年实施的新《通规》对于旧《通规》中的荷载作了修订，尤其是汽车荷载和温度作用在《通规》中的改变较大。我们在进行钢桥设计时，尤要注意采用新《通规》中荷载标准值的确定方法并结合旧《通规》的荷载组合方法对钢桥实施加载计算。3．关于材料容许应力的问题
《钢木规范》中述及的钢材牌号目前国内钢厂
已不再生产，相应牌号钢材的容许应力值自然不再存有意义。因此，在进行钢桥设计时，确定国内钢厂生产钢材的容许应力值就显得格外重要了。
根据《钢木规范》对于材料容许应力的条文说明：“材料的容许轴向（拉、压）应力的选定，均以屈服强度为依据，即以屈服强度除以某一安全系数k 。安全系数k 系由材料的匀质系数、超载系数和工作条件系数三者综合而成。低合金钢的匀质条件系数为270/340=0.8;超载系数，对结构重力为1.1~1.5，对汽车荷载为1.4，综合约为1.35；工作条件系数一般取1，则k=1/0.8x1.35X1≈1.7,所以取用1.7为计算基础。以16Mn 钢为例，当屈服强度
a
S MP 340=σ时，则轴向应力a S
MP k 2007.1/340/][===σ
σ。对于铸件，由于未经
热轧，均匀性较差，因此取较高的安全系数1.85。例如铸钢（ZG25），屈服强度a S MP 240=σ，则轴向
应力a
S
MP k 13085.1/240/][===σσ。钢材的容许剪应
力，系根据试验以及最大能量的强度理论决定的，直接受剪强度为轴向受拉强度的0.557倍，故近似取用][6.0σ”，“钢料端部在互相顶紧的接触面处，由于局部塑性变形，扩大了接触面积，相当于提高了钢材的承压应力，因此取轴向容许应力的1.5倍，即用][5.1σ”，“当钢材承受弯曲作用时，边缘纤维应力最大，它比其他任何部位的纤维早达到屈服强度，并出现局部塑性变形，而中间纤维仍为弹性变形阶段。若再继续增加荷载，截面将全部达到屈服强度而进入塑性变形阶段，即所谓极限状态。由于钢材的塑性变形，使破损荷载增大，也就是受弯时的弯曲应力可以提高”。该规范以工字梁为例，阐述了弯曲容许应力的取值方法，并规定弯曲容许应力按容许轴向应力的1.05倍计。另，《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005）（以下简称《铁钢规》）对于材料容许应力的条文说明：“钢材基本容许应力对屈服强度的安全系数，各钢号基本上都采用1.7左右”，容许剪应力以基本容许应力的0.6
构造物性质
荷载组合K 永久性结构
组合I
组合II 、III 、IV
组合V 1.01.25
1.30~1.40临时性结构
组合I
组合II 、III 、IV 、V
1.301.40
倍为准，端部承压容许应力以基本容许应力的1.5倍为准，弯曲容许应力根据习惯仍定为基本容许应力的1.05倍，对于铸钢取安全系数1.85。
可见，《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）与《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005）在材料容许应力的取值方法及安全系数的取值上是一致的。因此，我们可以取用《铁钢规》钢材牌号的材料基本容许应力值进行公路钢桥设计。
目前，国内钢材牌号是以钢材的屈服强度命名的，如Q235与Q235q，同为表示屈服强度为235MPa 的钢材，不同的只是前者为普通碳素结构钢，后者为桥梁结构钢，通过前文的论述可知，二者的容许应力是相同的，不同的只是后者与前者相比，其有害元素含量更低，冲击韧性更强，具有更好的抗低温冲击的能力。我们在进行钢桥选材时，要慎重选择钢材，但这与钢材的容许应力值是无关的。4．结论
现阶段,要采用容许应力法进行公路钢桥设计，荷载组合要执行《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-89），并要采用标准值组合；各类荷载的取值要执行《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）；钢材牌号的容许应力值要以《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005）中规定的钢材容许应力值为准，根据荷载组合的不同，其钢材的容许应力值各有不同（详见表二）。
参考文献
1．建筑结构设计统一标准(GBJ68—84).中国建筑工业出版社,1984年
2．公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89）.人民交通出版社,1989年
3．公路桥涵设计通用规范（JTG D60—2004）.人民交通出版社,2004年
4．公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ025-86).人民交通出版社,1986年
5．铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002.2—2005 J461-2005).中国铁道出版社,2005年
6．赵国藩,曹居易,张宽权.工程结构可靠度.水力电力出版社,1984年
7．吴冲.现代钢桥(上册).人民交通出版社,2006年
关于公路钢桥设计标准的讨论
作者：孙丽
作者单位：哈尔滨市市政工程设计院
刊名：
城市建设理论研究（电子版）
英文刊名：ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu
年，卷(期)：2012(15)
本文链接：https://www.doczj.com/doc/cc11035129.html,/Periodical_csjsllyj2012152616.aspx