摘要： 針對現階段《鋼結構與木結構設計規(guī)范》與其它公路規(guī)范不配套的現狀，對于鋼橋設計時應采用的荷載、荷載組合及鋼材容許應力的取值進行了討論，并提出了解決方法。
關鍵詞： 鋼橋; 容許應力法 ; 荷載組合; 容許應力
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文獻標識碼 A 文章編號：
引言
在國民經濟建設中，伴隨著鋼產量的大幅提高，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。
設計施工周期長，技術難度大，工程投資高的大橋、特大橋在設計施工乃至運營過程中都會引起人們的足夠重視，進而對此類橋梁進行全過程管理。工程的建設者對此類橋梁精心設計，精心施工，并對某些問題專門立項，在專家的指導下進行科學研究。因此，大橋、特大橋出現問題的概率反而比中小跨徑的鋼板梁橋、鋼桁梁橋出現問題的概率低。究其原因，不外乎工程的建設者未能對中小跨徑鋼橋的設計施工引起足夠的重視，少有人過問此類鋼橋的技術問題。這就要求設計者要對鋼結構橋梁有足夠的認識，熟知并領會規(guī)范的編制要領，在設計過程中活學活用，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，公路橋涵的設計規(guī)范已有多本經過修訂，如《公路橋涵設計通用規(guī)范》(以下簡稱《通規(guī)》)、《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》、《公路圬工橋涵設計規(guī)范》、《公路鋼筋及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》等均已經過修訂出版并實施。但，《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》(JTJ 025-86)(以下簡稱《鋼木規(guī)范》)尚在修訂之中。在鋼橋的設計工作中，由于設計規(guī)范不配套，給設計者帶來的困惑，主要有以下三點。
①《鋼木規(guī)范》采用的是容許應力法，而現行《通規(guī)》使用的是極限狀態(tài)設計法，二者的設計思想不同，也就是說進行鋼橋設計時，不能用現行《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，闡述一下對鋼橋設計的認識，繼而，提出解決方法。
2.鋼橋設計中關于荷載及荷載組合的問題
目前，國內外鋼橋設計主要采用容許應力法和半概率極限狀態(tài)法兩種方法。
容許應力法是將材料作為彈性體，用材料力學或彈性力學方法，算出構件或結構在標準荷載(使用荷載)作用下的應力，要求任一點的計算應力σ，不超過材料的容許應力[σ]，材料的容許應力，系由材料的極限強度(如混凝土)或者流限(如鋼材)，除以安全系數K所得。
容許應力法具有以下特點：
A容許應力法采用平截面假設，構件受力變形后，截面仍保持為平面，即纖維的應變與其到中和軸的距離成正比;另，容許應力法采用虎克定律，應力與應變成正比，這樣就使得計算公式簡單實用。
B容許應力法公式中的安全系數K值是一個經驗值，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容許應力法采用單一的安全系數K，對不同材料，不同荷載，以及其它影響結構安全的因素，不能區(qū)別對待，因而可能使結構在某些情況下過分安全，而在另一些情況下卻不夠安全。
D對于具有塑性性質的材料，容許應力法無法考慮其塑性階段繼續(xù)承載的能力，設計偏于保守。
極限狀態(tài)設計法的設計準則是：對于規(guī)定的極限狀態(tài)，荷載引起的荷載效應(結構內力)大于抗力(結構承載力)的概率(失效概率)不應超過規(guī)定的限值。所謂半概率就是指對影響結構安全的某些參數，用數理統(tǒng)計進行分析，并與經驗相結合，引入某些經驗系數。
由于鋼橋破壞狀態(tài)的復雜性，鋼橋結構失效不能采用單一極限狀態(tài)表達，一般應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，對其公式表達作以簡略說明。
由上述極限狀態(tài)設計表達式可以看出：
A極限狀態(tài)設計法對不同荷載，不同材料及其它影響結構使用的因素，分別給以分項系數及組合系數，能夠對上述各方面對結構的影響區(qū)別對待，有利于結構設計可靠度的提高。
B極限狀態(tài)設計法與非彈性設計法相結合，可以挖掘結構潛力，使設計出來的結構更為經濟合理。
綜上所述，容許應力法的主要缺點是由于單一安全系數是一個籠統(tǒng)的經驗系數，因之給定的容許應力不能保證各種結構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情況對結構安全的影響。容許應力設計法以線性彈性理論為基礎，以構件危險截面的某一點或某一局部的計算應力小于或等于材料的容許應力為準則。在應力分布不均勻的情況下，如受彎構件、受扭構件或靜不定結構，用這種設計方法比較保守。但，容許應力設計應用簡便，是工程結構中的一種傳統(tǒng)設計方法，目前公路、鐵路工程設計中仍在應用。
通過對容許應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》中所提到的容許應力法所采用的荷載組合是標準值組合，而現行《通規(guī)》所提到的極限狀態(tài)設計法所闡述的組合是基本組合，作用短期效應組合，作用長期效應組合等。顯然，在對橋梁鋼結構采用容許應力法進行計算時，是不能直接套用現行《通規(guī)》的作用組合的。反而，設計者要在舊《通規(guī)》中尋找答案。
舊《通規(guī)》將作用在橋梁結構上的荷載劃分為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
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編號 |
荷載分類 |
荷載名稱 |
荷載分類代號 |
備注 |
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1 |
永久荷載
（恒載） |
結構重力 |
A’ |
A |
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2 |
預加應力 |
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3 |
土的重力及土側壓力 |
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4 |
混凝土收縮及徐變影響力 |
\ |
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5 |
基礎變位影響力 |
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6 |
水的浮力 |
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7 |
可變荷載 |
基本可變荷載（活載） |
汽車 |
B |
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8 |
汽車沖擊力 |
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9 |
離心力 |
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10 |
汽車引起的土側壓力 |
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11 |
人群 |
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12 |
平板掛車或履帶車 |
\ |
現行《通規(guī)》已取消此類荷載 |
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13 |
平板掛車或履帶車引起的土側壓力 |
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14 |
其他可變活載 |
風力 |
C |
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15 |
汽車制動力 |
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16 |
流水壓力 |
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17 |
冰壓力 |
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18 |
溫度影響力 |
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19 |
支座摩阻力 |
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20 |
偶然荷載 |
地震力 |
D |
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21 |
船只或漂流物撞擊力 |
E |
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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
組合I：A+B;
組合II：A+B+C
組合III：由于現行《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力法設計時，應對不同的荷載標準值組合給出相應的材料容許應力值，并以此作為設計的依據。《鋼木規(guī)范》針對這一點也做出了相應的規(guī)定。《鋼木規(guī)范》第1.2.10條：驗算結構在各種荷載作用下的強度和穩(wěn)定性時，基本鋼材和各種連接件的容許應力應乘以表二的提高系數k。
容許應力的提高系數 表二
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構造物性質 |
荷載組合 |
K |
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永久性結構 |
組合I
組合II、III、IV
組合V |
1.0
1.25
1.30~1.40 |
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臨時性結構 |
組合I
組合II、III、IV、V |
1.30
1.40 |
注：節(jié)點銷子的容許彎應力在任何荷載作用下，均不得提高
由表可知，隨著標準值組合的不同，基本鋼材和各種連接件的容許應力亦是有所變化的。如對于永久性結構，在組合I作用下，容許應力為[σ]，在組合II作用下，容許應力為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。我們在進行鋼橋設計時，尤要注意采用新《通規(guī)》中荷載標準值的確定方法并結合舊《通規(guī)》的荷載組合方法對鋼橋實施加載計算。
3.關于材料容許應力的問題
《鋼木規(guī)范》中述及的鋼材牌號目前國內鋼廠已不再生產，相應牌號鋼材的容許應力值自然不再存有意義。因此，在進行鋼橋設計時，確定國內鋼廠生產鋼材的容許應力值就顯得格外重要了。
根據《鋼木規(guī)范》對于材料容許應力的條文說明：“材料的容許軸向(拉、壓)應力的選定，均以屈服強度為依據，即以屈服強度除以某一安全系數k。安全系數k系由材料的勻質系數、超載系數和工作條件系數三者綜合而成。低合金鋼的勻質條件系數為270/340=0.8;超載系數，對結構重力為1.1~1.5，對汽車荷載為1.4，綜合約為1.35;工作條件系數一般取1，則k=1/0.8x1.35X1≈1.7,所以取用1.7為計算基礎，“當鋼材承受彎曲作用時，邊緣纖維應力最大，它比其他任何部位的纖維早達到屈服強度，并出現局部塑性變形，而中間纖維仍為彈性變形階段。若再繼續(xù)增加荷載，截面將全部達到屈服強度而進入塑性變形階段，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力可以提高”。該規(guī)范以工字梁為例，闡述了彎曲容許應力的取值方法，并規(guī)定彎曲容許應力按容許軸向應力的1.05倍計。 另，《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》(TB10002.2-2005)(以下簡稱《鐵鋼規(guī)》)對于材料容許應力的條文說明：“鋼材基本容許應力對屈服強度的安全系數，各鋼號基本上都采用1.7左右”，容許剪應力以基本容許應力的0.6倍為準，端部承壓容許應力以基本容許應力的1.5倍為準，彎曲容許應力根據習慣仍定為基本容許應力的1.05倍，對于鑄鋼取安全系數1.85。
可見，《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》(JTJ 025-86)與《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》(TB10002.2-2005)在材料容許應力的取值方法及安全系數的取值上是一致的。因此，我們可以取用《鐵鋼規(guī)》鋼材牌號的材料基本容許應力值進行公路鋼橋設計。
目前，國內鋼材牌號是以鋼材的屈服強度命名的，如Q235與Q235q，同為表示屈服強度為235MPa的鋼材，不同的只是前者為普通碳素結構鋼，后者為橋梁結構鋼，通過前文的論述可知，二者的容許應力是相同的，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，具有更好的抗低溫沖擊的能力。我們在進行鋼橋選材時，要慎重選擇鋼材，但這與鋼材的容許應力值是無關的。
4.結論
現階段,要采用容許應力法進行公路鋼橋設計，荷載組合要執(zhí)行《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTJ 021-89)，并要采用標準值組合;各類荷載的取值要執(zhí)行《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2004);鋼材牌號的容許應力值要以《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》(TB10002.2-2005)中規(guī)定的鋼材容許應力值為準，根據荷載組合的不同，其鋼材的容許應力值各有不同(詳見表二)。
參考文獻
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2. 公路橋涵設計通用規(guī)范(JTJ021-89).人民交通出版社,1989年
3. 公路橋涵設計通用規(guī)范(JTG D60—2004).人民交通出版社, 2004年
4. 公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范(JTJ025-86).人民交通出版社, 1986年
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