马 韬

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

阿尔及利亚位于非洲西北部,全称为阿尔及利亚民主人民共和国,面积238.17万km2,人口3136万,大多数是阿拉伯人,其次是柏柏尔人。伊斯兰教为国教,官方语言为阿拉伯语,通用法语。 阿尔及利亚南部为占国土面积80%的沙漠,中部为宽阔平缓的高原,地中海沿岸为狭窄的滨海平原。河流多为间歇河。沿海地带属地中海气候,南部沙漠地属热带沙漠气候。年降水量在700 mm以下。阿尔及利亚东西高速公路东连突尼斯、西接摩洛哥,它既是阿尔及利亚贯穿东西方向的主要交通大动脉,又是北非地中海沿岸国家重要的战略通道,是北部非洲马格里布(阿拉伯五国联盟)高速公路的重要组成部分。阿尔及利亚东西高速公路建设项目是我国首次通过国际竞标获得的大型工程项目,工程承包人为中信-中铁建联合体(CITIC—CRCC)。根据项目合同要求,本项目必须按照欧洲标准(以法国规范为主)进行设计和施工,设计主要采用法国规范和源于法国规范的阿尔及利亚规范[1-3]。

1 项目采用欧洲标准的构成和特点

1.1 欧洲标准及法国规范结构体系

本项目所在地为阿尔及利亚,当地土木工程设计标准主要采用欧洲标准体系中的法国规范。欧美高等教育本科阶段学科划分较粗,土木工程专业下并未如国内细分为工民建、公路、铁路、水工等二级学科,土木工程咨询及施工公司的业务大多涵盖了所有土建工程。欧洲土木工程结构设计规范(EN 规范简称欧洲规范)是由一系列相互配套使用的土木设计规范组成的,适用于各行业的土木工程。欧洲规范作为以EN为标准的欧洲标准,具有国家标准的合法地位,但考虑到每一成员国之间安全水平的不同,保留各成员国根据他们的具体情况确定与安全有关的参数值的权利,这些参数汇总于国家附录中,形成在统一标准下的本国规范。NF EN规范为法国发行的基于欧洲标准的法国规范,包括了欧洲标准化协会发行的欧洲规范(含有各种附录)、法国的标题及前言页及法国的“国家附录”。NF EN规范目前已成为采用法国标准的土木工程的主要执行规范。法国国内采用的公路工程标准、规范及技术指南由多家研究机构或部门编制,没有统一编码[1-3，10，11]。其主要来源于：(1)法国发行的欧洲土木工程结构设计规范(NF EN)；(2)由法国经济财政与工业部下发,法国运输、建设、旅游和海洋部编制的《公共设施建筑行业的总技术条款汇编(CCTG)》；(3)法国公路和高速公路研究所(SETRA)；(4)法国隧道研究中心(CETU)。

1.2 本项目采用设计标准规范

(1)公共设施建筑行业的总技术条款汇编62分册第一节(CCTG Fascicule 62—Titre Ⅰ (Section Ⅰ))

(2)公共设施建筑行业的总技术条款汇编62分册第二节(CCTG Fascicule 62—Titre Ⅰ (Section Ⅱ))

(3)阿尔及利亚桥梁荷载标准(CPC Fascicule 61—Titre Ⅱ)

(4)法国地震区常用桥梁设计指南(Ponts courtants en zone sismique de SETRA)

(5)阿尔及利亚抗震标准(RPA 99/VERSION 2003)

(6)欧8规范-结构物抗震计算(NF EN1998-1,1998-1/NA,1998-2,1998-2 /NA)

2 结构设计

2.1 总体设计

PK0+500 PIO-1桥为上跨东西高速M5标段的人行天桥,根据功能分类,属于PS桥(支线上跨桥)。PS桥跨越的障碍物为东西高速公路主线,墩台高度相对固定,桥梁的跨径选择范围为18～35 m,分跨为1～4孔。结合本桥具体情况,考虑美观的结构形式和施工方便,决定上部采用采用2×20 m连续箱梁的结构,下部采用矩形薄壁桥墩配扩大基础,见图1。

图1 人行天桥总体布置(单位：cm)

2.2 技术标准

桥梁类别：乡道(人行天桥),一级桥梁；

气象区划：B类地区(温和或干燥地区)；

环境湿度：ρh=45%；

跨径组合：2×20.0 m；

斜交角度：90°；

桥面宽度：0.25 m(栏杆)+2.5 m(人行道)+0.25 m(栏杆)=3.0 m；

设计荷载：人群4.5 kN/m2[9]；

预应力度：Ⅱ类结构[4-5]；

地震区段：桥址位于地震频发的Ⅲ区,动峰值加速度系数为0.4g[6-8]；

场地类别：S2类(坚固场地)；[6-8]

2.3 上部结构尺寸

桥面宽3.0 m,横向布置1片单箱单室箱梁,现浇箱梁高1.00 m,桥面铺装厚10 cm,见图2。上部结构及桥面的荷载通过梁底设置的板式橡胶支座传递到桥墩、梯道和基础。上部结构采用支架现浇法施工,下部结构采用常规施工方法。

图2 天桥结构(单位：cm)

3 结构分析

3.1 结构计算方法及参数

根据CCTG Fascicule 62—Titre Ⅱ (Section Ⅱ)规定,上部结构计算采用极限状态法进行设计。极限状态法包括正常使用极限状态和承载能力极限状态。承载能力极限状态(E.L.U),结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态。正常使用极限状态(E.L.S),结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态[4，5,10，11]。结构分析计算采用土木工程专用计算软件Midas/Civilv.2007和Robot/OfficeV.20进行,其中静力计算及应力验算采用Midas/Civilv.2007,截面配筋计算采用Robot/OfficeV.20。箱梁采用梁单元模拟,全桥结构计算模型如图3所示。全桥共划分梁单元42个,与梁单元相关的节点46个,另外还有3个预应力钢束单元和3个边界单元。

图3 计算模型

上部箱梁结构采用RN40混凝土,RN40混凝土为阿尔及利亚标准,其参数与欧洲标准相同,与我国标准差异较大。我国规范GB 50010—2002将立方体强度值作为混凝土强度的基本指标,并把立方体强度作为评定混凝土强度等级的标准。欧洲规范混凝土强度等级用混凝土圆柱体抗压强度特征值fck(5%分位值)或立方体抗压强度特征值fck,cube表示。RN40混凝土表示圆柱体强度特征值为40 MPa的混凝土[10-11]。其强度发展曲线和收缩徐变曲线见图4～图6。

图4 强度发展曲线

图5 收缩发展曲线

图6 徐变发展曲线

预应力荷载在各状态下计算参数不同：承载能力极限状态(E.L.U),预应力作用力的平均值(概算值)：Pm=P0-ΔP；正常使用极限状态(E.L.S),预应力作用力的计算值：Pd=max{P1;P2},P1=1.02P0-0.80ΔP(可用来检验施工流程)；P2=0.98P0-1.20ΔP(可用来检验长期效应)[4-5],其中，P0为初始张拉预应力,ΔP为预应力损失。

3.2 结构分析控制参数

(1)荷载组合：根据结构可靠性设计的概念,按照概率极限状态法进行设计,对结构处于不同状态下的荷载组合见表1。

表1 荷载组合

注：Pd—预应力荷载；Gmax—恒荷载极大值；Gmin—恒荷载极小值；Qprc—施工荷载；FA—偶然荷载；Qr—活荷载；Qrp—特殊活荷载；T—均匀温度荷载；Δθ—温度梯度荷载。

(2)混凝土应力控制：根据CCTG Fascicule 62-Titre Ⅰ (Section Ⅱ)中对预应力混凝土结构物在各阶段各状态下的应力控制要求,本桥的应力控制见表2～表4。

3.3 计算结果

表2 压应力控制

注：fbu—极限状态下压应力限值；fcj—混凝土抗压强度；θ—与荷载效应相关的系数；γb—荷载组合相关的安全系数；fbc—正常使用状态下压应力限值；fc28—混凝土28 d抗压强度。

表3 拉应力控制

注：fts—正常使用状态下拉应力限值；ftj—混凝土抗拉强度。

表4 剪应力控制

表5 施工阶段截面应力 MPa

表6 运营阶段截面应力 MPa

(1)截面正应力

施工阶段,正常使用状态(E.L.S)下,截面未出现拉应力。运营阶段,正常使用极限状态(E.L.S)下,频遇组合(frequent combination)下未出现拉应力,标准组合(characteristic combination)下,上缘未出现拉应力,下缘最大拉应力为-0.31 MPa。应力状态满足设计要求。

(2)截面剪应力

运营阶段,承载能力极限状态(E.L.U)下,截面最大剪应力为1.84 MPa。正常使用极限状态(E.L.S)下,截面最大剪应力为1.27 MPa,均满足设计要求。

4 结论

本项目按照欧洲标准建设,设计中主要采用法国规范及基于法国规范的阿尔及利亚规范。与现行中国公路桥涵规范既有相似之处,也有较大的区别。总体来讲其结构体系接近于我国建筑结构规范,对桥梁工程施工及运营过程中的各种因素考虑非常全面,并且对各种细部构造均有详细的规定。但是欧洲规范结构体系庞大繁杂,实际运用中可操作性差,对工程技术人员专业素质要求高。

相似处如下。

(1)中欧规范均采用极限状态法作为设计基础,设计方法和思想相似,但中国规范采用的是基于可靠度的设计方法,而欧洲规范的分项系数主要是根据经验系数确定。

(2)在抗力设计方面,中欧规范均采用材料强度设计值(标准值除以材料分项系数)。

(3)对于预应力结构,2种规范均采用截面应力作为控制结构状态的主要标准。

不同处如下。

(1)欧洲规范充分考虑桥梁结构运营阶段的维修养护问题,对桥面系荷载给予0.8～1.2的调整系数,以便于考虑结构在不同状态下的安全性,而中国规范未考虑此情况。

(2)欧洲规范对有效预应力的计算考虑了最大最小2种不利情况,充分考虑了施工中的实际情况,而中国规范对此未有明确规定。

(3)在正常使用极限状态下,欧洲规范对截面正应力控制分为保护截面(靠近预应力钢束)和其他截面分别控制,保护截面控制严格,其他截面较宽松。中国规范则对截面统采用同一标准控制。

(4)在承载能力极限状态下,中国规范主要采用截面抗力控制结构尺寸,而欧洲规范主要采用正截面压应力进行控制。

(5)在正常使用极限状态下,中国规范主要采用主压和主拉应力控制斜截面应力状态,欧洲规范则主要采用截面剪应力进行控制。

参考文献：

[1] 李军,余培玉.阿尔及利亚东西高速公路桥梁设计总体思路[J].公路,2008(9)：209-211.

Li Jun,Yu Peiyu. Algerian general idea of East-West Highway Bridge Design[J]. HIGHWAY,2008(9):209-211.

[2] 丁小军.欧洲(法国)公路设计标准、规范体系的特点及构成[J].公路,2008(9)：1-3.

Ding Xiaojun. Europe (France) highway design standards,specifications and features of the system constitutes[J]. HIGHWAY,2008(9)：1-3.

[3] 丁小军,王佐.法中公路设计标准、规范的差异比较[J].公路,2008(9)：7-15.

Ding Xiaojun,Wang Zuo. In the law of the highway design standards and norms of the difference of the comparison[J]. HIGHWAY,2008(9)：7-15.

[4] 法国经济、财政和工业部合同中央委员会.通用技术条款62分册第一章第一节[S].巴黎:法国经济、财政和工业部合同中央委员会,1999.

[5] 法国经济、财政和工业部合同中央委员会.通用技术条款62分册第一章第二节[S].法国 巴黎:经济、财政和工业部合同中央委员会,1999.

[6] 法国标准化协会.欧洲结构物抗震规范8[S].巴黎:法国标准化协会,2005.

[7] 阿尔及利亚 阿尔及尔：国家抗震研究中心.阿尔及利亚抗震标准 RPA 99/[S].2003年版.阿尔及利亚 阿尔及尔：国家抗震研究中心,2003.

[8] 国公路和高速公路技术设计服务技术工程中心.地震区常用桥梁设计指南[S].巴黎：法国公路和高速公路技术设计服务技术工程中心,2000.

[9] 阿尔及利亚 阿尔及尔公共工程基础设施建设及服务研究部.阿尔及利亚结构工程计算公共规定手册61分册第二章[S].阿尔及利亚 阿尔及尔：公共工程基础设施建设及服务研究部,1999.

[10] 贡金鑫,等.中美欧混凝土结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2007.

[11] 贡金鑫,等.混凝土结构设计(按照欧洲规范)[M]. 北京：中国建筑工业出版社,2009.