中英规范下框架结构配筋计算差异

【摘要】本文分别按照中、英规范，从荷载计算加载、荷载组合、配筋计算及验算等整个计算过程，分析框架结构在中英规范下配筋计算差异，加深对中英规范的异同的认识，力求为国内工程师参与国外项目勘察设计提供一定的帮助。

【关键词】中英规范；配筋计算；框架结构

中图分类号：TU323.5 文献标识码：A 文章编号：

研究目的及意义

国内参与国际性工程逐渐增多，对国外工程类规范研究和应用也逐渐增多，在很多方面都有不少有益的研究。例如有文章对中美的混凝土规范配筋量进行了对比计算[4]，有对BS5400和中国公路中钢筋混凝土设计和荷载组合进行比较[5]、[6]，对中英规范下各种结构形式设计方面进行比较[7]、[8]、[9]。这些研究针对勘察设计中的某些环节，例如验算、假定相同弯矩下的配筋，或在整体上对设计进行比较抽象的推理对比。但是在具体的工程设计中，不同的规范下，加载方式，荷载计算及组合的处理原则和方式都不相同，影响结构最终的受力大小，从而使得结构最后的配筋数量也不相同。

本文基于具体的工程条件，采用极限承载力法，按铁路设计荷载，从设计计算中的荷载计算加载、荷载组合、配筋计算及验算等整个计算过程，分析框架结构在中英规范下配筋计算差异，力求使读者直观、具体地认识中英的相关规范的差异。

计算参数及中英规范下荷载计算

2.1中英规范下荷载计算方法

对框架结构起作用的荷载有：结构自重，道碴与填土引起的荷载，土侧压力，活载及活载引发各种效应、温差效应、混凝土收缩等。框架内流水压力或汽车荷载、地震力等不计。

2.1.1中国规范中的计算条文

道碴重及框架顶填土压力：

板顶填土产生的荷载为：

H-道碴厚度或填土高度

的取值如铁路桥涵设计基本规范中表4.2.3所示。

边墙两侧由于恒载产生的水平土压力

恒载产生的水平土压力为静土压力，在结构顶部产生的水平土压力为e1,在结构底部产生的水平土压力为e2。

e1=ξγh1

e1=ξγh2

其中，h1、h2分别为轨道底部到结构顶、底部的距离

ξ取0.25或0.35。

活载

活载：活载，冲击力，制动力或加速力。离心力，横向摇摆力等本文中不计。

活载加载时，应计入冲击影响。当涵洞板顶填土（从轨底算起）h≥1m（从轨底算起）时，不计动力作用。

当h＜1m时，动力系数

式中

活载对框架结构的作用

水平压力：

竖直压力

式中：为轨底以下深度

取0.25或0.35

制动力或加速力加载模式

制动力或加速力按列车竖向净荷载的10%计。

2.1.2英国规范中的计算条文

道碴重及框架顶填土压力：

根据BD31-01中3.1.2条款：板顶填土产生的荷载为：

H-道碴厚度或填土高度

按BD31-01中3.1.2条款中图3.1取值

边墙两侧由于恒载产生的水平土压力

恒载产生的水平土压力为静土压力，在结构顶部产生的水平土压力为e1,在结构底部产生的水平土压力为e2。根据BS8002中3.3.2条款，静土压力系数为：

Ko=1-sinα

α—为路基材料的内摩擦角

e1=Koβγh1

e1=Koβγh2

其中，h1、h2分别为轨道底部到结构顶、底部的距离

活载

活载：活载，冲击力，制动力或加速力。离心力，横向摇摆力等本文中不计。

活载加载时，应计入冲击影响。根据BS5400中8.2.3.1条款规定，活载冲击系数：

当加载长度＜3.6m时：

（计算弯矩）

（计算剪力）

当3.6m≤≤67m时：（计算弯矩）

（计算剪力）

当＞67m时：

根据UIC776中2.4.2.4条款，涵洞或结构顶面有填土的承重结构的冲击系数按下面式子计算：

活载在填土中的传递

按照BS5400-2:2006中8.5.1条款规定，活载在经过填土传递时，可以假设其按与铅垂线成30o的角度扩散，直达结构顶部。

本文计算如下几种活载工况

当活载到达结构时，并在结构与活载接触到的一侧产生土侧压力。

当活载经过结构时，并在结构两侧同时产生土侧压力。

制动力或加速力加载模式

参照BS5400中8.2.10规定及《纵向力限值表》，加速力限值

对有碴的、无缝轨道的桥梁，可以假设有1/3大小的牵引力或制动力传递到了桥梁结构外。2/3大小的牵引力或制动力作用在荷载分布宽度上。

参照BD3101中3.2.7条，活载水平在加载到结构上时，须乘以参数Kt，

其中：LL—结构全宽

H—为结构顶部填土厚度

牵引力或制动力取两者的较大值。

2.1.3中英规范计算方法相同的荷载

结构自重

结构自重计算时，钢筋混凝土容重取25kN/m3，加速度取9.8m/s2

温度效应

框架内外升温差±5℃

混凝土收缩徐变

框架结构一般采用现浇模式施工，因此对框架结构混凝土收缩徐变作为一个整体，采用整体降温10℃来模拟。

本文不计框架内立交或流水荷载，不计地震力及框架边墙后水压力等。

荷载组合

中国规范中分别有承载能力极限状态效应组合和正常使用极限状态组合。英国规范中分别有破坏极限状态和正常运营极限状态，适用于铁路框架结构的荷载组合为组合一及组合三。

3.1中国规范中的荷载组合

3.1.1承载能力极限状态效应组合

基本组合表达式计算:

3.1.2正常使用极限状态效应组合

作用短期组合

作用长期组合

3.1.3组合系数

综合起来，适用于框架结构的荷载组合系数如表3.1所示。

3.2英国规范中的荷载组合

根据框架结构的计算特点，适用于框架结构的英规中的组合机系数如表3.2所示。

表3.1组合系数

表3.2 框架结构荷载组合及系数

配筋计算及验算比较

4.1 配筋计算假定

本文选用单孔3m，填土高分别为3m、6m、9m，斜交角度分别为0度、25度共六种模型分别采用中英规范进行配筋计算。

验算时，沿铁路线垂直方向选取单位长度结构，采用纯弯构件计算理论，不计抗压钢筋面积。

4.2英规验算公式

依据BS5400-4第5.3、5.4条款，由下式进行配筋面积估算及验算。

4.3中规验算公式

其中，

4.4计算结果

根据上述荷载计算、建模、加载，经过计算，不同填土，不同角度的模型的计算弯矩如表4.1所示。

根据上表进行配筋面积估算，并进行验算，其结果如表4.1所示。

从表4.1及表4.2数据，在填土高度小于等于3m时，按照英规计算出弯矩和钢筋估算面积均要大于采用中规计算得出弯矩，而填土大于3m时，则情况相反。

对表4.1及表4.2数据进行简单处理，即对弯矩数据及钢筋估算面积按照“（中规-英规）/英规”进行处理，得到差异系数λ，如表4.3所示。

从表4.3得到，钢筋估算面积的差异系数λ要小于M的差异系数。这说明，仅就钢筋估算及验算来说，英规较中规要保守。

表4.1 计算弯矩M（英规中，中规中）

表4.2差异系数λ

结论与展望

从上述的情况，我们可以得到下面的结论：

从最终的计算弯矩及配筋面积来说，则会更根据填土高度的变化而变化。

钢筋估算面积的差异要小于M的差异。这说明，仅就钢筋估算及验算来说，英规较中规要保守。

对比不同类型规范的差异，不能很宽泛的判定某种规范较保守或者较经济，而应根据不同的工程情况进行具体的分析，这样才能得到较为合理的结论。

当然，限于篇幅，本文对计算检算进行了简化，例如将结构仅进行纯弯检算，没有对结构的抗剪、裂缝、变形、稳定性等进行验算比较，这是本文的遗憾，也是笔者要努力的方向，但仍然希望有更多的同行在这方面进行研究，也希望本文的研究对同行在从事海外项目时提供有益的帮助。

参考文献

[1] BS5400-2、4:2006[英]钢桥混凝土桥及结合桥 [S]

[2] TB10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范[S].

[3] JTGD 60-2004，公路桥涵设计通用规范[S]. 北京：人民交通出版

社，2004.

[4] 庄晓亭, 李思明.中国与美国混凝土规范配筋量对比计算[J].四川建筑科学研究,2006（2）

[5] 苏武.BS5400与中国公路规范钢筋混凝土设计的比较[J].铁道工程学报,2008（3）

[6] 苏武.BS5400与中国公路设计规范中的荷载及荷载组合[J].铁道工程学报,2007（11）

[7] 金永泰.中英钢结构规范轴心受力构件计算比较[J].低温建筑技术,2012（7）

[8]张惠群等.中英两国桥梁设计规范的几个异同点[J].桥梁建设,2000（1）

[9] 胡建良等.中英桥梁规范关于梁强度计算的比较研究[J].铁道工程学报,2012（02）