桥梁工程概论及相关规范

1.公路桥涵设计规范

公路桥涵设计规范（以下简称为《公桥规》）在20世纪70年代和80年代有过两次大的修订。后一次修订主要基于极限状态法进行，成果是由下列5本规范（1985—1989年先后颁布执行）组成的规范合订本：

（1）《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—89）。

（2）《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》（JTJ022—85）。

（3）《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023—85）。

（4）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024—85）。

（5）《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025—86）。

其他与公路桥梁设计、施工等相关的规范，如《公路工程抗震设计规范》《公路桥涵施工技术规范》等，予以单列。

《公桥规》（1）主要规定了桥涵设计的一般原则（布置、分孔、跨径、净空、线形、桥面、养护等）和设计荷载。这本规范分别在2004年（编号JTG D60—2004）和2015年（JTG D60—2015）修订发布。

《公桥规》（2）中的材料主要是低标号混凝土、石料、砖材和砌筑砂浆，适用对象是拱桥、墩台、涵洞、挡土墙等类结构。2005年发布的新规范改名为《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61—2005）。

《公桥规》（3）是合订本中的一本重要的规范，主要内容包括：材料（混凝土和钢筋）的取值；荷载组合；板、梁、拱、墩台、铰与支座等的分析计算；对钢筋混凝土构件和预应力混凝土构件，分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态给出验算公式，其一般表达式类似于式（10.5）和（10.6）；结构或构件的构造要求等。这本规范分别在2004年（JTG D62—2004）和2018年（JTG3362—2018）修订发布。

《公桥规》（4）采用容许应力法设计地基和基础，内容包括：地基容许承载力（应力）；基础的埋置深度和沉降、稳定性计算；桩基础、沉井基础等的计算与构造规定。这本规范在2007年（JTG D63—2007）修订发布，改用极限状态法，后在2019年再行修订（JTG3363—2019）。

《公桥规》（5）包含钢结构和木结构两部分，计算理论采用容许应力法。每部分均包括材料规定、杆件和连接的计算方法及验算公式、构造要求等。2015年，国家发布了基于极限状态法的《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）。

可以看出，在《公桥规》1985—1989年版合订本的基础上，结合桥梁工程的科技发展和结构可靠性设计理论的研究成果，公路桥涵设计规范需要不时修订更新。具体的修订更新内容，可参阅相关规范。

2.铁路桥涵设计规范

《铁路桥涵设计规范》（以下简称为《铁桥规》）曾有三次大的修订。第一次修订（1971—1974年）的成果是从1975年颁布的《铁路工程技术规范·第二篇·桥涵》；第二次修订（1979—1983年）的成果是从1985年颁布的《铁路桥涵设计规范（TBJ2—85）》。设计方法为容许应力法。2000年，在《铁路桥涵设计规范（TBJ2—85）》的基础上，国家发布了一套5本的新的铁路桥涵设计规范。新的规范在形式上有较大变动，在内容上也修订较多，但设计方法没有改变。它们是：

（1）《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1—99），类同于前述《公路桥涵设计通用规范》。

（2）《铁路桥涵钢结构设计规范》（TB10002.2—99），类同于前述《公路钢结构桥梁设计规范》。

（3）《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3—99），类同于前述《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》。

（4）《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》（TB10002.4—99），类同于前述《公路圬工桥涵设计规范》。

（5）《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10002.5—99），类同于前述《公路桥涵地基与基础设计规范》。

2005年，国家发布了新一版的TB10002.1—2005～TB10002.5—2005，同时废止TB10002.1—99～TB10002.5—99。到2017年，为总结我国高速、城际、客货共线和重载铁路桥涵建设、运营的实践经验和科研成果，国家再次修订发布了新一版的《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002—2017）、《铁路桥涵钢结构设计规范》（TB10091—2017）和《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10093—2017），并整合修订《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3—2005）和《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》（TB10002.4—2005）为《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB10092—2017）。

其他与铁路桥梁设计、施工等相关的规范，如《铁路工程抗震设计规范》《铁路混凝土结构耐久性设计规范》《高速铁路桥涵施工技术规程》等，予以单列。

第三次修订（1985—2014年）以极限状态法和结构可靠性理论为指导，2014年颁布了《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》（Q/CR9300—2014），2018年颁布了正式的《铁路桥涵设计规范（极限状态法）》（Q/CR9300—2018）。

《铁路桥涵设计规范（极限状态法）》（Q/CR9300—2018）由1—总则、2—术语和符号、3—桥涵布置、4—设计作用、5—正常使用极限状态设计基本限值、6—钢结构、7—钢筋混凝土和预应力混凝土结构、8—钢-混凝土组合结构、9—混凝土及砌体结构、10—支座、11—墩台、12—涵洞、13—既有线顶进桥涵、14—地基和基础、15—抗震设计等15章和16个附录组成。

一般而言，我国的桥梁规范只适用于常规桥梁的设计，例如，上述铁路桥梁规范主要适用于跨度有限（不大于168m 的钢结构、不大于128m 的混凝土结构）、墩高有限（不大于50m）的桥梁。特殊桥梁的设计需要参考其他规范或专门制定设计技术标准，例如《公路斜拉桥设计规范》（JTG/T3365-01—2020）、《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T3360-01—2018）、《铁路斜拉桥设计规范》（TB10095—2020）等。

3.英国桥规BS5400

BS5400（BS—British Standard，钢桥、混凝土桥及结合桥）是世界上有代表性的一本桥规。这套文件包括（公路或铁路的）钢桥、混凝土桥及结合桥设计和构造的实用规则、荷载、材料和工艺的规范。整套文件由下列各篇组成：

第一篇　总则（1978年公布，1988年修订）

第二篇　荷载规范（1978年公布，2006年修订）

第三篇　钢桥设计实用规则（1982年公布，2000年修订）

第四篇　混凝土桥设计实用规则（1978年公布，1990年修订）

第五篇　结合桥设计实用规则（1979年公布，2005年修订）

第六篇　钢材及工艺规范（1980年公布，1999年修订）

第七篇　混凝土、钢筋及预应力筋材料及工艺规范（1978年公布）

第八篇　关于混凝土、钢筋及预应力筋材料及工艺的意见（1978年公布）

第九篇　桥梁支座（1983年公布）

第十篇　疲劳设计实用规则（1980年公布，1999年修订）

BS5400是以极限状态设计为根据的。验算式中的一部分分项系数是根据近似概率法对老一版规范进行校准优化后确定的。现只对第一篇中的主要内容（设计荷载、设计抗力、结构验算等）介绍如下。

设计荷载Q*按下式求得：

Q*=γfL·Qk=γf1γf2Qk

式中　Qk——额定荷载（人为确定的荷载标准值）；

γfL——荷载分项安全系数，为γf1和γf2之乘积。

γf1考虑荷载本身的变异性，γf2用于荷载组合时对额定荷载的折减。这些系数均列在第二篇。设计荷载效应S*按下式求得：

S*=γf（3Q*的效应）=γf（3γfL·Q*的效应）

式中　γf3——在考虑（因计算模型误差、施工尺寸误差引起的）计算荷载效应不精确时引入的系数，分列于第三至第五篇。

设计抗力R*的表达式为：

对γm可以单列的情况，则：

式中　fk——材料的特征强度（按统计数据推算的保证率为95%　的强度值）或额定强度；

γm——材料分项安全系数。γm=γm1·γm2，其中γm1表示同材料变异性有关的系数，γm2表示材料强度以外的其他因素的影响。

γm或fk/γm的值列于第三篇至第五篇。(https://www.xing528.com)

结构验算要求是：

即

4.美国公路桥规

美国公路桥规（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications）在世界范围内颇具影响，得到广泛采用和参考。美国各州公路和运输工作者协会（American Association of State Highway and Transportation Officials，简称AASHTO）是该规范的制订者。AASHTO规范1931年初版，大约每隔4年修订一次。

该规范从开始使用直至20世纪70年代，采用的是容许应力法，称之为WSD（Working Stress Design）。从70年代初起，AASHTO引入荷载系数对WSD进行了修正，以考虑某些荷载（如汽车荷载、风力等）的变异性，因此，这种设计方法被称之为LFD（Load Factor Design）。从80年代后期，开始采用结构可靠性和极限状态设计理论，制订LRFD（Load and Resistance Factor Design，荷载与抗力系数设计）桥梁设计规范。在新一代规范中，以类似于考虑荷载变异性的方法来考虑材料和结构抗力的变异性，其中的系数是根据统计学，按结构可靠性理论推算出来的。1994年，第1版基于LRFD原理的规范出版，2020年出版至第9版。

该规范包括以下各章内容：1—概述；2—总体设计和桥位特征；3—荷载及荷载系数；4—结构分析及评价；5—混凝土结构；6—钢结构；7—铝结构；8—木结构；9—桥面和桥面系；10—基础；11—桥台、桥墩和挡土墙；12—埋置式结构和隧道衬砌；13—栏杆；14—接缝和支座；15—声屏障设计。现只对其极限状态和设计验算式作简要介绍。

在AASHTO规范中，规定了4种极限状态。除了强度极限状态和使用极限状态外，还包括：

（1）疲劳和断裂极限状态：前者应看作是对产生预期的应力作用次数的单车所引起的应力幅值的限制，后者则是对材料延性的要求。

（2）极端事件极限状态（即前述破坏—安全极限状态）：确保在桥梁基础有可能受到冲刷的情况下，并遭到强烈地震或洪水，或船只、车辆的撞击，或流冰的撞击时，结构仍能保持完好。

要求所有极限状态均应满足下列方程：

其中

式中　γi——荷载系数，乘到荷载效应Qi上的一个基于统计的乘数；

φ——抗力系数，乘到公称抗力Rn上的一个基于统计的乘数；

ηi——与结构延性、结构冗余度和运营重要性相关的荷载修正系数；其中ηD为与延性有关的系数，ηR与结构冗余度有关，ηI　与运营重要性有关。

5.欧洲结构规范

早在20世纪70年代初期，欧共体委员会（1993年后为欧盟委员会）就认识到欧洲各国在建筑和土木工程方面各自为政，互不一致，这可能会导致各成员国在工程界形成人为障碍，不利于技术的共同进步和欧洲工程市场的发展。因此，欧共体建议制订一套工程结构方面的欧洲规范（Structural Eurocodes），使其在一段时间内与各国规范平行使用，在若干年后逐步取代各国规范。初步设想是：利用国际结构安全度联合委员会（JCSS）的结构规范草案，在增添其他内容的基础上，形成欧洲规范的基本框架。

1975年开始了规范的编制工作。1990年，欧洲规范的后续工作（进一步发展，修订完善和翻译出版等）转交给欧洲标准委员会（CEN），其中的CEN/TC250委员会负责欧洲规范的制订工作。在产品和服务方面，CEN主要提供ENs和ENVs两种类型的标准。ENs（European Standards）为正式标准，需成员国家的71% 以上同意后才能颁布执行；ENVs（European Prestandards）为试行标准，无需投票通过。

2002年，第一本欧洲结构规范（EN1990）出版。2006年，所有的欧洲结构规范出版完成，共计10篇58册。2006—2010年，规定为欧洲规范与成员国规范的共用期。从2010年起，正式执行欧洲结构规范，同时撤销与该规范相抵触的各成员国规范。

最终定稿的欧洲结构规范共计10篇（每篇划分成若干部分），分别是：

EN1990EUROCODE0——结构设计基础

EN1991EUROCODE1——结构上的作用

EN1992EUROCODE2——混凝土结构设计

EN1993EUROCODE3——钢结构设计

EN1994EUROCODE4——钢-混凝土组合结构设计

EN1995EUROCODE5——木结构设计

EN1996EUROCODE6——圬工（砌体）结构设计

EN1997EUROCODE7——土工设计

EN1998EUROCODE8——结构抗震设计规定

EN1999EUROCODE9——铝结构设计

这套规范体系完整，内容丰富，基于极限状态法，采用分项系数表达式，代表着建筑与土木工程结构设计规范的当代水平。规范适用于采用不同材料（钢、混凝土、铝、木、砌体）建造的各种建筑结构和土木工程结构（桥梁、筒体、管道、塔桅等）。对桥梁而言，可用于公路桥、铁路桥（含高铁桥梁）、人行及自行车桥的设计。

欧洲结构规范各篇之间的内在联系表现为：EN1990是基础，用来指导其余各篇的应用；EN1991涉及荷载作用，与其余各篇配套使用；EN1992～EN1996以及EN1999是基于工程材料划分的具体设计规范，相互独立成篇；对与岩土、抗震有关的设计规定，则分列在EN1997和EN1998。根据不同的工程对象及工程材料，可从规范体系中提取出对应的规范包（EN Package）。例如：对混凝土桥，对应的规范包组成为 EN1990、EN1991（第1、3～7部分，第2部分）、EN1992（第1、2部分）、EN1997（第1部分）和EN1998（第1、2、5部分）；对钢桥，对应的规范包组成为 EN1990、EN1991（第1、3～7部分，第2部分）、EN1993（第1、2部分）、EN1997（第1部分）和EN1998（第1、3、5部分）。

现仅就EN1990中关于极限状态、设计状况、设计工作寿命分类、可靠指标制订等简要介绍如下。

极限状态仍然分为承载极限状态和使用极限状态两大类。在承载极限状态中，分为EQU（刚体失稳）、STR（过度变形、强度破坏、结构失稳等）、FAT（疲劳破坏）、GEO（场地失效或过度变形）四种情况。对使用极限状态，分为可逆的（Reversible）和不可逆的（Ⅰrreversible）两种情况。当引起结构达到使用极限状态的作用移走后，该极限状态仍永久保持，则称这种使用极限状态为不可逆的，反之亦然。另外，对前述“破坏—安全极限状态”的情况，在EN1990中也明确作为一条设计原则提出。这条设计原则要求结构不因偶然事件（火灾、爆炸、撞击、人为事故等）导致由局部或初始破坏向严重或全部破坏发展。因此，在结构设计时应考虑到：

·避免、消除或减少结构可能会遭遇的风险（上述偶然事件）。

·选择对风险不太敏感的结构型式。

·选择的结构型式可以在其单个构件或有限部分偶然移走后，结构仍能保持适当的稳定性和强度，或只受到局部损伤。

·尽可能避免结构体系在无先兆的情况下倒塌。

·处理好结构或构件之间的连接。

设计状况分为四类，包括：持久状况（指正常运营情况），短暂状况（指结构是处于暂时状态，例如，在其施工或修缮过程之中），偶然状况（指结构处于异常状态，例如，遭遇火灾、爆炸、撞击或局部损坏状态）和地震状况（指结构应按遭遇地震来设计）。偶然状况与地震状况不同时考虑。不同的设计状况对应不同的极限状态、荷载组合和分项系数。

所谓设计工作寿命，是指在正常养护条件下（无须修复），结构整体或构件期望的使用寿命。根据结构的类型及性质，EN1990对不同结构的设计工作寿命进行划分，见表10.1。

表10.1　设计工作寿命

对不同的极限状态，对结构的失效后果进行分级，据此来制订不同的可靠度水平。选择可靠度水平时需要考虑：① 可能的原因，达到极限状态的方式；② 失效的可能后果（人员死伤，对经济、社会、环境的影响程度）；③ 公众对失效的认同程度，特定场所的社会环境条件；④ 为减少失效风险所需的投入。在EN1990中，把失效后果分为三级，从低到高分别为CC1，CC2和CC3。对应地，把可靠度水平的等级（用可靠度指标β描述）也列为三类，从低到高分别为RC1，RC2和RC3。

EN1990中所采用的调控可靠度水平的方法包括：① 直接调整可靠度指标β；② 用一个与可靠度水平等级相关的系数（0.9～1.1）与荷载分项系数γ相乘；③ 制订三级程度不一的设计和施工监理水平，使其与可靠度水平的等级相关；④ 制订三级程度不一的施工检查水平，使其与可靠度水平的等级相关。

EN1990给出了不同可靠度级别下的可靠指标β最低值。对承载能力极限状态，见表10.2。

表10.2　建议的β最低值

从总体上讲，欧洲结构规范的理论框架基于极限状态设计概念。各种验算表达式中的分项系数的确定，由于缺乏足够的数据支撑，大部分采用定值法，即基于过去成功的工程设计和实践经验进行校准，小部分借用了简化的结构可靠度分析。因此，欧洲规范的制订者明确强调：所建议的目标可靠度指标以及对应的失效概率（按正态分布换算）仅仅是形式上或名义上的，它主要被用来发展一套协调一致的设计规则，而决不能看作结构真实的失效概率。