国内外桥梁设计理念差异性对比

■肖 伟 ■中铁大桥局海外分公司，湖北 武汉 430050

随着国家“走出去”及“一带一路”战略的实施，越来越多的中国企业开始走出国门在境外承揽大型工程的勘察、设计及施工。面对完全陌生的环境，最初总会存在语言、设计理念、施工规范等方方面面的差异。本文通过对比坦桑尼亚基甘博尼斜拉桥在设计理念上与国内常规桥梁之间的差异，试图将国外部分桥梁设计思路进行介绍，一方面可用于国内桥梁设计人员参考借鉴，其次可供国外桥梁项目施工人员加深对国外桥梁设计的理解，从而更好的促进现场施工。

1 项目简介

坦桑尼亚基甘博尼斜拉桥位于首都达累斯萨拉姆市的Kurasini海湾。项目是完全采用国际招投标方式进行管理的海外项目。业主为坦桑尼亚社保基金及国家工程部，设计及咨询方为埃及ACE公司，设计规范为美国AASHTO LRFD桥梁设计规范，该规范也是目前国外运用范围最广的桥梁设计规范。该项目设计仅为概念设计，具体细化设计及施工图设计由承包商负责。

该桥主桥为五跨双塔单索面钢斜拉桥，主桥长400m，梁跨布置形式为(40+60+200+60+40)m;主梁采用单箱三室预应力混凝土梁，梁面宽32m，塔梁固结、墩梁分离结构，梁面以上主塔高55米。主桥的两侧分别采用4×40m及3×40m双幅等高单箱双室预应力混凝土连续箱梁连接，单幅梁顶面宽14．8m，两幅净距2．4m，桥梁全长680m。桥梁基础均采用钻孔灌注桩，全桥布置图如图1所示，

图1 基甘博尼桥(40+60+200+60+40)m斜拉桥主桥立面布置图

2 与国内桥梁设计理念差异性对比

2．1 基于AASHTOLRFD桥梁设计规范的桩基承载力设计

桩基最终桩长确定之前，由承包商根据标准贯入法(SPT)完成地勘后，根据地勘资料进行桩长设计并报咨询审批。桩基承载力按照AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS第10．8章(钻孔桩)进行设计［1］。

(1)AASHTO LRFD桥梁设计规范对钻孔灌注桩承载力计算方法如下:

RR=ψRn=ψqpRp+ψqsRs，其中 RP=qpAp，Rs=qsAs

Rp－－－桩端名义抗力(N);Rs－－－桩侧名义抗力(N);ψqp－－－桩端抗力系数;

ψqs－－－桩侧抗力系数;qp－－－桩端单位抗力(MPa);qs－－－桩侧单位抗力(MPa);

Ap－－－桩端面积(mm2);As－－－桩侧面积(mm2);

对于粘性土层:

桩侧抗力:qs=αSu;

当 Su/pa≤1．5 时 α =0．55，当1．5≤Su/pa≤2．5 时 α =0．55 －0．1(Su/pa－1．5)

Su－－－土的不排水抗剪强度(MPa);α－－－粘性系数;pa－－－ 大气压(=0．101MPa)

桩端抗力:qp=NcSu≤4．0，其中 Nc=6［1+0．2(Z/D)］≤9

D—桩直径(mm);Z—桩入土深度(mm);Su—土的不排水抗剪强度(MPa)

对于非粘性土层:

桩侧抗力:qs=βσ＇v≤0．19 当0．25≤β≤1．2 时;

其中当 N60≥15时，β =1．5－(7．7×10－3√z)，

当 N60＜15时，β=(N60/15)×(1．5－7．7×10－3√z)

σ＇v－－－土层竖向有效应力(MPa);β－－－荷载传递系数;z－－－入土深度(mm);N60－－－SPT平均锤击数(仅进行锤击效率修正)

桩端抗力:当 N60≤50 时，qp=1．2 ×0．057N60≤3．0MPa

式中qp的值应不大于3．0MPa，除非有荷载试验数据能够验证。

当 N60 ＞50 时，qp=0．59［N60(pa/σ＇v)］0．8 × σ＇v，式中 N60 最大值取100．

(2)中国规范JTG－D63－2007 5．3章中对钻孔灌注桩承载力容许值计算如下［2］:

式中［Ra］—单桩轴向受压力承载值(KN);u—桩身周长(m);Ap—桩端截面面积(m2);n—土的层数;1i—承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度;qik—与1i对应的各土层与桩侧的摩擦力标准值(KPa);qr—桩端处土的承载力容许值(KPa);［fa0］—桩端处土的承载力基本容许值(KPa);h—桩端的埋置深度(m);k2—容许承载力随深度的修正系数;γ2—桩端以上各土层的加权平均重度(KN/m3);λ—修正系数;m0—清底系数;

两种规范计算原理类似，但是通过两种规范计算的对比，根据AASHTO规范计算出的桩底抗力显著偏高。对于本项目桩径1．5m、桩长45m、桩底位于细砂层的钻孔桩，根据AASHTO规范计算出的桩底抗力达到了2997KN，达到了桩基总抗力的35%左右。

2．2 系梁式空心承台的设计

主桥边跨辅助墩承台采用系梁式空心承台设计，结构较为新颖，相较于国内常规设计的实体承台，该空心承台的设计较为轻巧，有效减少了涨落潮水对承台的上浮力，同时大量节约了承台混凝土用量从而减轻了结构自重，值得国内同类型桥梁设计借鉴。此类设计也见于国外其他桥梁设计如孟加拉卡纳夫里三桥(3rd Karnaphu1i Bridge)主墩同样采用空心式承台。

图2 基甘博尼斜拉桥空心承台示意图

图3 国内常规实心承台示意图

2．3 拉压支座的处理方式

根据计算，主桥边跨辅助墩在运营期会承受拉力，设计方通过在主梁下方设置倒挂梁于墩身内，在倒挂梁上安装板式抗压支座反作用于墩顶。当主梁有向上的位移时，倒挂梁随之发生向上的位移并对布置在其上的支座产生压力，支座将力传递至墩顶并最终由桩基承担。

通过此设计，实现了由经济、小巧的板式抗压支座巧妙解决了上拔力的问题，相比国内通常采用大吨位拉压支座，此设计减小了造价，但同时由于倒挂梁设于墩内，给梁的施工带来了较大的困难，且对支座的安装以及支座后期的维护和更换带来了不便。

图4 过渡墩支座布置示意图

2．4 宽幅薄壁箱梁内加劲斜撑的设计

主梁采用挂蓝分节段现浇施工，每隔一个节段布置一对斜拉索。在主梁有索区节段，由于斜拉索在箱梁中线上进行梁端锚固，为将斜拉索竖向分力有效传递至腹板上，箱梁内部设计有预应力混凝土加劲斜撑，同时对斜拉索锚固处的锚块施加了预应力［3］。该设计在有效减小箱梁结构尺寸的同时，保证了箱梁的刚度及受力。类似设计同样见于法国伯劳东纳桥(Brotonne Bridge)、越南拜寨大桥(Bai Chay Bridge)、孟加拉卡纳夫里三桥(3rd Karnaphu1i Bridge)。

图5 箱梁内加劲预应力混凝土斜撑示意图

2．5 主塔斜拉索锚固区环形预应力的设计理念

主塔斜拉索为单索面钢绞线斜拉索设计，每根斜拉索的钢绞线数量从80－160根不等，为抵抗斜拉索传来的巨大水平分力，改善主塔受力，在主塔斜拉索锚固区设置了环形的预应力。与国内常规采用井字形直线预应力，主要靠锚头挤压构件端部并由此向内传递压力不同，此预应力布置方式简洁明了，受力明确，通过预应力束挤压孔道壁，使管体混凝土截面内形成预压应力，从而抵抗斜拉索的水平分力，但同时此布置方式也增大了预应力的摩阻损失，降低了有效预应力值。

图6 主塔环向预应力钢绞线示意图

图7 国内主塔常规井字形预应力示意图

2．6 大吨位单索面斜拉索设计

基甘博尼斜拉桥为单索面斜拉桥，斜拉索采用符合欧标的φ15．7mm外套油脂及PE的镀锌钢绞线，斜拉索内钢绞线数量最大达到160根，最大索力达到14466KN，单索索体巨大。主塔端设为固定端，主梁中心线上设置锚块作为张拉端，索体集中锚固在锚块上。对于类似大索体，国内通常设计为双索面将斜拉索锚固在箱梁两侧。相比国内设计方法，此设计方法减少了锚块的数量，简便了现场施工，但同时由于单个锚块受力较大，导致锚块结构尺寸较大，同时钢筋及预应力配置较为复杂。大索体的设计方案同时也见于国外其他斜拉桥，例如2006年开工的孟加拉卡纳夫里三桥，当时单根斜拉索内钢绞线数量就已达到了91根。

3 结语

通过坦桑尼亚基甘博尼斜拉桥在设计理念上与国内常规设计进行对比，笔者认为部分国外设计理念例如空心承台、箱梁内斜撑等是值得我们借鉴的，而部分设计方法值得我们分析研究，例如桩基承载力计算方法与国内规范有较大的差异，而部分设计方法随着新材料的发展我们可以在工程实施阶段对设计提出优化从而方便施工，例如本项目中的原设计倒挂梁上设置支座通过与设计沟通后变更为简单的拉压支座，极大的方便了墩顶施工。

随着中国工程企业在海外的蓬勃发展，势必要求从业人员更加熟悉国际规范，在理解设计图纸的基础上，通过对比中外设计理念，吸收国外优秀的设计思路，同时通过沟通也可将我国优秀的设计思路传播出去，做到学术上相互交流的同时，也能方便现场的施工。

［1］AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，SI units 4thEdition 20007．

［2］JTG－D63－2007公路桥涵地基与基础设计规范2007．

［3］余本俊．宽幅薄壁预应力混凝土箱梁加劲斜撑施工技术．世界桥梁2013(02)．