T《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》学习与应用讲评讲稿

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》

（JTGD62—2004）

学习与应用讲评前言新颁布的<公路桥涵设计通用规范>JTGD62-2004（以下简称<通用规范JTGD62>）和<公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范>TTGD62-2004（以下简称<桥规JTGD62>）业经交通部批准，于2004年10月1日开始实施。新颁布的<通用设计规范JTGD62>是在原<公路桥涵设计通用规范>JTG023-85的基础上修订而成。在规范修订过程中，规范修订组同哈尔滨工业大学、同济大学和湖南大学等单位进行了专题科研，并吸收了国内其它单位的研究新成果和实际工程经验，借鉴国际先进的标准规范，与国内相关规范做了比较和协调。修订的主要内容有：按《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T50283—1999)的规定，新规范采用了以概率理论为基础的极限状态设计法；按<工程结构设计基本术语合通用符号>（GBJ123—90）的规定，修改了符号，并列出了基本名词术语，增加了结构耐久性设计规定，明确提出了公路桥涵结构设计应按所处的环境进行耐久性设计的概念；在材料方面，改变了强度的取值原则，将混凝土的强度等级提高到C80，钢筋品种也随现行国家标准的规定作了调整；全面改进和补充了各种受力构件的正截面和受弯构件的正截面和受弯构件斜截面承载力计算内容；改善了预应力混凝土受弯构件抗裂限值，裂缝宽度和构件刚度的计算方法，以及预应力钢筋的几项预应力损失，如钢丝和钢绞线的松弛损失，混凝土收缩和徐变损失等。此外，新规范增加了组合式受弯构件、墩台盖梁、桩基承台和箱梁翼缘有效宽度等方面的计算和构造的规定。对桥梁上、下部构造，如钢筋的最小保护层厚度，最小锚固长度，钢筋接头及钢筋最小配筋率等方面也作了较全面的补充和完善。新颁布的<通用设计规范JTGD62>和<桥规JTGD62>是我国桥梁结构理论研究和设计经验的总结，反映了近年来国内外桥梁结构理论方面的新成就，与原规范相比不仅在内容上有较大变化，而且有很多实质性的改进，对提高和保证桥梁结构设计质量，达到技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的设计要求具有重要意义。了解修改规范的内容和依据，对于正确地掌握和应用新规范是很重要的，这也是广大设计、施工、科研、教学人员十分关心的问题。为了配合新规范的实施，帮助工程技术人员全面地深刻理解新规范有关内容，我们编写了这本“学习与应用讲评”材料，笔者试图以浅显的文字，反应规范有条文的背景于应用，使读者能够准确了解规范的原意，正确的应用规范进行设计。由于笔者水平有限，时间又较为仓促，文中难免有不妥或疏漏处，敬请读者批评指正。

张树仁

2004年10月于哈尔滨

新编<公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范>JTGD62-2004（以下简称<桥规JTGD62>）是按概率极限状态设计法编写的。我国公路工程结构设计由长期沿用的，不甚合理的“定值设计法”转变为“概率极限状态设计法”，即在度量结构可靠性上由经验方法转变为运用统计数学的方法，这无疑是设计思想和设计理论的一大进步，使结构设计更符合客观实际情况。

所有建筑结构在设计时必须符合技术先进、经济合理、安全适用的要求。结构的可靠性是由结构的安全性、适用性和耐久性决定的。在结构设计中，结构的安全性、适用性和耐久性是采用功能极限状态作为判别条件。所谓功能极限状态，是指整个结构构件的一部分或全部超过某一特定状态，就不能满足某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。建筑结构的极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。

1.承载能力极限状态所谓承载能力极限状态，是指结构或构件达到最大承载力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。它是结构安全性功能极限状态。当结构或构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：（1）结构或结构的一部分作为刚体失去平衡；（2）结构、结构构件或其连接因超过材料强度而破坏，或因过度的塑性变形而不能继续承载；（3）结构转变为机动体系；（4）结构或结构构件丧失稳定。超过结构承载能力极限状态将导致人身伤亡和经济损失，因此任何结构和结构构件均需避免出现这种状态。为此，在设计时应控制出现承载能力极限状态的概率，使其处于很低的水平。2.正常使用极限状态所谓正常使用极限状态是指对应于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项限值的状态，它是结构的适用性和耐久性功能极限状态。当结构或结构构件出现下之状态之一，应认为超过了正常使用极限状态：（1）影响正常使用或外观的变形；（2）影响正常使用或耐久性的局部损坏（例如，钢筋混凝土构件的裂缝宽度超过某个限值）；（3）影响正常使用的振动；（4）影响正常使用的其他特定状态。各种结构或构件都有不同程度的结构正常使用极限状态要求。当结构超过正常使用极限状态时，虽然它已不能满足适用性和耐久性功能要求，但结构并没有破坏，不会导致人身伤亡。因此，出现正常使用极限状态的概率允许大于承载能力极限状态出现率的概率。极限状态设计的基本方程可写为下列形式：（1-1）式中——作用（或荷载）效应；——结构抗力。（1）作用（或荷载）效应与结构抗力的随机性作用（或荷载）效应是指作用（或荷载）引起的内力（例如，弯矩、剪力、轴力、扭矩等）。对弹性材料构件，作用（或荷载）效应与作用（或荷载）呈线性关系，因此，可用作用（或荷载）的特性来描述作用（或荷载）效应特性。作用（或荷载）的基本特性是随机性，这种随机性表现在两个方面，其一是作用（或荷载）的取值具有随机性，其二是作用（或荷载）随时间的变化。按作用（或荷载）随时间的变化情况可分为永久作用、可变作用和偶然作用三类：永久作用在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化值与平均值比较可忽略不计。但是永久作用（或荷载）的取值具有随机性，例如构件自重，由于材料容重的变化和构件尺寸的偏差可能与计算值不符，是随机变量。可变作用在设计基准期内量值随时间变化，且变化值与平均值比较不可忽略。例如，作用于桥梁上的车辆荷载和人群荷载的作用位置和数值大小都是变化的，其随机性是很明显的。偶然作用在设计基准其内出现的概率很小，一旦出现其值很大，且持续时间很短，例如罕遇地震，车辆或船舶撞击力等。结构抗力的的大小，主主要取决于于结构所用用材料强度度和构件的的几何尺寸寸。材料强度是是随机变量量。无论是是钢筋或是是混凝土的的强度都是是有变异的的。来自不不同钢厂的的同一种类类的钢筋，，其实际强强度并不完完全相同，，即使是同同一钢厂，，甚至同一一炉的钢筋筋强度抽样样试验结果果也是有差差异的。同同一设计强强度等级的的混凝土，，由于材料料称量不准准，施工条条件和技术术水平的影影响，其实实际强度的的变化幅度度就更为显显著。构件几何尺尺寸也是随随机变量。。由于制造造工艺和操操作技术等等因素，构构件的实际际尺寸与设设计尺寸不不可能完全全一致。基于以上各各种影响因因素的随机机性，结构构抗力亦具具有随机性性。由于作用效效率与结构构抗力都具具有随机性性，其统计计值都可以以用概率分分布曲线来来表示，并并用概率来来描述结构构的可靠和和失效。作用效应和和结构抗力力都可以用用内力表示示，因此可可以将其分分布曲线并并列于同一一坐标内进进行分析。。现以横坐坐标表示作作用效应（（S）和结构抗抗力（R），纵坐标标表示出现现的概率密密度f（见图1-1）。结构设设计应满足足公式（1-1）的要求，，即。。2.结构可靠概概率与失效效概率将公式（1-1）反映在图图1-1上，结构抗抗力概率分分布曲线应应位于作用用效应概率率分布曲线线的右侧。。这样才能能使绝大多多数情况下下作用效应应小于结构构抗力（））。但但是，这两两个概率分分布曲线不不可避免地地要有一小小部分重合合。在重合合的区域内内可能出现现作用效应应大于结构构抗力，即即。。例如，在在重合区的的a点，，结结构构抗抗力力Ra，在在a点右右边边阴阴影影线线范范围围内内的的作作用用效效应应值值S都比比Ra大，，这这就就意意味味着着在在阴阴影影线线范范围围内内结结构构是是不不安安全全的的，，或或者者说说结结构构可可能能失失效效。。如如果果在在作作用用效效应应不不变变的的情情况况下下，，增增加加构构件件截截面面尺尺寸寸、、提提高高配配筋筋率率或或提提高高材材料料强强度度，，使使结结构构抗抗力力提提高高，，结结构构抗抗力力概概率率分分布布曲曲线线向向右右移移，，与与作作用用效效应应分分布布曲曲线线的的距距离离拉拉开开，，使使两两个个概概率率分分布布曲曲线线的的重重合合区区减减小小，，即即出出现现的的概概率率减减小小。。但但是是，，要要完完全全消消除除重重合合区区是是不不可可能能的的。。即即失失效效的的可可能能性性要要完完全全消消除除是是不不可可能能的的，，只只能能减减小小到到最最低低限限度度。。图1-1作用用效效应应（（S）、、结结构构抗抗力力（（R）概概率率分分布布曲曲线线示示意意图图为了了便便于于说说明明问问题题，，我我们们可可将将公公式式（（1-1）改改写写为为下下列列形形式式；；（1-2）式中中，，Z为结结构构抗抗力力与与作作用用效效应应之之差差，，即即结结构构抗抗力力抵抵消消作作用用效效应应后后的的多多余余抗抗力力。。若若假假定定R与S为正正态态分分布布的的随随机机变变量量，，则则Z值也也必必然然是是一一个个正正态态分分布布的的随随机机变变量量。。将将结结构构抗抗力力与与作作用用效效应应两两条条概概率率分分布布曲曲线线合合成成后后示示于于图（（1-2），横坐坐标标表表示示多多余余抗抗力力Z，纵纵坐坐标标为为多多余余抗抗力力的的概概率率密密度度f(z)。图1-2多余余抗抗力力概概率率分分布布图图当Z＞0，意意味味着着结结构构抗抗力力大大于于作作用用效效应应，，结结构构处处于于可可靠靠状状态态；；当Z=0，意意味味着着结结构构抗抗力力等等于于作作用用效效应应，，结结构构处处于于极极限限状状态态；；当Z＜0，意意味味着着结结构构抗抗力力小小于于作作用用效效应应，，结结构构处处于于失失效效状状态态；；可靠靠状状态态和和失失效效状状态态的的大大小小用用概概率率表表示示，，前前者者称称为为可可靠靠概概率率，，后后者者称称为为失失效效概概率率。。在在图图1-2中，，纵纵坐坐标标右右边边概概率率分分布布曲曲线线与与横横坐坐标标所所包包围围的的面面积积即即为为可可靠靠概概率率，，纵纵坐坐标标左左边边概概率率分分布布曲曲线线与与横横坐坐标标所所包包围围的的阴阴影影面面积积即即为为失失效效概概率率。。其其数数值值由由概概率率分分布布曲曲线线f(z)积分分求求得得，，即即可靠靠概概率率（（1-3）失效效概概率率（（1-4）可靠靠概概率率与与失失效效概概率率之之和和为为3.可靠靠度度与与可可靠靠指指标标（1）结构构的的可可靠靠度度结构构可可靠靠性性是是结结构构安安全全性性、、适适用用性性和和耐耐久久性性的的总总称称，，用用结结构构可可靠靠度度来来表表示示。。结结构构可可靠靠度度是是指指结结构构在在规规定定时时间间内内，，在在规规定定条条件件下下，，完完成成预预定定功功能能的的概概率率。。结构构的的可可靠靠度度可可用用可可靠靠概概率率表表示示，，亦亦可可用用失失效效概概率率表表示示。。但但习习惯惯上上都都采采用用失失效效概概率率表表示示，，因因为为失失效效概概率率具具有有明明确确的的物物理理意意义义，，能能较较好好地地反反映映问问题题的的实实质质，，但但是是计计算算失失效效概概率率比比较较复复杂杂，，因因此此国国内内外外都都采采用用可可靠靠指指标标代代替替失失效效概概率率来来度度量量结结构构可可靠靠度度。。（2）可靠靠指指标标的的概概念念前面面已已指指出出失失效效概概率率等等于于图1-2原点点左左边边的的阴阴影影面面积积，，其其大大小小随随概概率率分分布布曲曲线线位位置置而而变变。。概概率率分分布布曲曲线线的的位位置置与与平平均均值值有有关关，，平平均均值值与与原原点点的的距距离离越越大大，，则则阴阴影影的的面面积积越越小小，，即即失失效效概概率率越越小小[图1-3(a)]；反反之之，，平平均均值值与与原原点点的的距距离离越越小小，，则则阴阴影影面面积积越越大大，，即即失失效效概概率率越越大大[图1-3(b)]。因因此此，，平平均均值值的的大大小小在在一一定定程程度度上上可可反反映映失失效效概概率率的的大大小小。。但但是是只只用用平平均均值值一一个个指指标标不不能能反反映映曲曲线线离离散散程程度度（（或或标标准准差差的的影影响响。。对对于于平平均均值值相相同同的的两两个个随随机机变变量量，，由由于于离离散散程程度度（（或或标标准准差差））的的不不同同，，失失效效概概率率亦亦不不相相同同，，离离散散程程度度越越大大，，即即标标准准差差越越大大，，则则阴阴影影面面积积越越大大（（图图1-3(a)中的虚线线），即即失效概概率就越越大。图1-3可靠指标标与失效效概率关关系图因此，用用平均值值和和标标准差的的比值值来来反反映失效效概率，，称称为为可靠指指标。（1-5）式中——结构可靠靠指标；；——多余抗力力的平均均值；——多余抗力力的标准准差。由图1-3可以看出出，值值越越大，失失效概率率越小；；值值越小小，失效效概率越越大。因因此，可可靠指标标值值能直接接说明可可靠度的的大小。。（3）失效概率率与可靠靠指标的的关系失效概率率与可靠靠指标的的关系，，可根据据标准正正态分布布的函数数表，按按公式计计算。对对应关系系如表1-1所示。由表1-1可以看出出，随着着可靠指指标的提提高，失失效概率率迅速减减少。用用可靠指指标代代替失失效概率率来来度量量结构的的可靠度度，概念念清楚，，计算简简单，已已被国内内外普遍遍采用。。（4）设计可靠靠指标（（即目标标可靠指指标）前已指出出，结构构设计应应满足公公式（1-1）即的的要求。。若将其其转换为为以失效效概率或或可靠指指标来度度量，公公式（（1-1）可改写写为下列列形式：：（1-6）（1-7）式中——允许失效效概率；；——设计可靠靠指标，，又称目目标可靠靠指标。。为设计规规范所规规定的作作为设计计结构或或构件时时所应达达到的可可靠指标标，称为为设计可可靠指标标，它是是根据设设计所要要求达到到的结构构可靠度度而选定定的，所所以又称称为目标标可靠指指标。目标可靠靠指标，，理论上上应根据据各种结结构构件件的重要要性，破破坏性质质（延性性、脆性性）及失失效后果果等因素素，并结结合国家家技术政政策以优优化方法法分析确确定。但但是，限限于目前前统计资资料还不不够完备备，并考考虑到规规范的现现实继承承性，一一般采用用“校准准法”，，并结合合工程经经验加以以确定。。所谓““校准法法”就是是根据各各种变量量的统计计参数和和概率分分布类型型，运用用可靠度度的计算算方法，，揭示以以往规范范隐含的的可靠度度，以此此作为确确定目标标可靠指指标的主主要依据据。这种种方法在在总体上上承认了了以往规规范的设设计经验验和可靠靠度水平平，同时时也考虑虑了渊源源于客观观实际的的调查统统计分析析资料，，是比较较现实和和稳妥的的。《公路统一一标准GB/T50283》》根据对《公路钢筋筋混凝土土及混凝凝土桥梁梁设计规规范》（JTJ023-85）进行的的“校准准”，并并参照工工业与民民用建筑筑工程和和铁路桥桥梁的有有关规定定，给出出的公路路桥梁结结构的目目标可靠靠指标列列于表1-2。注：1.表中延性性破坏系系指结构构构件有有明显变变形或其其他预兆兆的破坏坏；脆性破坏坏系结构构构件无无明显变变形或其其他预兆兆的破坏坏；2.当有充分分依据时时，各种种材料桥桥梁结构构设计规规范采用用的目标标可靠指标标值，可可对本表表的规定定值作幅幅度不超超过±0.25的调整。。目标可靠靠指标选选后，按按公式（（1-5）计算可可靠指标标，进行行可靠指指标验算算，或进进一步建建立包括括作用（（或荷载载）效应应和结构构抗力基基本变量量的统计计参数、、目标可可靠指标标的极限限状态方方程，进进行结构构的承载载能力计计算。应该指出出，目前前由于作作用（或或荷载））效应和和结构抗抗力基本本变量的的统计资资料还很很不充分分，概率率模式和和统计参参数还很很不完善善，直接接采用可可靠指标标进行具具体设计计是有困困难的。。为了实实际工作作的需要要，必须须在可靠靠指标计计算公式式的基础础建立近近似的实实用概率率极限状状态设计计法。（1）概率极极限状态态设计表表达式概率极限限状态设设计的表表达式可可根据可可靠指标标计算公公式（1-5）演变求求得。按着随机机变量代代数运算算规则，，随机变变量差的的平均值值等于随随机变量量平均值值之差，，即（1-8）随机变量量差的标标准差的的平方，，等于随随机变量量标准差差的平方方之和，，即（1-9）将公式（（1-8）和（1-9）代入公公式（1-5），则可可求得可可靠指标标的表达达式为（1-10）将代代入上式式，并引引入变异异系数，，则得：（1-11）荷载效应应的标准准差和和变异异系数可可通过过荷载效效量标准准值和和分项项系数、、表示。结构抗力力的标准准差和和变异系系数，，可通通过结构构抗力标标准值和和材材料分项项系数表表示示。将上述有有关系数数代入（（1-11），经整整理后得得概率极极限状态态设计的的基本表表达式为为：（1-12）式中——永久荷载载标准值值；——可变荷载载标准值值；——永久荷载载分项系系数，其其数值与与永久荷荷载的均均方差，，变异系系数及及可靠靠指标有有关关；——可变荷荷载分分项系系数，，其数数值与与可变变荷载载的均均方差，，变异异系数数及及可靠靠指标标有有关；；、——混凝土土抗压压强度度标准准值和和设计计值；；、——钢筋抗抗拉强强度的的标准准值和和设计计值；；——结构抗抗力系系数，，其数数值与与结构构抗力力标准准差、、变变异系数及及可靠靠指标标有关关；——混凝土土材料料分项项系数数；——钢筋材材料分分项系系数；；对于不不同安安全等等级的的结构构，具具有不不同的的可靠靠度要要求，，为此此，引引入结结构重重要性性系数数，则则上式式可改改写为为（1-13）从形式式上看看，上上面给给出的的概率率极限限状态态表达达式（（1-13）与过过去采采用的的多系系数极极限状状态表表达式式基本本一致致，但但实质质上是是有很很大差差别的的。公公式（（1-13）中各各项分分项系系数的的的的确定定与作作用（（或或荷载载）、、材料料强度度等基基本变变量的的统计计参数数与可可靠指指标有有关，，是通通过选选定的的目标标可靠靠指标标换换算算出来来的。。换句句话说说，公公式（（1-13）中各各项分分项系系数中中隐含含了目目标可可靠指指标，，满足足了结结构可可靠度度的要要求。。这一一点在在概念念上不不能与与过去去定值值设计计法中中的安安全系系数混混淆。。设计公公路桥桥涵结结构时时有关关作用用（或或荷载载）及及其组组合按按《公路桥桥涵设设计通通用规规范JTGD60》（以下下简称称<通用规规范JTGD60>）采用用。构件自自重及及恒载载的标标准值值按构构件设设计尺尺寸乘乘以材材料标标准容容重计计算。。作用分分项系系数、、，，严格格讲应应根据据作用用（或或荷载载）基基本变变量的的统计计参数数和目目标可可靠指指标按按公式式计算算确定定。<公路统统一标标准GB/T50283>根据调调查统统计资资料计计算，，并参参照其其他有有关规规范，，取永永久作作用分分项系系数；；可可变作作用分分项系系数。。结构上上几种种作用用（或或荷载载）分分别产产生的的效应应的随随机叠叠加称称为作作用（（或荷荷载））效应应组合合。在在作用用（或或荷载载）效效应组组合中中，由由于几几个独独立可可变作作用（（或荷荷载））效应应最不不利同同是出出现的的概率率较小小。引入作作用（（或荷荷载））效应应组合合系数数，对对作用用（或或荷载载）效效应予予以折折减。。《通用规规范JTGD60》规定，，承载载能力力极限限状态态计算算采用用的作作用（（或荷荷载））效应应基本本组合合为（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）当永久作用用效应与可可变效应异异号时，永永久作