PPT公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范讲稿

《公路路钢钢筋筋混混凝凝土土及及预预应应力力混混凝凝土土桥桥涵涵设设计计规规范范》（JTGD62——2004）学习习与与应应用用讲讲评评二零零零零四四年年前言言新颁颁布布的的<公路路桥桥涵涵设设计计通通用用规规范范>JTGD62-2004（以下下简简称称<通用用规规范范JTGD62>）和<公路路钢钢筋筋混混凝凝土土及及预预应应力力混混凝凝土土桥桥涵涵设设计计规规范范>TTGD62-2004（以下下简简称称<桥规规JTGD62>）业经经交交通通部部批批准准，，于于2004年10月1日开开始始实实施施。。新颁颁布布的的<通通用用设设计计规规范范JTGD62>是在原<公路桥桥涵设计计通用规规范>JTG023-85的基础上上修订而而成。在在规范修修订过程程中，规规范修订订组同哈哈尔滨工工业大学学、同济济大学和和湖南大大学等单单位进行行了专题题科研，，并吸收收了国内内其它单单位的研研究新成成果和实实际工程程经验，，借鉴国国际先进进的标准准规范，，与国内内相关规规范做了了比较和和协调。。修订的的主要内内容有：：按《公公路工程程结构可可靠度设设计统一一标准》》(GB/T50283——1999)的规定，，新规范范采用了了以概率率理论为为基础的的极限状状态设计计法；按按<工程程结构设设计基本本术语合合通用符符号>（（GBJ123——90））的规定，，修改了了符号，，并列出出了基本本名词术术语，增增加了结结构耐久久性设计计规定，，明确提提出了公公路桥涵涵结构设设计应按按所处的的环境进进行耐久久性设计计的概念念；在材料方方面，改改变了强强度的取取值原则则，将混混凝土的的强度等等级提高高到C80，钢筋品种种也随现现行国家家标准的的规定作作了调整整；全面面改进和和补充了了各种受受力构件件的正截截面和受受弯构件件的正截截面和受受弯构件件斜截面面承载力力计算内内容；改改善了预预应力混混凝土受受弯构件件抗裂限限值，裂裂缝宽度度和构件件刚度的的计算方方法，以以及预应应力钢筋筋的几项项预应力力损失，，如钢丝丝和钢绞绞线的松松弛损失失，混凝凝土收缩缩和徐变变损失等等。此外外，新规规范增加加了组合合式受弯弯构件、、墩台盖盖梁、桩桩基承台台和箱梁梁翼缘有有效宽度度等方面面的计算算和构造造的规定定。对桥桥梁上、、下部构构造，如如钢筋的的最小保保护层厚厚度，最最小锚固固长度，，钢筋接接头及钢钢筋最小小配筋率率等方面面也作了了较全面面的补充充和完善善。新颁布的的<通用设计计规范JTGD62>和<桥规JTGD62>是我国桥桥梁结构构理论研研究和设设计经验验的总结结，反映映了近年年来国内内外桥梁梁结构理理论方面面的新成成就，与与原规范范相比不不仅在内内容上有有较大变变化，而而且有很很多实质质性的改改进，对对提高和和保证桥桥梁结构构设计质质量，达达到技术术先进、、安全可可靠、适适用耐久久、经济济合理的的设计要要求具有有重要意意义。了解修改改规范的的内容和和依据，，对于正正确地掌掌握和应应用新规规范是很很重要的的，这也也是广大大设计、、施工、、科研、、教学人人员十分分关心的的问题。。为了配配合新规规范的实实施，帮帮助工程程技术人人员全面面地深刻刻理解新新规范有有关内容容，我们们编写了了这本““学习与与应用讲讲评”材材料，笔笔者试图图以浅显显的文字字，反应应规范有有条文的的背景于于应用，，使读者者能够准准确了解解规范的的原意，，正确的的应用规规范进行行设计。。由于笔者者水平有有限，时时间又较较为仓促促，文中中难免有有不妥或或疏漏处处，敬请请读者批批评指正正。张树仁2004年10月于哈哈尔滨新编<公路钢筋筋混凝土土及预应应力混凝凝土桥涵涵设计规规范>JTGD62-2004（以下简简称<桥规JTGD62>）是按概概率极限限状态设设计法编编写的。。我国公公路工程程结构设设计由长长期沿用用的，不不甚合理理的“定定值设计计法”转转变为““概率极极限状态态设计法法”，即即在度量量结构可可靠性上上由经验验方法转转变为运运用统计计数学的的方法，，这无疑疑是设计计思想和和设计理理论的一一大进步步，使结结构设计计更符合合客观实实际情况况。所有建筑筑结构在在设计时时必须符符合技术术先进、、经济合合理、安安全适用用的要求求。结构的可可靠性是是由结构构的安全全性、适适用性和和耐久性性决定的的。在结结构设计计中，结结构的安安全性、、适用性性和耐久久性是采采用功能能极限状状态作为为判别条条件。所所谓功能能极限状状态，是是指整个个结构构构件的一一部分或或全部超超过某一一特定状状态，就就不能满满足某一一功能要要求，此此特定状状态称为为该功能能的极限限状态。。建筑结构构的极限限状态可可分为承承载能力力极限状状态和正正常使用用极限状状态两类类。1.承载能力力极限状状态所谓承载载能力极极限状态态，是指指结构或或构件达达到最大大承载力力或出现现不适于于继续承承载的变变形或变变位的状状态。它它是结构构安全性性功能极极限状态态。当结结构或构构件出现现下列状状态之一一时，应应认为超超过了承承载能力力极限状状态：（1）结构或或结构的的一部分分作为刚刚体失去去平衡；；（2）结构、、结构构构件或其其连接因因超过材材料强度度而破坏坏，或因因过度的的塑性变变形而不不能继续续承载；；（3）结构转转变为机机动体系系；（4）结构或或结构构构件丧失失稳定。。超过结构构承载能能力极限限状态将将导致人人身伤亡亡和经济济损失，，因此任任何结构构和结构构构件均均需避免免出现这这种状态态。为此此，在设设计时应应控制出出现承载载能力极极限状态态的概率率，使其其处于很很低的水水平。2.正常使用用极限状状态所谓正常常使用极极限状态态是指对对应于结结构或构构件达到到正常使使用或耐耐久性的的某项限限值的状状态，它它是结构构的适用用性和耐耐久性功功能极限限状态。。当结构构或结构构构件出出现下之之状态之之一，应应认为超超过了正正常使用用极限状状态：（1）影响正正常使用用或外观观的变形形；（2）影响正正常使用用或耐久久性的局局部损坏坏（例如如，钢筋筋混凝土土构件的的裂缝宽宽度超过过某个限限值）；；（3）影响正正常使用用的振动动；（4）影响正正常使用用的其他他特定状状态。各种结构构或构件件都有不不同程度度的结构构正常使使用极限限状态要要求。当当结构超超过正常常使用极极限状态态时，虽虽然它已已不能满满足适用用性和耐耐久性功功能要求求，但结结构并没没有破坏坏，不会会导致人人身伤亡亡。因此此，出现现正常使使用极限限状态的的概率允允许大于于承载能能力极限限状态出出现率的的概率。。极限状态态设计的的基本方方程可写写为下列列形式：：（1-1）式中——作用（或或荷载））效应；；——结构抗力力。（1）作用（（或荷载载）效应应与结构构抗力的的随机性性作用（或或荷载））效应是是指作用用（或荷荷载）引引起的内内力（例例如，弯弯矩、剪剪力、轴轴力、扭扭矩等））。对弹弹性材料料构件，，作用（（或荷载载）效应应与作用用（或荷荷载）呈呈线性关关系，因因此，可可用作用用（或荷荷载）的的特性来来描述作作用（或或荷载））效应特特性。作用（或或荷载））的基本本特性是是随机性性，这种种随机性性表现在在两个方方面，其其一是作作用（或或荷载））的取值值具有随随机性，，其二是是作用（（或荷载载）随时时间的变变化。按按作用（（或荷载载）随时时间的变变化情况况可分为为永久作作用、可可变作用用和偶然然作用三三类：永久作用用在在设计基基准期内内量值不不随时间间变化，，或其变变化值与与平均值值比较可可忽略不不计。但但是永久久作用（（或荷载载）的取取值具有有随机性性，例如如构件自自重，由由于材料料容重的的变化和和构件尺尺寸的偏偏差可能能与计算算值不符符，是随随机变量量。可变作用用在在设计基基准期内内量值随随时间变变化，且且变化值值与平均均值比较较不可忽忽略。例例如，作作用于桥桥梁上的的车辆荷荷载和人人群荷载载的作用用位置和和数值大大小都是是变化的的，其随随机性是是很明显显的。偶然作用用在在设计基基准其内内出现的的概率很很小，一一旦出现现其值很很大，且且持续时时间很短短，例如如罕遇地地震，车车辆或船船舶撞击击力等。。结构抗力力的大小小，主要要取决于于结构所所用材料料强度和和构件的的几何尺尺寸。材料强度度是随机机变量。。无论是是钢筋或或是混凝凝土的强强度都是是有变异异的。来来自不同同钢厂的的同一种种类的钢钢筋，其其实际强强度并不不完全相相同，即即使是同同一钢厂厂，甚至至同一炉炉的钢筋筋强度抽抽样试验验结果也也是有差差异的。。同一设设计强度度等级的的混凝土土，由于于材料称称量不准准，施工工条件和和技术水水平的影影响，其其实际强强度的变变化幅度度就更为为显著。。构件几何何尺寸也也是随机机变量。。由于制制造工艺艺和操作作技术等等因素，，构件的的实际尺尺寸与设设计尺寸寸不可能能完全一一致。基于以上上各种影影响因素素的随机机性，结结构抗力力亦具有有随机性性。由于作用用效率与与结构抗抗力都具具有随机机性，其其统计值值都可以以用概率率分布曲曲线来表表示，并并用概率率来描述述结构的的可靠和和失效。。作用效应应和结构构抗力都都可以用用内力表表示，因因此可以以将其分分布曲线线并列于于同一坐坐标内进进行分析析。现以以横坐标标表示作作用效应应（S）和结构构抗力（（R），纵坐坐标表示示出现的的概率密密度f（见图1-1）。结构构设计应应满足公公式（1-1）的要求求，即。。2.结构可靠靠概率与与失效概概率将公式（（1-1）反映在在图1-1上，结构构抗力概概率分布布曲线应应位于作作用效应应概率分分布曲线线的右侧侧。这样样才能使使绝大多多数情况况下作用用效应小小于结构构抗力（（））。。但是，，这两个个概率分分布曲线线不可避避免地要要有一小小部分重重合。在在重合的的区域内内可能出出现作用用效应大大于结构构抗力，，即。。例如如，在重重合区的的a点，结构构抗力Ra，在a点右边阴阴影线范范围内的的作用效效应值S都比Ra大，这就就意味着着在阴影影线范围围内结构构是不安安全的，，或者说说结构可可能失效效。如果果在作用用效应不不变的情情况下，，增加构构件截面面尺寸、、提高配配筋率或或提高材材料强度度，使结结构抗力力提高，，结构抗抗力概率率分布曲曲线向右右移，与与作用效效应分布布曲线的的距离拉拉开，使使两个概概率分布布曲线的的重合区区减小，，即出出现的的概率率减小。。但是，，要完全全消除重重合区是是不可能能的。即即失效的的可能性性要完全全消除是是不可能能的，只只能减小小到最低低限度。。图1-1作用效应应（S）、结构构抗力（（R）概率分分布曲线线示意图图为了便于于说明问问题，我我们可将将公式（（1-1）改写为为下列形形式；（1-2）式中，Z为结构抗抗力与作作用效应应之差，，即结构构抗力抵抵消作用用效应后后的多余余抗力。。若假定定R与S为正态分分布的随随机变量量，则Z值也必然然是一个个正态分分布的随随机变量量。将结结构抗力力与作用用效应两两条概率率分布曲曲线合成成后示于于图（1-2），横坐标表表示多余余抗力Z，纵坐标标为多余余抗力的的概率密密度f(z)。图1-2多余抗力力概率分分布图当Z＞0，意味味着结结构抗抗力大大于作作用效效应，，结构构处于于可靠靠状态态；当Z=0，意味味着结结构抗抗力等等于作作用效效应，，结构构处于于极限限状态态；当Z＜0，意味味着结结构抗抗力小小于作作用效效应，，结构构处于于失效效状态态；可靠状状态和和失效效状态态的大大小用用概率率表示示，前前者称称为可可靠概概率，，后者者称为为失效效概率率。在在图1-2中，纵纵坐标标右边边概率率分布布曲线线与横横坐标标所包包围的的面积积即为为可靠靠概率率，纵纵坐标标左边边概率率分布布曲线线与横横坐标标所包包围的的阴影影面积积即为为失效效概率率。其其数值值由概概率分分布曲曲线f(z)积分求求得，，即可靠概概率（（1-3）失效概概率（（1-4）可靠概概率与与失效效概率率之和和为3.可靠度度与可可靠指指标（1）结构的的可靠靠度结构可可靠性性是结结构安安全性性、适适用性性和耐耐久性性的总总称，，用结结构可可靠度度来表表示。。结构构可靠靠度是是指结结构在在规定定时间间内，，在规规定条条件下下，完完成预预定功功能的的概率率。结构的的可靠靠度可可用可可靠概概率表表示示，亦亦可用用失效效概率率表表示示。但但习惯惯上都都采用用失效效概率率表表示，，因为为失效效概率率具有有明确确的物物理意意义，，能较较好地地反映映问题题的实实质，，但是是计算算失效效概率率比较较复杂杂，因因此国国内外外都采采用可可靠指指标代代替替失效效概率率来来度量量结构构可靠靠度。。（2）可靠指指标的的概念念前面已已指出出失效效概率率等于于图1-2原点左左边的的阴影影面积积，其其大小小随概概率分分布曲曲线位位置而而变。。概率率分布布曲线线的位位置与与平均均值有有关关，平平均值值与与原原点的的距离离越大大，则则阴影影的面面积越越小，，即失失效概概率越越小[图1-3(a)]；反之之，平平均值值与与原原点的的距离离越小小，则则阴影影面积积越大大，即即失效效概率率越大大[图1-3(b)]。因此此，平平均值值的的大大小在在一定定程度度上可可反映映失效效概率率的大大小。。但是是只用用平均均值一一个指指标不不能反反映曲曲线离离散程程度（（或标标准差差的的影影响。。对于于平均均值相相同的的两个个随机机变量量，由由于离离散程程度（（或标标准差差）的的不同同，失失效概概率亦亦不相相同，，离散散程度度越大大，即即标准准差越越大大，则则阴影影面积积越大大（图图1-3(a)中的虚虚线）），即即失效效概率率就越越大。。图1-3可靠指指标与与失效效概率率关系系图因此，，用平平均值值和和标标准差差的的比比值来来反映映失效效概率率，，称称为为可靠靠指标标。（1-5）式中——结构可可靠指指标；；——多余抗抗力的的平均均值；；——多余抗抗力的的标准准差。。由图1-3可以看看出，，值值越大大，失失效概概率越越小；；值值越小小，失失效概概率越越大。。因此此，可可靠指指标值值能能直接接说明明可靠靠度的的大小小。（3）失效概概率与与可靠靠指标标的关关系失效概概率与与可靠靠指标标的关关系，，可根根据标标准正正态分分布的的函数数表，，按公公式计计算。。对应应关系系如表表1-1所示。。由表1-1可以看看出，，随着着可靠靠指标标的提提高，，失效效概率率迅速速减少少。用用可靠靠指标标代代替失失效概概率来来度量量结构构的可可靠度度，概概念清清楚，，计算算简单单，已已被国国内外外普遍遍采用用。（4）设计可可靠指指标（（即目目标可可靠指指标））前已指指出，，结构构设计计应满满足公公式（（1-1）即的的要求求。若若将其其转换换为以以失效效概率率或可可靠指指标来来度量量，公公式（（1-1）可改改写为为下列列形式式：（1-6）（1-7）式中——允许失失效概概率；；——设计可靠指指标，又称称目标可靠靠指标。为设计规范范所规定的的作为设计计结构或构构件时所应应达到的可可靠指标，，称为设计计可靠指标标，它是根根据设计所所要求达到到的结构可可靠度而选选定的，所所以又称为为目标可靠靠指标。目标可靠指指标，理论论上应根据据各种结构构构件的重重要性，破破坏性质（（延性、脆脆性）及失失效后果等等因素，并并结合国家家技术政策策以优化方方法分析确确定。但是是，限于目目前统计资资料还不够够完备，并并考虑到规规范的现实实继承性，，一般采用用“校准法法”，并结结合工程经经验加以确确定。所谓谓“校准法法”就是根根据各种变变量的统计计参数和概概率分布类类型，运用用可靠度的的计算方法法，揭示以以往规范隐隐含的可靠靠度，以此此作为确定定目标可靠靠指标的主主要依据。。这种方法法在总体上上承认了以以往规范的的设计经验验和可靠度度水平，同同时也考虑虑了渊源于于客观实际际的调查统统计分析资资料，是比比较现实和和稳妥的。。《公路统一标标准GB/T50283》根据对《公路钢筋混混凝土及混混凝土桥梁梁设计规范范》（JTJ023-85）进行的““校准”，，并参照工工业与民用用建筑工程程和铁路桥桥梁的有关关规定，给给出的公路路桥梁结构构的目标可可靠指标列列于表1-2。注：1.表中延性破破坏系指结结构构件有有明显变形形或其他预预兆的破坏坏；脆性破坏系系结构构件件无明显变变形或其他他预兆的破破坏；2.当有充分依依据时，各各种材料桥桥梁结构设设计规范采采用的目标标可靠指标值值，可对本本表的规定定值作幅度度不超过±0.25的调整。目标可靠指指标选后，，按公式（（1-5）计算可靠靠指标，进进行可靠指指标验算，，或进一步步建立包括括作用（或或荷载）效效应和结构构抗力基本本变量的统统计参数、、目标可靠靠指标的极极限状态方方程，进行行结构的承承载能力计计算。应该指出，，目前由于于作用（或或荷载）效效应和结构构抗力基本本变量的统统计资料还还很不充分分，概率模模式和统计计参数还很很不完善，，直接采用用可靠指标标进行具体体设计是有有困难的。。为了实际际工作的需需要，必须须在可靠指指标计算公公式的基础础建立近似似的实用概概率极限状状态设计法法。（1）概率极限限状态设计计表达式概率极限状状态设计的的表达式可可根据可靠靠指标计算算公式（1-5）演变求得得。按着随机变变量代数运运算规则，，随机变量量差的平均均值等于随随机变量平平均值之差差，即（1-8）随机变量差差的标准差差的平方，，等于随机机变量标准准差的平方方之和，即即（1-9）将公式（1-8）和（1-9）代入公式式（1-5），则可求求得可靠指指标的表达达式为（1-10）将代代入入上式，并并引入变异异系数，，则得：（1-11）荷载效应的的标准差和和变异系系数可可通过过荷载效量量标准值和和分项系系数、、表示。结构抗力的的标准差和和变异系数数，，可通通过结构抗抗力标准值值和和材料料分项系数数表表示。。将上述有关关系数代入入（1-11），经整理理后得概率率极限状态态设计的基基本表达式式为：（1-12）式中——永久荷载标标准值；——可变荷载标标准值；——永久荷载分分项系数，，其数值与与永久荷载载的均方差差，，变变异系数及及可靠指指标有有关关；——可变荷载分分项系数，，其数值与与可变荷载载的均方差，，变异异系数及及可靠指标标有有关；；、——混凝土抗压压强度标准准值和设计计值；、——钢筋抗拉强强度的标准准值和设计计值；——结构抗力系系数，其数数值与结构构抗力标准准差、、变变异系数及及可靠指标标有关；——混凝土材料料分项系数数；——钢筋材料分分项系数；；对于不同安安全等级的的结构，具具有不同的的可靠度要要求，为此此，引入结结构重要性性系数，则则上式可改改写为（1-13）从形式上看看，上面给给出的概率率极限状态态表达式（（1-13）与过去采采用的多系系数极限状状态表达式式基本一致致，但实质质上是有很很大差别的的。公式（（1-13）中各项分分项系数的的的的确定定与作用（（或荷载载）、材料料强度等基基本变量的的统计参数数与可靠指指标有关，，是通过选选定的目标标可靠指标标换换算算出来的。。换句话说说，公式（（1-13）中各项分分项系数中中隐含了目目标可靠指指标，，满足了结结构可靠度度的要求。。这一点在在概念上不不能与过去去定值设计计法中的安安全系数混混淆。设计公路桥桥涵结构时时有关作用用（或荷载载）及其组组合按《公路桥涵设设计通用规规范JTGD60》（以下简称称<通用规范JTGD60>）采用。构件自重及及恒载的标标准值按构构件设计尺尺寸乘以材材料标准容容重计算。。作用分项系系数、、，，严格格讲应根据据作用（或或荷载）基基本变量的的统计参数数和目标可可靠指标按按公式计算算确定。<公路统一标标准GB/T50283>根据调查统统计资料计计算，并参参照其他有有关规范，，取永久作作用分项系系数；；可可变作用分分项系数。。结构上几种种作用（或或荷载）分分别产生的的效应的随随机叠加称称为作用（（或荷载））效应组合合。在作用用（或荷载载）效应组组合中，由由于几个独独立可变作作用（或荷荷载）效应应最不利同同是出现的的概率较小小。引入作用（（或荷载））效应组合合系数，对对作用（或或荷载）效效应予以折折减。《通用规范JTGD60》规定，承载载能力极限限状态计算算采用的作作用（或荷荷载）效应应基本组合合为（1-14）对公路桥梁梁结构最基基本作用（（或荷载））效应组合合是永久作作用效应+汽车荷载效效应+人群荷载效效应。当永久作用用效应与可可变作用效效应同号时时，取永久久作用分项项系数，，汽汽车荷载分分项系数，，人群荷载载分项系数数，，组合系系数。。将其代代入公式（1-14），则得：：（1-15）当永永久久作作用用效效应应与与可可变变效效应应异异号号时时，，永永久久作作用用分分项项系系数数应应取取0.9，代代入入公公式式（（1-14），，得得：：（1-16）式中中———作用用（（或或荷荷载载））效效应应组组合合设设计计值值；；———永久久作作用用（（恒恒载载））效效应应标标准准值值；；———汽车车荷荷载载（（包包括括冲冲击击系系数数影影响响））效效应应标标准准值值；；———人群群荷荷载载效效应应标标准准值值。。由于于钢钢筋筋和和混混凝凝土土的的强强度度都都是是随随机机变变量量，，而而且且一一般般呈呈正正态态分分布布，，因因此此强强度度标标准准值值应应按按概概率率统统计计确确定定。。（1）混混凝凝土土强强度度标标准准值值《桥规规JTGD62》》规定定，，混混凝凝土土强强度度标标准准值值取取其其概概率率分分布布的的0.05分位位值值确确定定，，其其保保证证率率为为95%。（2）钢钢筋筋强强度度标标准准值值为了了保保证证钢钢材材的的质质量量，，我我国国冶冶金金工工业业部部门门规规定定了了一一个个检检验验用用的的废废品品限限值值。。根根据据全全国国主主要要钢钢厂厂生生产产的的钢钢材材试试样样的的统统计计，，废废品品限限值值约约相相当当于于钢钢材材屈屈服服强强度度的的平平均均值值减减去去二二倍倍均均方方差差，，其其保保证证率率为为97.73%。为为了了与与治治金金部部颁颁布布的的钢钢材材检检验验标标准准一一致致，，《桥规规JTGD62》》规定定