摘要： 針對現(xiàn)階段《鋼結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》與其它公路規(guī)范不配套的現(xiàn)狀，對于鋼橋設(shè)計時應(yīng)采用的荷載、荷載組合及鋼材容許應(yīng)力的取值進(jìn)行了討論，并提出了解決方法。
　　關(guān)鍵詞： 鋼橋; 容許應(yīng)力法 ; 荷載組合; 容許應(yīng)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
　　中圖分類號：TU99文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號：
　　引言
　　在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，伴隨著鋼產(chǎn)量的大幅提高，我國對鋼材的使用逐步放寬。過去，在公路及城市橋梁建設(shè)中鮮有使用的鋼橋，也以其適合工廠化制造，便于運輸，便于無支架或少支架施工，安裝迅速等優(yōu)點漸入人們的視野。鋼橋在公路及城市橋梁總里程中所占的比重逐步加大。
　　設(shè)計施工周期長，技術(shù)難度大，工程投資高的大橋、特大橋在設(shè)計施工乃至運營過程中都會引起人們的足夠重視，進(jìn)而對此類橋梁進(jìn)行全過程管理。工程的建設(shè)者對此類橋梁精心設(shè)計，精心施工，并對某些問題專門立項，在專家的指導(dǎo)下進(jìn)行科學(xué)研究。因此，大橋、特大橋出現(xiàn)問題的概率反而比中小跨徑的鋼板梁橋、鋼桁梁橋出現(xiàn)問題的概率低。究其原因，不外乎工程的建設(shè)者未能對中小跨徑鋼橋的設(shè)計施工引起足夠的重視，少有人過問此類鋼橋的技術(shù)問題。這就要求設(shè)計者要對鋼結(jié)構(gòu)橋梁有足夠的認(rèn)識，熟知并領(lǐng)會規(guī)范的編制要領(lǐng)，在設(shè)計過程中活學(xué)活用，減少出錯的可能，降低事故發(fā)生的概率。
　　1 問題的提出
　　截止2010年底，公路橋涵的設(shè)計規(guī)范已有多本經(jīng)過修訂，如《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(以下簡稱《通規(guī)》)、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》、《公路鋼筋及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》等均已經(jīng)過修訂出版并實施。但，《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTJ 025-86)(以下簡稱《鋼木規(guī)范》)尚在修訂之中。在鋼橋的設(shè)計工作中，由于設(shè)計規(guī)范不配套，給設(shè)計者帶來的困惑，主要有以下三點。
　　①《鋼木規(guī)范》采用的是容許應(yīng)力法，而現(xiàn)行《通規(guī)》使用的是極限狀態(tài)設(shè)計法，二者的設(shè)計思想不同，也就是說進(jìn)行鋼橋設(shè)計時，不能用現(xiàn)行《通規(guī)》中的荷載組合。
　　②《鋼木規(guī)范》中提到的鋼材牌號已被新的鋼材牌號取代，新的鋼材牌號容許應(yīng)力的確定值得商榷。
　　③《鋼木規(guī)范》中使用的汽車荷載，溫度作用等是原《通規(guī)》的，而原《通規(guī)》又被新《通規(guī)》所取代，汽車荷載，溫度作用等怎樣確定也是需要解決的。
　　本文將從以上三個問題入手，闡述一下對鋼橋設(shè)計的認(rèn)識，繼而，提出解決方法。
　　2.鋼橋設(shè)計中關(guān)于荷載及荷載組合的問題
　　目前，國內(nèi)外鋼橋設(shè)計主要采用容許應(yīng)力法和半概率極限狀態(tài)法兩種方法。
　　容許應(yīng)力法是將材料作為彈性體，用材料力學(xué)或彈性力學(xué)方法，算出構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)荷載(使用荷載)作用下的應(yīng)力，要求任一點的計算應(yīng)力σ，不超過材料的容許應(yīng)力[σ]，材料的容許應(yīng)力，系由材料的極限強(qiáng)度(如混凝土)或者流限(如鋼材)，除以安全系數(shù)K所得。
　　容許應(yīng)力法具有以下特點：
　　A容許應(yīng)力法采用平截面假設(shè)，構(gòu)件受力變形后，截面仍保持為平面，即纖維的應(yīng)變與其到中和軸的距離成正比;另，容許應(yīng)力法采用虎克定律，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，這樣就使得計算公式簡單實用。
　　B容許應(yīng)力法公式中的安全系數(shù)K值是一個經(jīng)驗值，它在不同的規(guī)范，不同的歷史時期均不相同，人的主觀因素對于K值的確定具有很大影響。
　　C容許應(yīng)力法采用單一的安全系數(shù)K，對不同材料，不同荷載，以及其它影響結(jié)構(gòu)安全的因素，不能區(qū)別對待，因而可能使結(jié)構(gòu)在某些情況下過分安全，而在另一些情況下卻不夠安全。
　　D對于具有塑性性質(zhì)的材料，容許應(yīng)力法無法考慮其塑性階段繼續(xù)承載的能力，設(shè)計偏于保守。
　　極限狀態(tài)設(shè)計法的設(shè)計準(zhǔn)則是：對于規(guī)定的極限狀態(tài)，荷載引起的荷載效應(yīng)(結(jié)構(gòu)內(nèi)力)大于抗力(結(jié)構(gòu)承載力)的概率(失效概率)不應(yīng)超過規(guī)定的限值。所謂半概率就是指對影響結(jié)構(gòu)安全的某些參數(shù)，用數(shù)理統(tǒng)計進(jìn)行分析，并與經(jīng)驗相結(jié)合，引入某些經(jīng)驗系數(shù)。
　　由于鋼橋破壞狀態(tài)的復(fù)雜性，鋼橋結(jié)構(gòu)失效不能采用單一極限狀態(tài)表達(dá)，一般應(yīng)該包括承載能力極限狀態(tài)，正常使用極限狀態(tài)，疲勞破壞極限狀態(tài)三個極限狀態(tài)。現(xiàn)以基本組合作用下的承載能力極限狀態(tài)為例，對其公式表達(dá)作以簡略說明。
　　由上述極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式可以看出：
　　A極限狀態(tài)設(shè)計法對不同荷載，不同材料及其它影響結(jié)構(gòu)使用的因素，分別給以分項系數(shù)及組合系數(shù)，能夠?qū)ι鲜龈鞣矫鎸Y(jié)構(gòu)的影響區(qū)別對待，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度的提高。
　　B極限狀態(tài)設(shè)計法與非彈性設(shè)計法相結(jié)合，可以挖掘結(jié)構(gòu)潛力，使設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)合理。
　　綜上所述，容許應(yīng)力法的主要缺點是由于單一安全系數(shù)是一個籠統(tǒng)的經(jīng)驗系數(shù)，因之給定的容許應(yīng)力不能保證各種結(jié)構(gòu)具有比較一致的安全水平，也未考慮荷載增大的不同比率或具有異號荷載效應(yīng)情況對結(jié)構(gòu)安全的影響。容許應(yīng)力設(shè)計法以線性彈性理論為基礎(chǔ)，以構(gòu)件危險截面的某一點或某一局部的計算應(yīng)力小于或等于材料的容許應(yīng)力為準(zhǔn)則。在應(yīng)力分布不均勻的情況下，如受彎構(gòu)件、受扭構(gòu)件或靜不定結(jié)構(gòu)，用這種設(shè)計方法比較保守。但，容許應(yīng)力設(shè)計應(yīng)用簡便，是工程結(jié)構(gòu)中的一種傳統(tǒng)設(shè)計方法，目前公路、鐵路工程設(shè)計中仍在應(yīng)用。
　　通過對容許應(yīng)力法與半概率極限狀態(tài)法的比較分析，我們可以看到《鋼木規(guī)范》中所提到的容許應(yīng)力法所采用的荷載組合是標(biāo)準(zhǔn)值組合，而現(xiàn)行《通規(guī)》所提到的極限狀態(tài)設(shè)計法所闡述的組合是基本組合，作用短期效應(yīng)組合，作用長期效應(yīng)組合等。顯然，在對橋梁鋼結(jié)構(gòu)采用容許應(yīng)力法進(jìn)行計算時，是不能直接套用現(xiàn)行《通規(guī)》的作用組合的。反而，設(shè)計者要在舊《通規(guī)》中尋找答案。
　　舊《通規(guī)》將作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的荷載劃分為21種，為下文敘述方便，筆者將這21種荷載劃分為六類，分別以荷載分類代號表示，見表一。
　　荷載分類 表一

編號	荷載分類		荷載名稱	荷載分類代號		備注
1	永久荷載 （恒載）		結(jié)構(gòu)重力	A’	A
2			預(yù)加應(yīng)力
3			土的重力及土側(cè)壓力
4			混凝土收縮及徐變影響力	\
5			基礎(chǔ)變位影響力
6			水的浮力
7	可變荷載	基本可變荷載（活載）	汽車	B
8			汽車沖擊力
9			離心力
10			汽車引起的土側(cè)壓力
11			人群
12			平板掛車或履帶車	\		現(xiàn)行《通規(guī)》已取消此類荷載
13			平板掛車或履帶車引起的土側(cè)壓力
14		其他可變活載	風(fēng)力	C
15			汽車制動力
16			流水壓力
17			冰壓力
18			溫度影響力
19			支座摩阻力
20	偶然荷載		地震力	D
21			船只或漂流物撞擊力	E

　　注：表中荷載分類代號在荷載組合中指代所在類別中的一種或幾種荷載。
　　為此，可將《鋼木規(guī)范》中提及的五種組合，按下式表達(dá)
　　組合I：A+B;
　　組合II：A+B+C
　　組合III：由于現(xiàn)行《通規(guī)》已取消平板掛車及履帶車荷載，本組合實際已不存在
　　組合IV：A+B+E
　　組合V：施工組合，根據(jù)施工情況確定參與組合的荷載
　　由舊《通規(guī)》第2.1.4條可知橋涵采用容許應(yīng)力法設(shè)計時，應(yīng)對不同的荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合給出相應(yīng)的材料容許應(yīng)力值，并以此作為設(shè)計的依據(jù)。《鋼木規(guī)范》針對這一點也做出了相應(yīng)的規(guī)定。《鋼木規(guī)范》第1.2.10條：驗算結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性時，基本鋼材和各種連接件的容許應(yīng)力應(yīng)乘以表二的提高系數(shù)k。
　　容許應(yīng)力的提高系數(shù) 表二

構(gòu)造物性質(zhì)	荷載組合	K
永久性結(jié)構(gòu)	組合I 組合II、III、IV 組合V	1.0 1.25 1.30~1.40
臨時性結(jié)構(gòu)	組合I 組合II、III、IV、V	1.30 1.40

　　注：節(jié)點銷子的容許彎應(yīng)力在任何荷載作用下，均不得提高
　　由表可知，隨著標(biāo)準(zhǔn)值組合的不同，基本鋼材和各種連接件的容許應(yīng)力亦是有所變化的。如對于永久性結(jié)構(gòu)，在組合I作用下，容許應(yīng)力為[σ]，在組合II作用下，容許應(yīng)力為1.25[σ]。
　　2004年實施的新《通規(guī)》對于舊《通規(guī)》中的荷載作了修訂，尤其是汽車荷載和溫度作用在《通規(guī)》中的改變較大。我們在進(jìn)行鋼橋設(shè)計時，尤要注意采用新《通規(guī)》中荷載標(biāo)準(zhǔn)值的確定方法并結(jié)合舊《通規(guī)》的荷載組合方法對鋼橋?qū)嵤┘虞d計算。
　　3.關(guān)于材料容許應(yīng)力的問題
　　《鋼木規(guī)范》中述及的鋼材牌號目前國內(nèi)鋼廠已不再生產(chǎn)，相應(yīng)牌號鋼材的容許應(yīng)力值自然不再存有意義。因此，在進(jìn)行鋼橋設(shè)計時，確定國內(nèi)鋼廠生產(chǎn)鋼材的容許應(yīng)力值就顯得格外重要了。
　　根據(jù)《鋼木規(guī)范》對于材料容許應(yīng)力的條文說明：“材料的容許軸向(拉、壓)應(yīng)力的選定，均以屈服強(qiáng)度為依據(jù)，即以屈服強(qiáng)度除以某一安全系數(shù)k。安全系數(shù)k系由材料的勻質(zhì)系數(shù)、超載系數(shù)和工作條件系數(shù)三者綜合而成。低合金鋼的勻質(zhì)條件系數(shù)為270/340=0.8;超載系數(shù)，對結(jié)構(gòu)重力為1.1~1.5，對汽車荷載為1.4，綜合約為1.35;工作條件系數(shù)一般取1，則k=1/0.8x1.35X1≈1.7,所以取用1.7為計算基礎(chǔ)，“當(dāng)鋼材承受彎曲作用時，邊緣纖維應(yīng)力最大，它比其他任何部位的纖維早達(dá)到屈服強(qiáng)度，并出現(xiàn)局部塑性變形，而中間纖維仍為彈性變形階段。若再繼續(xù)增加荷載，截面將全部達(dá)到屈服強(qiáng)度而進(jìn)入塑性變形階段，即所謂極限狀態(tài)。由于鋼材的塑性變形，使破損荷載增大，也就是受彎時的彎曲應(yīng)力可以提高”。該規(guī)范以工字梁為例，闡述了彎曲容許應(yīng)力的取值方法，并規(guī)定彎曲容許應(yīng)力按容許軸向應(yīng)力的1.05倍計。 另，《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.2-2005)(以下簡稱《鐵鋼規(guī)》)對于材料容許應(yīng)力的條文說明：“鋼材基本容許應(yīng)力對屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)，各鋼號基本上都采用1.7左右”，容許剪應(yīng)力以基本容許應(yīng)力的0.6倍為準(zhǔn)，端部承壓容許應(yīng)力以基本容許應(yīng)力的1.5倍為準(zhǔn)，彎曲容許應(yīng)力根據(jù)習(xí)慣仍定為基本容許應(yīng)力的1.05倍，對于鑄鋼取安全系數(shù)1.85。
　　可見，《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTJ 025-86)與《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.2-2005)在材料容許應(yīng)力的取值方法及安全系數(shù)的取值上是一致的。因此，我們可以取用《鐵鋼規(guī)》鋼材牌號的材料基本容許應(yīng)力值進(jìn)行公路鋼橋設(shè)計。
　　目前，國內(nèi)鋼材牌號是以鋼材的屈服強(qiáng)度命名的，如Q235與Q235q，同為表示屈服強(qiáng)度為235MPa的鋼材，不同的只是前者為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，后者為橋梁結(jié)構(gòu)鋼，通過前文的論述可知，二者的容許應(yīng)力是相同的，不同的只是后者與前者相比，其有害元素含量更低，沖擊韌性更強(qiáng)，具有更好的抗低溫沖擊的能力。我們在進(jìn)行鋼橋選材時，要慎重選擇鋼材，但這與鋼材的容許應(yīng)力值是無關(guān)的。
　　4.結(jié)論
　　現(xiàn)階段,要采用容許應(yīng)力法進(jìn)行公路鋼橋設(shè)計，荷載組合要執(zhí)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTJ 021-89)，并要采用標(biāo)準(zhǔn)值組合;各類荷載的取值要執(zhí)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004);鋼材牌號的容許應(yīng)力值要以《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.2-2005)中規(guī)定的鋼材容許應(yīng)力值為準(zhǔn)，根據(jù)荷載組合的不同，其鋼材的容許應(yīng)力值各有不同(詳見表二)。
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