2017版日本公路鋼橋設計規范與我國規范的比較

林康

(大連市市政設計研究院有限責任公司 116000)

引言

在日本由于人口和社會機能高度集中的大中城市中的橋梁工程成為交通基礎設施的建設重點,建設環境有諸多的限制條件,鋼橋由于形式靈活,工廠預制化程度高,施工過程中對周邊環境影響小,自重輕抗震性能好,材料可循環利用,日益成為一種優先選用的橋型。日本的城市高速道路(類似于我國的快速路,但是為收費道路)的橋梁跨度通常在100m 之內,但是建設難度很大。首先受到建設用地條件的限制,不具備苜蓿葉形、環形等立交形式的用地條件。其次建設過程中難于長時間占用市政道路,所有的施工機械和橋梁構件均需滿足公路運輸要求。高架橋或立交橋之下為原有市政道路,新建橋梁不能對原有道路的通行能力造成大的影響,不可能采用立交橋下柱子林立的方案,上部結構跨度常達數十米,下部結構中異形鋼制橋墩有較多應用,一些框架式橋墩兩個立柱之間的距離達30m 以上,甚至還有60m 以上的個例。兩條全互通高架道路相交,無法保證用地條件下,只能將1,3 象限的左轉匝道(日本為右轉)在交叉點從一條主路上空跨越,2,4 象限的左轉匝道再從1,3 象限左轉匝道上空跨越,另外1 個方向的主路再從所有左轉方向匝道上空跨越,這樣再加上原有地面道路,就需要有5 層交通體系,頂層橋梁的高度達到30m 以上。日本從20 世紀60 年代起開始建設城市高速道路,日本東京的高速道路有30m 高空漫步一說。我國的市政橋梁建設正進入方興未艾的時期,為了能參考日本的工程實例,有必要對日本公路橋梁的設計規范做一了解。規范雖然名為道路橋示方書,即公路橋梁設計規范,但這是一個基礎性的規范,日本的城市橋梁等規范都是在此基礎之上制定的。

2017 年11 月版日本公路橋梁設計規范共分5 冊,分別是道路橋示方書·同解說Ⅰ共通篇[1](196 頁)、Ⅱ鋼橋·鋼部材篇[2](700 頁)、Ⅲ混凝土橋·混凝土部材篇(404 頁)、Ⅳ下部構造篇(571 頁)、Ⅴ耐震設計篇(302 頁),以下簡稱日本規范。與國內規范的比較主要涉及到通用篇及鋼橋篇,分別相當于我國《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60 -2015)[3],《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64 -2015)[4]。

1 鋼橋要求的性能

新版日本橋梁規范在三個方面對橋梁的性能提出要求: 耐荷性、耐久性和其他性能。耐荷性即承載能力極限狀態的計算,日本規范所采用的設計方法從2012 版規范的容許應力度法轉換成為2017 版的極限狀態法。日本規范沒有正常使用極限狀態,疲勞設計等被歸入到耐久性設計?？勺兒奢d引起的撓度等歸入到其他性能的設計。

2 耐荷性的設計

日本規范與我國規范相比,承載能力極限狀態設計的基本思路都是作用效應小于結構抗力,但在具體環節上與我國采用的極限狀態法有所區別。日本規范中沒有結構重要性系數的一項,作用組合的效應直接與結構抗力相比較。作用組合的效應的分項系數、組合系數在數值選取方面兩國規范之間也有一定的差別。

2.1 日本規范對機能性和安全性的區分

日本規范從機能性和安全性兩個方面確定承載能力,針對3 種極限狀態進行設計(表1)。其中限界狀態2 僅限于罕遇地震或受到撞擊等偶然作用控制的狀態; 在預先限定的構件上發生有限的損傷,在整體結構上不產生連鎖反應。而對于一般的上部結構,永久作用及可變作用的作用組合處于支配性地位,此時必須確保機能性對限界狀態1 和確保安全性對限界狀態3分別進行驗算。限界狀態1 并不等同于我國規范中的正常使用極限狀態,而且我國在純鋼橋設計中也沒有正常使用極限狀態方面的計算。限界狀態1 的計算是承載能力極限狀態計算的一個方面,指在確保橋梁機能的條件下的一種承載能力極限狀態,可變作用去除后具有可逆性不需檢修,也不需要特別注意能夠完全恢復之前的狀態。但日本作為一個多震國家,在日本規范中把多遇地震也作為一種可變作用; 某些情況下多遇地震的強度比我國8 度區高速公路上重要的大橋所受到的罕遇地震強度還要大[5],依然要求確保橋梁結構完全無損的正常使用性能。限界狀態3 是指結構在保證安全的情況下承載能力的極限狀態。

表1 日本規范三種限界狀態Tab.1 Threelimit states in the Japanese code

2.2 作用組合的效應的比較

日本規范中作用效應組合時(表2),結構重力等作用的分項系數為1.05。日本的汽車荷載采用L荷載和T荷載,與我國的車道荷載和車輛荷載相近[6]。汽車荷載、風荷載等可變作用的分項系數為1.25。對于安全等級為一級的結構,按照我國規范計算出的結構重要性系數與效應設計值的乘積比日本規范大20%左右。

表2 規范中作用組合的效應的比較Tab.2 A comparison of the actions combination

2.3 鋼材強度的比較

日本雖然早在1974 年竣工通車的主跨510m的桁架橋大阪港大橋中就已大量使用700MPa、800MPa 高強度鋼材,但日本公路橋梁設計規范適用于跨徑200m 及以下的橋梁,超過200m 的橋梁根據實際條件進行必要的調整后參考使用,直至2012 年的鋼橋設計規范鋼材抗拉強度依然為570MPa。在2017 版中新增的SBHS400/500 級高屈強比鋼材的規定,抗拉強度并沒有提高,但屈服強度分別提高至400MPa 和500MPa。

日本規范的鋼板板厚在40mm 以下時強度為固定值,40mm 以上至100mm 厚時有所降低。表3 中所列屈服強度值為板厚40mm 及以下材料的強度。帶?材料為沿襲了2012 版規范的普通屈強比鋼材。但規范規定若采用屈服點不隨板厚變化的鋼材,則100mm 以內時屈服強度均為表中數值。

我國鋼橋規范中鋼材牌號為Q235、Q345、Q390、Q420,牌號中的數值即為屈服點,設計強度為相對于屈服點考慮一定安全率之后的數值。板厚大于16mm 后設計強度有所降低,但實際工程中主要截面的厚板通常大于16mm,較薄的鋼板很多情況下并不是由強度控制。我國公路規范中的鋼材強度等級比日本規范略低,而在我國2017 最新版鐵路鋼橋設計規范[7]中在以前規范規定的鋼材牌號為Q235q、Q345q、Q370q、Q420q 之上,新增了Q500q 鋼種。

表3 日本規范中鋼材的強度特征值(單位： MPa)Tab.3 Strength characteristic values of steels in Japanese codes(unit: MPa)

2.4 鋼材設計強度的比較

對于同等材質的中等板厚(16mm ～40mm)材料,在限界狀態1 時,按照我國規范規定的材料設計強度值與日本規范在數值上相仿。但在日本規范中,針對機能性和安全性兩個方面確定承載能力。限界狀態3 雖然在概念上來自極限強度,但設計值同樣根據強度特征值即屈服強度乘以修正系數而來。見表4。

對于屈強比不同的鋼材,同樣的機能性并不代表同樣的安全性。新增的SBHS400 級和SBHS500 級鋼材的抗拉強度并不比目前廣為采用的490 級和570 級材料更高。相對于抗拉強度的安全系數而言,新材料可以說并沒有優勢。但相對于屈服強度的機能性而言,又獲得了明顯的改善,所以針對機能性和安全性分別進行驗算。針對機能性的限界狀態1 要求可變作用去除后結構完全可逆,限界狀態3 要求結構保證安全。不僅對于構件需要區分機能性和安全性,對于連接構造,機能性和安全性也是兩個不同的方面。比如對于摩擦型高強螺栓連接,摩擦面不發生滑動是對機能性的要求,螺栓自身不斷裂是對安全性的要求,所以需要從兩個不同的方面分別進行驗算。但是有些情況下并不能明確區分限界狀態1和限界狀態3。受壓構件的強度設計值的基本值與受拉構件相同,但整體穩定性、局部穩定性及邊界支持條件偏心的影響均對抗壓設計值有可能有所降低。此時機能性和安全性難于區分,通過驗算安全性(限界狀態3)就可以同時考察對機能性(限界狀態1)的要求。對于常規材料,按照兩國規范計算得出的抗力基本相仿,日本規范對于新材料的采用提供便利條件。

表4 規范中鋼材抗拉強度設計值的比較(單位： MPa)Tab.4 Comparison of steel tensile strength design values(unit: MPa)

2.5 耐荷性評價結果的比較

由于日本的設計比較細致,在設計過程中需要根據工程量計算得到的實際鋼重對結構分析中的鋼重進行收斂計算以使鋼重的誤差在0 ～+5%之間,后期的燈柱、聲屏障、交通標志、檢修設施的荷載均予以考慮,所以恒載作用的分項系數雖然表面上比我國小,實際上的差別并不大。汽車荷載作為可變荷載最主要的方面,由于日本的超載情況不像我國普遍,采用較小的分項系數也是合理的。耐荷性的設計雖然我國比日本的作用效應乘以結構重要性系數大20%,結構抗力接近,但從概率統計的角度上看兩者的安全性和機能性還是相仿的。若將日本的橋梁結構適用于我國,需做適當的加強。

2.6 局部穩定性計算的比較

兩國規范整體上相仿,日本規范較為詳盡,在一些細節上規定有所不同。例如在受壓及受彎加勁板局部穩定性計算方面的規定有所不同。

表5 受壓加勁板的局部穩定性計算的比較Tab.5 Comparison of local stability of pressurized stiffened plates

日本規范的鋼橋篇和抗震篇對加勁板局部局部穩定性要求不同的原因是兩者的性能目標不同。對于一般的上部結構,構件僅工作在彈性階段,穩定性要求相對較低; 而對于鋼制橋墩等結構在E2 地震時構件已超出彈性變形限界,進入到塑形變形階段,穩定性要求相對較高。

與混凝土結構相比,鋼結構強度高,板厚小,通過加勁肋來保證局部構件的局部穩定性,局部穩定性非常關鍵,宜根據結構的性能目標對穩定性提出要求。

梁式橋的鋼梁腹板只承擔彎矩,不承擔軸力,局部穩定性較易保證?？v向加勁肋僅在受壓方向設置即可,當設置1 道縱向加勁肋時橫向加勁肋間距的要求如表6 所示。

表6 對鋼梁腹板橫向加勁肋間距的要求的比較Tab.6 Comparison of requirements for spacing between transverse stiffeners of steel girders

當主梁結構不存在較大軸力時,日本的鋼板梁,鋼箱梁的腹板的板厚顯著低于翼緣。我國規范對腹板穩定性的要求明顯高于日本。值得注意的是中國規范中的各項系數與日本2012 年及之前多版規范采用容許應力度法設計時的系數完全相同。不設縱向加勁肋及設置兩道加勁肋時與此類同。

3 耐久性的設計

日本規范在100 年的設計使用期限內,對耐久性能提出了更明確具體的要求。對維護管理方面的要求進一步細化。

3.1 疲勞設計對細部結構的要求

由于日本在疲勞設計時采用的荷載計算模型為單軸重200kN 的F荷重,與我國規定的疲勞荷載的三個計算模型均不相同,驗算結果難于在數值上直接進行比較。日本規范在細部結構上有較多的具體規定可以參考。

1.在正交異性鋼橋面板中,有些橋梁曲率半徑小無法使用U 肋; 還有些橋梁的寬度變化較大,主體部分使用U 肋,變寬局部用板肋做個別調整?？v肋與橫肋相交時的過焊孔,不僅橫肋與U 肋相交時與橋面板之間不設過焊孔,板肋或球扁鋼加勁肋時也不設過焊孔,見圖1。

2.日本橋規中為了提高疲勞強度,縱肋(U肋等)原則上采用摩擦型高強螺栓連接。

圖1 橫肋在板肋及球扁鋼肋處的過焊孔(單位： mm)Fig.1 Scallop cut of transverse rib on plate rib and spherical flat steel rib(unit: mm)

3.中國橋鋼規[4]的附錄C 疲勞細節表C.0.8正交異性橋面板——閉口加勁肋的⑤縱肋全熔透對接焊縫,雙面焊縫,無墊板的一項,實際結構中難于碰到。出于對疲勞方面的考慮,不希望U肋在工廠進行縱向連接; 而U 肋焊到橋面板上后,現場連接時無法進行雙面焊接。日本橋規中規定,在不得以的情況下U 肋采用焊接連接時,采用帶有墊板的全熔透對接焊縫。

3.2 對維護管理方面的要求

兩國橋規中都規定設計時應考慮支座的可更換性,日本規范規定的較為具體。日本橋規要求應該容易到達支座位置,以方便維護管理。應預留支座更換時的施工空間。在支座更換時的上下部結構千斤頂支點位置預先設置支承加勁肋等必要的結構措施。如果建設時在上部結構的千斤頂支點位置未作補強,在需要更換支座的時候才設置,必然涉及到高空作業、現場焊接甚至是箱梁內部焊接、施工后涂裝等諸多工程。下部結構缺乏設置臨時支點的必要空間,如果設置臨時墩,臨時墩高度較大,而地基承載力往往也不足。將來更換支座的工程規模必然較大,也需要較長的工期,對日后正常使用造成諸多不便。在建設之初考慮可修復性,需要更換支座時可以簡單迅速地進行,可以減少全生命周期的總費用。

4 其他性能

1.其他性能指不屬于耐荷性與耐久性方面的性能,但關系到橋梁的可用性和舒適性的性能,或極端情況下的可靠性。

2.汽車荷載下計算豎向撓度的限值兩國規定有一定的差別,見表7。日本規范規定的限值比我國略嚴。撓度值關系到行車舒適性、振動、噪音及對周圍環境的影響。

表7 計算豎向撓度限值的比較Tab.7 Comparison of calculating vertical deflection limits

3.日本規范[8]規定在滿足耐荷性的基礎上,對超設計作用的防范性能的要求。例如要求在發生超過E2 地震的超設計地震時,支座即使破壞,在落梁防止系統的保護下,也不易發生落梁等極端事態。對于主要橋梁,能夠快速進行支座更換作業。這種支座與出于耐久考慮的支座更換還有一定的區別,是在發生極端事件下的快速反應能力的要求。

5 結論

1.2017 版日本橋規采用的極限狀態法,結構承載力設計值與按我國規范計算出的結果在數值上相近,結構重要性系數與作用效應設計值的乘積日本比我國小20%左右。在一定程度反映出日本橋梁在設計工作中對荷載考慮的較為細致,并且道路超載水平較低的特點?？蓪⑷毡緲蛄航Y構做適當加強后適用于我國。

2.在確定結構承載能力時,日本針對橋梁的機能性和安全性分別進行驗算,根據所要求的性能進行設計,為新材料新結構的采用提供了便利條件。

3.帶肋受壓板應采用剛性加勁肋,否則局部穩定折減對結構承載力影響過大。我國規范中對剛性加勁肋的剛度要求相當于彈塑性結構所要求的剛度,通常對于上部結構不必要求塑性變形能力。

4.我國規范對受彎鋼梁腹板橫向加勁肋的間距要求過于嚴格。

5.在耐久性、可維護性方面日本規范有較多細節規定可以參考。

6.其他性能要求方面,日本規范對撓度要求與我國相仿,但對超設計地震等極端事件的防范能力要求很強。