橋梁設計采用極限狀態法范文

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［摘要］本文結合廣珠城際軌道交通橋梁設計具有輕軌、地鐵和鐵路網的特點，分析了國內外橋梁設計規范極限狀態法的各項基本技術參數取值，通過實例對不同設計計算方法進行比較，闡明廣珠城際橋梁設計不僅可以采用容許應力法，還可以采用極限狀態法，并提出廣珠城際橋梁荷載分類與組合形式。

［關鍵詞］廣珠城際橋梁設計極限狀態法

引言

新建鐵路廣州至珠海(含中山至江門)城際快速軌道交通橋梁具有類似城市軌道交通橋梁的特點，且在我國剛剛起步，無相應的設計方法與規范。我們有必要對國內外相關規范和設計方法進行充分的研究分析比較，加強對本線的橋梁結構的設計計算方法的認識，才能有利于推進城際快速軌道交通橋梁設計技術的進步與發展。本文著重根據各國極限狀態法的一些規定，對相應的技術參數進行分析比較，并與其他計算方法進行荷載效應的對比。

國內自2000年上海明珠線一期建成通車以后，北京、廣州、武漢等城市也相繼進行城市軌道交通建設。目前國內尚無城市高架軌道交通橋梁的設計規范，結構設計參照鐵路橋涵設計規范按容許應力法進行計算。

國外的軌道交通在七十年代就得到了發展，且各國相繼修訂設計規范，納入了結構設計最新的成果，計算方法也從容許應力法、破壞階段法發展到極限狀態法。國外除了個別規范外，一般都采用極限狀態設計，運用荷載分項系數法作為設計表達式。

經過對本線橋梁設計荷載圖式的初步研究認為采用0.6UIC較為合適，其實，本線設計概化的運營車輛荷載對簡支梁的跨中換算靜活載效應與0.4UIC的作用效應相當，因此，活載相對來說較輕，歐洲聯盟的設計方法是完全值得借鑒的；同時本線的橋梁比重占全線95%以上，在對設計方法進行初步分析比較的基礎上，認為采用極限狀態法進行橋梁結構設計其經濟效益可觀，從投資方面考慮也有必要對極限狀態法進行論證。

1極限狀態法技術參數比較與分析

極限狀態法中各規范技術參數差別較大，但分類基本一致，即：荷載、材料與工作條件等，著重從這三個方面技術參數，綜合分析國內外規范取值，尋求適合本線技術參數。國內外規范使用階段極限狀態工況其技術參數取值均為1，承載能力極限狀態工況下的技術參數取值

恒載參數各種標準的差別很大。同時一個國家不同時期的差別也是很大的(其中帶*者為原有規范)。但是結構自重在橋建成以后，基本是不變的，誤差可能性較小，因此取1.2作為自重恒載參數。

各國規范的活載參數取值如表3,活載是橋梁設計中最基本的技術條件。比較各國規范當中的活載參數，根據活載在橋梁設計當中所起的主導作用，在不同的組合方式下，分別取1.4、1.2、1.0等不同的值。

按極限狀態法設計的橋梁結構設計，根據規定須進行兩類極限狀態計算，以保證結構安全、適用、耐久。由于城際快速軌道交通在國內剛剛起步，不可能從可靠度理論分析來制訂各技術參數取值，主要參考國內外現有設計規范，按荷載的離散程度不同制訂相應參數。推薦的技術參數取值

2荷載分類與組合

2.1荷載分類

荷載的分類按荷載隨著時間變化性能的不同以及出現機率的大小,將作用在城際軌道交通橋梁上的荷載分為下列幾類:永久荷載、可變荷載和偶然荷載。

2.2荷載組合

（1）按承載能力極限狀態組合:

組合Ⅰ：永久荷載的一種或幾種與基本可變荷載的一種或幾種效應組合；

組合Ⅱ：永久荷載的一種或幾種與基本可變荷載的一種或幾種與其它可變荷載的一種或幾種效應組合；

組合Ⅲ：永久荷載一種或幾種與施工、養護、維修狀態荷載的效應組合；

組合Ⅴ：永久荷載的一種或幾種與基本可變荷載的一種或幾種,再加上一種偶然荷載的效應組合。

（2）按正常使用極限狀態組合組合Ⅳ:永久荷載的一種或幾種與基本可變荷載的一種或幾種效應組合。

3算例

3.1基本資料

在不同的活載形式作用下，計算示例一為一輕軌30m雙線預應力混凝土簡支梁，梁部采用C50混凝土，檢算跨中截面進行強度；計算示例二為鋼筋混凝土連續剛構，計算跨度為(10.28+2×12.56+10.28)m，梁部采用C50混凝土，墩身采用C35混凝土，檢算其墩頂梁截面與墩頂墩身截面。輕軌活載圖式如圖1，廣珠城際運營車輛荷載圖式如圖2，動車組荷載圖式與圖2相同，軸重≤150KN。

3.2計算結果

計算結果如表8～表10。從表8可以看出，輕軌與汽—超20活載效應相當，采用按極限狀態法，在輕軌活載作用下，可節約鋼材約24%，在廣珠城際快速軌道車輛荷載作用下節省鋼材14%。表9的計算結果表明，要滿足規范要求，截面鋼筋的最小根數，采用容許應力法計算需60Φ25Ⅱ級鋼筋,極限狀態法需53Φ25Ⅱ級鋼筋。表10的計算結果均滿足規范要求，截面有足夠的安全儲備。

3.3計算分析及結論

以上示例，分別對鋼筋混凝土的受彎構件、偏心受壓構件以及預應力混凝土構件進行了檢算，包含了橋梁結構設計的大部分內容。經過以上計算，可以看出：

(1)對推薦的各項技術參數進行的極限狀態法與容許應力法、破壞內力法進行了計算比較，結果表明滿足規范要求。

(2)采用極限狀態法比采用容許應力法、破壞內力法要節省材料。當然，在實際的工程設計當中，不僅僅是按截面的最大承載能力去進行橋梁結構設計，還要考慮截面砼和鋼索應力以及位移等要求。

(3)推薦的技術參數雖然是在參照各國結構設計規范或橋梁設計規范的基礎之上選取，但是荷載與材料的分項安全系數、工作條件系數的取值，在安全度方面的保證率比較明確，較之容許應力法、破壞內力法對內力憑經驗取安全系數設計，要科學、明確。

(4）將結構的受力區分為兩類極限狀態來計算，既保證了結構的安全，又保證了它的使用功能和耐久性，概念清楚，計算目標明確，兼有按容許應力法和按破壞內力法設計的優點。

4結語

廣珠城際快速軌道交通工程橋梁設計采用采用極限狀態法的計算方法，通過上面的計算，無論是對廣珠城際快速軌道交通工程運營車輛荷載還是對動車組荷載，結果表明都是可行的。隨著結構設計理論不斷發展以及極限狀態設計法的日趨成熟，對于高架軌道交通橋跨結構來說，荷載和結構抗力的變異性小，計算模式確定性好，更適合采用極限狀態的設計方法。

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