中美欧混凝土桥梁设计规范的比较与思考

桥梁建造最初依赖于经验，随着工程实践的增多，人们总结建立了许多理性的桥梁设计目标。20世纪初，“安全、适用、经济、美观”的设计原则得到了广泛认可。在现代桥梁设计中，结构可靠性成为设计中的一把理性标尺。于是，首先要通过结构分析求解结构的反应，检验其是否满足设定的极限状态，以此回答结构的安全性与适应性。此外，还要考虑桥梁的经济性、美观性、耐久性等诸多方面，使之满足其他原则或标准（见图1）。

图1 桥梁设计的一般过程

为实现上述设计原则，相继发展了多种桥梁设计方法：容许应力法、概率设计方法、分项系数法、满足条例规定设计法和规避不利境况设计法等。其中，容许应力法因采用单一安全系数，不能很好地考虑材料和作用的变异性，目前已在大多数规范中弃用。基于荷载和抗力统计的可靠度设计方法，在理论上虽可行，但由于统计中的不确定性，及其概率表达的抽象性与不方便性，显然，难以被规范直接采纳。自1970年以来，桥梁设计方法的最大进展，可能就是建立了基于极限状态的分项系数的设计方法，并且逐渐为世界各国规范所采纳。

本文涉及的中国、美国和欧洲的混凝土桥梁设计规范主要有：“中国/公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)”、“美国/AASHTO LRFD Bridge Design Specifications（4th Edition,2007）”、“欧洲/Eurocode-2 Design of concrete structures- concrete bridges”和“欧洲/Model code - 2010”。通过比较上述设计规范中的若干要点，对混凝土桥梁设计理念的发展进行探讨。

在我国公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）的“总则”中，对桥梁设计基本准则的表述为：应使公路桥涵的设计符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求。

同时要求按照两个极限状态进行设计，即：

（1）承载能力极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到最大承载能力或出现不适于继续公路桥涵承载的变形或变位的状态；

（2）正常使用极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到正常使用或耐久性的某项限值。

在进行上述两类极限状态设计时，应同时满足构造和工艺方面的要求。

AASHTO桥规对设计总则的表述为：桥梁应该按照规定的多种极限状态进行设计，以实现可施工性、安全性和使用性的目标，并恰当考虑可检修性、经济性和美观性方面的问题。

从桥梁工程实践来看，桥梁的失效并不总能很好地归入传统的“正常使用极限状态”与“承载能力极限状态”范畴。AASHTO桥规（第1.3.2条）提出了如下四种极限状态：

（1）使用极限状态（Service Limit State）：在正常使用条件下，对应力、变形和裂缝宽度的限制；

（2）疲劳和断裂极限状态（Fatigue and Fracture Limit State）：对于设计车辆和给定应力循环次数下产生的应力幅的限制。断裂极限状态是根据AASHTO 材料规范对韧性提出的要求；

（3）强度极限状态（Strength Limit State）：在设计期限内，桥梁应能承受特定的静力不利荷载组合，保证强度和稳定性；

（4）极端事件极限状态（Extreme Event Limit States）：在经历较大的地震，洪水，或船只、车辆或流冰（很可能在受到冲刷条件下）时，保证结构不致毁坏。


欧洲规范（Eurocodes）是欧洲各国关于建筑、桥梁和其他工程结构的统一设计规范，共有10卷58分册。本文仅关注欧洲规范中设计基本规定以及混凝土桥梁的相关内容。

欧洲规范所表述的基本需求（Basic requirements）：结构应当具有恰当的可靠度与经济性,能够承受在施工和使用期可能经受的作用和影响，并维持预定的完好使用状态。此外，欧洲规范还从可靠度管理、设计使用年限、耐久性和质量管理等四个方面提出了对结构设计的基本要求。

欧洲规范定义了两类极限状态，即：承载能力极限状态（Ultimate limit states）和正常使用极限状态（Serviceability limit states）。

（1）承载能力极限状态关注的是：人身安全与结构安全，有时也包括财产安全。需要验算承载能力极限状态的情形有：整体（或部分）结构作为刚体失去平衡；结构过大变形而失效，结构或其部分（包括支承或基础）转变成机构、破坏、丧失稳定性；疲劳或时效引起的失效。

（2）正常使用极限状态关注的是：在正常使用情况下，结构或构件的功能；人的舒适度；结构的外观，如挠度过大或裂缝宽度明显等。使用极限状态还分为可逆与不可逆两种情况。需要验算正常使用极限状态的情形有：外荷载下的结构变形和使用舒适度；结构振动；外观、耐久性与结构功能。

表2给出了中、美、欧规范中的极限状态及其验算内容，显然，差异是十分明显的。

在混凝土桥梁的结构分析方法中，美国AASHTO和欧洲Eurocode都建议了针对应力扰动区（D区）的设计。所谓应力扰动区是指截面应变分布呈现非线性的区域，一般出现在承受集中力或者几何尺寸发生突变的地方。

拉压杆模型被认为是应力扰动区设计的一种有效方法，美国AASHTO和欧洲Eurocode中均给出了拉压杆模型的设计条款，见表3。虽然中国规范目前缺失相关内容，但在下一轮修订中，即将增加相关规定。

拉压杆模型的建模

美国AASHTO规范（5.6.3）对拉压杆模型的表述为：对于结构、构件或其某区域，可以通过一组钢筋拉杆、混凝土压杆及节点形成一个桁架，以便将外载传递到支座。

欧洲Eurocode规范（5.6.4）对拉压杆模型的表述为：拉压杆模型由代表混凝土压力场的压杆、代表受拉钢筋的拉杆以及节点组成。在承载能力极限状态下，模型中的杆件内力与外力应当平衡。为构建合理的拉压杆模型，要结合应力迹线、弹性分析得到的应力分布或荷载路径。所有的拉压杆模型可以通过能量准则加以优化。

关于拉压杆模型方法的适用性

美国AASHTO规范在5.6.3款规定，在强度极限状态以及极端事件极限状态下，拉压杆模型可用于确定支座或集中力作用点附近的内力效应。

欧洲Eurocode 2 之Part1-1的5.6.4条规定，拉压杆模型可用于D区的承载能力极限状态设计；当拉压杆模型近似的变形协调性能够得到保证时，也可用它来验算正常使用极限状态下的钢筋应力和裂缝宽度。

疲劳设计

长期以来,混凝土桥梁的疲劳问题几乎被忽视或否认,桥梁疲劳似乎专指钢桥疲劳。实际上，钢筋混凝土桥梁和预应力混凝土桥梁均存在疲劳问题,也就是反复荷载作用下的损伤累积问题。钢桥疲劳是与拉应力幅相联系的概念，混凝土桥梁疲劳可以与压应力幅相联系。混凝土桥梁的疲劳不仅存在于钢筋及预应力筋中，而且，需要限制混凝土的压应力峰值及应力幅大小，以便控制混凝土在反复受压后的残余变形、裂缝和弹性模量的大幅降低。进行疲劳设计的前提是确定疲劳荷载，其次是确定疲劳检算方法。以下对美国AASHTO规范和欧洲Eurocode规范有关疲劳荷载模型及混凝土桥梁的疲劳验算条款进行简单对比。可惜，我国目前混凝土桥规尚未给出混凝土桥梁的疲劳设计方法。

疲劳荷载

混凝土桥梁的疲劳验算内容

耐久性设计

混凝土桥梁的耐久性正在受到高度关注，各国规范的相关规定却存在一定差异。

预计使用时间

确定桥梁预期的使用年限是进行耐久性设计的前提。但是，各国规范对于桥梁使用年限的表述不完全相同，有些术语的意义差异很微小。某些时间概念与耐久性相关，某些无关。

中国桥规使用“设计基准期”概念，定义为“在进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数”。

美国AASHTO采用的年限概念为“设计年限(Design-life)”,定义为“进行可变荷载统计分析时的基准时间段”。 另一个同时使用的术语是使用年限（Service life）,指的是桥梁预期的运营时间，一般在合同文本中规定。

Eurocodes同时使用了基准期（reference period）和设计工作年限（Design working life）两个概念。前者用于评估基于统计的可变作用或偶然作用，后者是指在一般养护条件下的能够保障预期工作状况的时间。

有关桥梁设计时间的规定，在中美欧三本规范的对比见表7。可见，使用年限和设计工作年限是与耐久性相关的概念；设计基准期和设计年限则是与耐久性无关的概念。

环境等级

我国公路混凝土桥规根据各种环境作用的严重程度划分为4个等级,且其材料要求和抗冻性能要求都是根据环境分类规定的。美国AASHTO考虑的环境分类为6个;欧洲的Eurocode-2将环境分为6个,每个环境下还有细分的作用等级。





Model Code是欧洲fib制定的面向未来的混凝土结构设计指导文件，在某种意义上说它是一种偏于学术型的规范。需要说明的是，包括中国在内的很多国家和地区均没有类似规范。

到目前为止，Model Code共发行过三个版本：CEB/FIP Model Code 1978、CEB/FIP Model Code 1990和fib Model Code 2010。

1953年，欧洲混凝土委员会(CEB-Comité Euro-International du Béton)成立，致力于欧洲规范的统一，产生了制定Model Code的设想。这期间，另一个知名的国际组织——国际预应力联合会(FIP-Fédération Internationale de la Précontrainte)加入该项工作。两个组织的专家们联合筹备Model Code的制订和编写。

1978年，第一版Mode Code发行，即CEB/FIP Model Code 1978，这是不断通过综合研究成果、设定新的研究方向和拟定设计条款获得的结果，它对当时许多国家的规范产生了重大影响。1990年，第二版Mode Code，即CEB/FIP Model Code 1990（下称 “MC90”），它向国际统一规范的目标迈进了一大步。为顺应非线性有限元法的需要,该版本中在混凝土材料特性方面增加了一整章内容。现行欧洲规范Eurocode2(混凝土结构)正是以MC90为基础。1998年,CEB与FIP合并为一个新的国际组织——国际结构混凝土联合会(fib-fédération internationale du béton)。为适应土木工程的迅猛发展,需要为这个面向未来的规范增加新的准则和内容，而仅仅为特定工况给出具体公式是不够的,因此需要提出一种基于通用原则和统一设计理念的设计方法。2010年,fib Model Code 2010(下称“MC2010”)发行。

下面简略介绍MC2010的主要思想：全寿命周期设计框架和基于性能的设计方法。

全寿命周期设计框架

将“时间”增设为一个新的设计参数，是MC2010的一个重要革新。此举说明不仅要求结构在外载下有足够的安全性和适用性，还要能抵抗环境作用。为保证结构在规定年限内具有足够的安全性和适用性，需要在设计阶段重视耐久性、维护、检查和维修等。这种全寿命周期的思想在MC2010中体现为，结构的耐久性不仅与材料的耐久性相关，合理的概念设计、施工期严格的质量管理和后期全面的检修方案、也是影响结构耐久性的重要方面。

工程结构的完整周期应该包括规划、设计、施工、运营、老化及拆除各个阶段。现有的结构设计方法，无论是容许应力法、极限状态法还是可靠性方法，主要针对施工完成后的结构状态，仅仅体现了上述诸多环节中结构设计这一环。MC2010引入了全寿命周期设计理念，相应地在设计中不但要考虑结构的安全性和适用性，还要关注结构的施工、后期运营和最后的废除。因此MC2010建议，在结构设计阶段设定使用寿命的同时，也要拟定好检修方案和废除方案，这是一种全盘设计的方法。

作为工程研究和设计领域中的重要文件，MC2010将对地方性和国家性规范产生影响。因为它是目前世界上最全面、最综合的混凝土结构设计规范，涉及结构全寿命周期中的多个环节：概念设计、施工图设计、施工、维护和废除。如表8所示。

基于性能的设计方法

广义地说，结构性能一般分为三大类：(1) 适用性；(2) 安全性；(3) 可持续性。其中可持续性体现为生态环境可持续性、经济发展可持续性和社会文化可持续性等。MC2010不但涵盖新设计的结构，还包括有待改/扩建、加固或改变用途的既有结构。利益相关者（业主、社区、设计单位、施工单位、后期管养单位等）对这些结构或构件提出关于性能的要求。下表给出对一座混凝土桥梁性能要求的示例。

限于篇幅，本文仅概略探讨了中美欧混凝土桥梁设计规范中的几个重要问题，示于图2。




（1）在桥梁设计准则方面，各国设计规范都在不断拓展正常使用、承载能力极限状态的范畴，在上述两个极限状态之外，还在不断增加新的考察目标，诸如，耐久性、冗余性、强健性、自恢复性、可持续性等多项指标。欧洲模式规范（MC2010）则采用“基于性能”这一术语来概括全寿命期内的多种性能要求。

（2）在混凝土桥梁的应力扰动区（D区），平截面假定已不成立，基于截面图示的承载力计算方法也不再适用。基于力流的D区设计方法（特别是拉压杆模型方法），自上世纪90年代以来，已陆续写进了欧美混凝土桥梁设计规范，我国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范也将引入这一方法。


（3）混凝土桥梁的疲劳设计是对静力设计的重要补充，为此，需要结合混凝土桥梁受力和疲劳损伤特点，提出混凝土桥梁的专用疲劳荷载模型（Eurocode对钢桥和混凝土桥的疲劳荷载模型有所区分），利用现有动态称重系统（WIM）的统计，考虑包括不断增长的车辆轴载与超载带来的累积损伤问题，再给出恰当的疲劳检算方法，这方面研究亟待加强。


（4）对于混凝土桥梁的耐久性设计，目前各规范方法主要还是定性的，即通过“满足条例规定”和“规避不利境况”两种设计方法。结合设计使用年限和环境划分，从材料、结构构造和防腐蚀附加技术措施三个方面给出要求。然而，基于劣化模型的桥梁结构耐久性设计方法还无法得到应用，面临的主要困难有：给定环境和使用条件下的桥梁结构耐久性失效极限状态的界定；确定材料与结构耐久特征指标与参数的表征；耐久性时变规律的建立。欧洲Duracrete尝试提出了定量化的耐久性设计方法。


（5）关于规范编写的指导思想，一种观点强调它的原则性与指导性，另一种观点强调它的手册性与可操作性。如何使混凝土桥梁设计规范既原则又实用，是不断努力的方向。总体来讲，欧美混凝土桥梁规范在构造设计方面比我国细致；面向未来的欧洲Model Code 则更偏重原理，它给出了一个全寿命周期的设计框架，引入了考虑可持续发展的性能要求，虽然很多规定偏于学术性和原则性，但是值得我国桥梁工作者认真解读。