国内外钢筋混凝土铁路桥梁设计方法比较分析.pdf
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1、2 0 1 2年第 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n ee r i n g 7 文章 编 号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 0 7 - 0 4 国 内外钢筋混凝 土铁路桥梁 设计 方法 比较分析 张 园 园 , 贡金 鑫 , 张 玉玲 , 刘 晓 光 ( 1 大连理工大学 土木工程 学院 , 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ; 2 中国铁道科学研究 院 铁 道建筑研究所 , 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘 要 : 在 介 绍 了工程 结 构设 计 方 法的 演 变历 史之后 , 对我 国铁 路桥 涵设计 规 范 T
2、 B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 , 美 国 铁路 工程协 会标 准 A R E MA和 欧洲桥 梁设 计规 范 E N 1 9 9 2 2 : 2 0 0 5中, 钢 筋混 凝土铁 路 桥 的设 计 方 法和 荷 载组 合进 行 了比较 。分析表 明 , 各规 范考虑 的主要 设 计荷 载相 同, 但 采 用 的荷 载 组合 方 法有 所 不 同。 我 国铁 路桥 梁设 计规 范采 用的是 容许 应 力法 ; 美国铁 路 工程 协会 标 准采 用两种 方 法 , 其 中的使 用荷栽 法 与 我 国规 范 的容许应 力法概 念上 相 同 ; 欧 洲规 范采 用 以概 率 论 为基
3、础 的极 限状 态设 计 法 , 该方 法 能更合 理 地反 映 结构和 构 件 的 安 全 水 平 。 各 规 范 对 裂 缝 和 变形 的 控 制 和 计 算 方 法 不 同 , 我 国铁 路 规 范 T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5裂缝和 变形计算均采用荷载的标准值 , 美国铁路规范 A R E MA通过限制纵筋应力实现裂 缝控制, 不具体计算裂缝的宽度 , 变形计算采用未乘系数的荷载 , 欧洲规范 E N 1 9 9 1 1 , 1 : 2 0 0 4裂缝和 变 形 计 算采 用荷 载的 准永 久组 合 。 关 键词 : 铁路 桥 梁钢 筋混凝 土设计 方 法荷 载规 范
4、 中图分 类号 : U 4 4 2 5 1 文 献标 识码 : A 自2 O世纪 5 0年代 以来 , 随着工程结构极限状态 研究 的 不断 发展 , 国际 上工 程结 构 设 计 逐 步 由容许 应 力法 、 安全系数法 、 破损阶段法发展 为极 限状态设 计 法。随着结构可靠性理论不断成熟 , 结构设计又逐步 由定值设计法、 半概率设计 法转化 为概率极 限状态设 计法 。结构设计方法 的改进 , 更为合理地反映 了工程 结构在实际工作状态和极 限状态时的安全度。由于铁 路工程结构的特殊性 , 其在极限状态设计方面 的进展 收稿 日期 : 2 0 1 1 0 9 - 2 1 ; 修 回 日
5、期: 2 0 1 1 1 1 0 7 基金项 目: 铁道部科技开发项 目( 2 0 1 0 G 0 0 1 一 C) 作者简介 : 张园园( 1 9 8 7 一) , 女 , 山东济南人 , 硕士研究生 。 不大。我国 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结 构设计规范( T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 ) 中, 钢筋混凝 土结 构承载力设计采用的仍是容许应力法。我 国铁道工程 迅速发展 , 车辆运行速度越来越高 , 对铁路工程结构设 计提出了新的要求。在这种情况下, 了解 国外铁路工 程结构的设计方法并与我 国规范进行 比较 , 对我国铁 路工程结构设计方法的发展和规范的修订具有
6、十分重 要 的 意义 。为此 , 本 文 对 我 国铁 路规 范 T B 1 0 0 0 2 1 2 0 0 5 和 T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 , 美 国铁路 工 程协 会标 准 A R E MA , 欧 洲 规 范 E N 1 9 9 1 2: 2 0 0 3 和 E N 1 9 9 2 2 : 2 0 0 5 中铁 路 桥 梁 钢 筋混 凝 土 构 件 的设 计 方 法进行 了比较分析。 5 结语 横跨成渝铁路施工 l 3 索梁段 的施工过程 中, 重 庆观音岩长江大桥主桥结构 的整体稳定都是足够的; 结构的强度 、 刚度都是满足要求的; 按照高强螺栓副与 栓接主梁“
7、 等强度 ” 的设计原则 , 抗剪强度 检算表 明主 桥结合梁 的高强螺栓强度也是满足要求 的。综合考虑 横跨成渝铁路施 作 1 3 索 梁段 的施工 计算及 分析 结 果 , 重庆观音岩长江大桥跨 越铁路 时的施工过程是安 全 的 。 参 考 文 献 1 强士 中, 周璞 桥 梁工 程 M 成都 : 西 南交通 大学 出版 社 , 2 00 0 2 赵雷 , 张金平 大跨 度拱桥施工阶段非线性稳定 分析若干问 题 的探讨 J 铁道学报 , 1 9 9 5, 1 7 ( 1 ) : 7 6 8 4 3 赵雷 , 杨兴 旺 南京 长 江二桥 斜拉 桥施 工过 程稳 定性分 析 J 公路交通科技
8、, 2 0 0 5 , 2 2 ( 7 ) : 7 8 8 1 4 中华人 民共和 国交通部 J T G T D 6 5 - 0 1 2 0 0 7公路斜拉桥 设计细则 s 北京 : 人民交通 出版社 , 2 0 0 7 5 中华 人民共和国建设部 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3钢结构设计 规范 s 北京 : 中国计划 出版社 , 2 0 0 3 6 徐晓和 , 陈小强 大跨度钢管混凝土系杆拱桥施工监控 J 铁道建 筑 , 2 0 0 9 ( 1 0 ) : 2 2 2 3 ( 责任审编赵其文) 8 铁道建筑 1 钢筋混凝土结构设计方法的发展 钢筋 ? 昆 凝 土结 构 是工 程
9、 中应 用最 为 广 泛 的结 构 , 也是 工程 中设 计方 法 发展 比较 快 的结 构 , 特 别 是 在 建 筑和公路桥梁领域 , 代表着结 构工程设计方法发展的 方向。钢筋混凝土结构的设计方法是沿着两条路线发 展的 , 一是采用力学的方法 , 二是采用概率的方法。 1 9世 纪 以后 基于 胡克定 律 的 弹性 力 学 迅速 发 展 , 并 在工 程结 构设计 中得 到广 泛应 用 。以弹性 理论 为基 础 的容 许应 力设计 法 要 求 在规 定 的标 准荷 载作 用 下 , 按照弹性理论计算得到 的构件截面任一点的应力 o r , 不大于规定的容许应力 o r 。而容许应力是 由
10、材料强 度除以大于 1的单一安全系数 K求得 的, 安全系数依 据 工程 经验 和 主观判 断确定 。K是一个 笼统 的经 验 系数 , 没有 明确 的概率 含义 , 缺乏 理论解 释 。 由于未 区 分荷载情况, 仅根据所用结构材料取统一的容许应力 值 , 也未考虑不同恒 、 活载 比例或具有异号荷载效应情 况对 结构 安全 的影 响 , 不 能保 证 各 种结 构 具 有 比较 一 致 的安全 水平 。 2 0世纪 3 0年 代 , 前 苏 联 首 先提 出 了 考 虑 钢 筋混 凝土塑性性能的破坏阶段计算方法。它以充分考虑材 料塑 性性 能 的构件 承 载力 为 基 础 , 要求 按 材
11、 料 标 准极 限强度计算 的承载力大于计算 的最大荷载产生 的内 力 , 计算的最大荷载 由规定的标准荷载乘 以单一的安 全 系数得 到 。破坏 阶段设 计法 与容许 应力 法 的主要 区 别 在于 : 容许 应力法 中 , 假 定某 一截 面 的最大应 力达 到 容许 应力 构 件 即破 坏 , 而在破 坏 阶段 没计 法 中 , 整个 截 面 的 内力 达 到某极 限 内力时 才引起 失效 。破坏 阶段 设 计法考虑了材料的塑性变形性能 , 其极限荷 载可直接 通过试验验证 , 计算结果给出了较 为清晰简明的总安 全度概念。该法虽然克服了容许应力设计法的某些缺 点 , 但仍将影响结构可靠
12、性的不同随机因素集 中乘 以 按 经验 确定 的荷 载系 数 , 同样不 能合 理 反 映结 构 的可 靠 程度 。 随着对 荷载 和材料 强度 不确 定性 研 究 的深 入 ,2 0 世 纪 5 0年代 前苏 联 提 出 了极 限状 态设 计 法 。极 限状 态 设计 法是 破坏 阶段 设 计 法 的发 展 , 它 规 定 了结 构 的 极限状态 , 并把单一安全系数改为三个系数 , 即荷载系 数 、 材料系数和工作条件系数 。从而把不同荷载 、 材料 以及构件的受力性质等用不同的安全系数区别开来 , 使不同的构件具有比较一致的安全度。而部分荷载系 数和材料系数基本上是根据统计资料用概率方法
13、确定 的。从本质上讲 , 这是一种半经验半概率方法 , 没有脱 离经验设计法或定值计算法的框架。 随着结 构可 靠 度 理 论 研 究 的完 善 , 2 0世 纪 7 0年 代 国际上 开 始 采 用 以概 率 论 为 基 础 的 极 限 状 态 设 计 法 , 简称为 “ 概率 极 限状 态 设 计 法 ” 。当前 , 国际 上 将 概率设计法按精确程度不 同分为三个水准: 水准 I 一 半概率法 ; 水准 一近似概率法 ; 水准 一全概率法。 近似概率极限状态设计表达式 , 与多系数设计 表达式 在概念和意义上有着本质的区别 。近似概率极限状态 设计表达式的分项系数 , 是根据极 限状态方
14、程中各基 本变量的有关统计参数及概率分布和规定的 目标可靠 指标 , 通 过可靠 度分 析 , 按 优 化 的方 法 , 并 考 虑 工程 经 验确定的。以大量统计 资料为基础 , 有着 明确的可靠 性 概念 。 2承载能力极 限状态设计 2 1 表 达式 和荷载 组合 承 载能力 极 限状 态是 以结 构安 全 为 目的 的设 计 , 包括承载力、 稳定性 、 疲劳等。铁路桥梁除主要承受其 自重和列车荷载外 , 还要承受其它的各种外力作用 , 设 计 中也考虑这些荷载的组合。文献 1 、 文献 3 和文 献 4 中规 定 的铁 路 桥 梁 设 计 需 考 虑 的 荷 载 基 本 相 同, 但
15、 由于设计方法的不同, 设计荷载的荷载组合有所 差异 。 文献 2 中钢筋混凝土结构仍采用定值设计 的容 许应力法 , 一般设计表达式为 S K或 Js o r ( 1 ) 式中, Js 为结构设计效应 ; R为结构设计抗力 ( 或材料 极限强度) ; 为设计安全系数; 为结构容许应 力。容许应力法设计中, 荷载效应取其标准组合。 文献 3 A R E M A钢筋混凝土结构 的设计采用使 用荷 载法 和荷 载系数 法 , 两种 方法 考 虑 的荷 载 如 下 : D 为恒荷载 , 为活荷载, ,为冲击荷载, C F为离心力 , E 为土压力 , 曰为浮力 , 为结构上作用的风荷载 , WL为
16、叠 加在 活荷 载 上 的风 载 , F为 活 载 产 生 的 纵 向力 , F 为摩 擦或 活 动 支 座 处 剪 力 产 生 的 纵 向力 , E Q为 地 震 力 , S F为液流压力 , I C E为冰荷 载, O F为其它力 ( 收 缩 、 温度 、 支座沉降等 ) 。使用荷载法荷载不乘系数 , 材料强度采用容许应力。荷载系数法的一般设计表达 式 为 y iS ( 2 ) 式 中, 为第 i 个荷载的荷载系数 ; S 为第 i 个荷载效 应 ; 为强度折减系数( 受弯构件取 0 9 , 受剪构件取 0 8 5 ) ; R为结构或构件的计算承载力。 欧洲规范采用以概率为基础的极 限状态
17、设计法 , 按分项系数设计表达式进行设计。与 A R E MA荷载系 数法采用单一的强度折减系数 不 同, 计算抗力 的设 计 值 时 , 材料 强度 采用设 计值 , 不 同材料 的材料 分项 系 2 0 1 2年第 2期 国内外钢 筋混凝土铁路桥梁设计方法 比较分析 9 数是不同的。欧洲规范采用的极限状态法一般设计表 达 式为 E R =R( r , , 0 ) ( 3 ) 式 中 , R 为结 构或 构 件抗 力 设 计 值 , , , 分 别 为 材 料 性能分项系数 和特征值 ; o 为几何 尺寸特征值 ; E 为 作用 效应 设 计值 。 欧洲规范 E N 1 9 9 0: 2 0
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