美国AASHTO LRFD 桥梁规范历史和目前现状

美国AASHTOLRFD公路桥梁设计规范历史和现状报告人：刘健博士广东省公路建设有限公司2010年12月9~10日2010年广东省公路学会桥梁学术会议提纲规范开发背景规范特点结构可靠度理论简介三种设计方法比较车辆荷载荷载分布系数设计案例小结规范开发背景-历史美国从1921年开始编写公路桥梁设计规范，美国州公路协会于1931年发表了《公路桥梁标准规范》(StandardSpecificationsforHighwayBridges），容许应力法(AllowableStressDesign)被运用这规范中；上世纪70年代，荷载系数设计方法（LoadFactorDesign)被加入的这个规范中，该规范出版以来共有17个版本，一直到2002年停止更新；上个世纪80年代，荷载和抗力系数设计方法被越来越多国家采用，美国标准规范已经落后于时代要求。1986年安排了一个项目研究当前世界各个规范特点和开发新规范的可行性；1990年，第一版《AASHTO荷载和抗力系数桥梁设计规范》发表（AASHTOLRFDBridgeDesignSpecification），共4份草稿版本规范开发背景-目标开发一套反映当前美国最新科技水平，在国际桥梁设计界接近或者达到领先地位的规范；规范尽可能具有广泛性，应包括新的结构形式，分析方法和承载力模型；考虑到使用规范的人员和组织的广泛性，规范要求可读和易用；要使用规范语言而不是使用教科书式语言编写规范；鼓励在桥梁设计中使用多学科方法，特别是在水力学和冲刷，基础设计和桥址的选择等方面；对结构冗余度和延展性的重要性要有足够的重视。规范开发背景-内容和创新运用新的更加安全的设计安全理念：荷载和抗力系数法（LRFD）；确定四种极限状态，即服务极限状态，强度极限状态，疲劳和脆性极限状态和极端事件极限状态；开发新的荷载系数；开发新的抗力系数；通过校准，确定可靠度级别，荷载和抗力系数和荷载模型之间的相互关系；开发新的荷载模型；修正荷载分布的分析和计算方法；统一三种混凝土结构，即素混凝土，钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计的表达使用极限状态法设计基础和土力学；扩充有关水力学和冲刷条款；取消抗震性能分类概念，采用桥梁重要性作为评价指标的方法；开发混凝土桥梁节段施工有关指导条款；采用美国联邦公路局（FHWA）规范中有关船只碰撞的大部分条款；根据冲击试验，扩充桥梁栏杆设计规范，包括为设计冲击试验提供分析方法；引进正交异性板设计步骤；开发一套与规范相对应的规范评论。规范特点-结构可靠度理论简介什么是结构可靠度，可靠的指数？22SRSRRSRSRS：抗力：荷载效应：抗力和载荷的概率密度平均值和标准差R,S概率密度分布曲线R-S概率密度分布曲线规范特点-结构可靠度理论简介标准规范和LRFD规范可靠性指数规范特点-三种设计方法比较容许应力设计法（ASD）FSRQEi/iQERFS荷载，弹性承载力，安全系数荷载系数设计法（LFD）RQiiiiQR荷载系数，荷载，强度折减系数，承载力荷载和抗力系数设计法(LRFD)rniiiRRQiiiQnRrR荷载修正系数，荷载系数，名义荷载效应，强度折减系数，名义承载力，乘上系数的承载力规范特点-车辆荷载标准规范HS20卡车•LRFD规范使用了新的载荷HL-93,它包括HS20卡车和一个均匀分布力；•卡车考虑冲击系数，而均布力没有冲击系数；•连续梁桥负弯矩区域内力和桥中跨支座反力，沿桥纵向放置两辆卡车，两车相距15m，并布置均布力，所得到的结构内力和支座反力的90%作为最终设计荷载。规范特点-荷载分布系数（1）标准规范（ASD和LFD）中，钢混叠合梁桥内梁，横向系数等于S/D，其中，S代表纵梁的间距，D代表某一常数，1.032.06.00.125.9075.0sgLtKLSSLRFD规范中，荷载横向分布系数（钢混叠合梁桥在双车道或者多车道荷载下）SLgKst梁的间距，梁跨径，梁纵向刚度系数，混凝土桥面板厚度再计算出单车道的荷载横向系数和用杠杆法求的荷载横向分布系数，取最大值作为该梁的荷载横向分布系数，如是斜桥，需要乘上考虑斜度的系数。S规范特点-荷载分布系数（2）标准规范和LRFD规范荷载横向弯矩分布系数比较（M.Adnan,2005）（1）标准规范设计荷载横向分布系数比LRFD大；（2）标准规范中斜桥斜度和跨径的影响没有考虑；（3）LRFD规范中，斜桥斜度越大，荷载分布系数越小；（4）LRFD规范中，跨径越大，荷载分布系数越小。设计案例-背景Gowanus高速公路拓宽改造工程位于：美国纽约城建于：1941年，60年代拓宽总长：约10公里车道：双向4车道-双向6车道车流量：约20万次/日上部结构：钢混叠合梁，大部分桥跨采用简支梁形式，部分路段采用双层结构下部结构：钢结构桥墩高架位置设计案例设计案例设计案例-拓宽措施为了解决以上困难，主要做法有：1）在立交处拓宽高架宽度；2）使用快速固结混凝土浇筑桥面板；3）充分利用中央横隔带的宽度；4）每次只更换一条行车道的桥面铺装；5）设计一条独立的车道分流交通。AA截面A-A平面图截面B-BBB平面图设计案例-设计方法在结构设计中，由于涉及到不同时期的结构，不同的分析方法被运用。新匝道包括桥面板，钢混叠合梁，支座，立柱和下部基础，使用LRFD设计方法，而旧钢桥桥台则使用ASD法复核其承载力，对于在旧高架上的新叠合梁设计采用LFD。考虑到地震对新，旧桥的影响，开发了三维有限元模型，要求新桥设计能符合抗震要求，对旧桥部分，提供抗震加固方案。新匝道弯曲叠合梁设计采用MDX桥梁专用软件，该软件包含LRFD设计模块。相对了标准规范设计，LRFD更适合于计算机，因为复核的项目更多，公式更复杂。设计案例-抗震评估全局Larsa3D模型局部模型#1局部模型#2A小结（1）为了完善LRFD规范，满足施工，荷载评估和特种桥梁的要求，相继出版了一系列规范:《AASHTOLRFD桥梁施工规范》（AASHTOLRFDBridgeConstructionSpecifications），《AASHTOLRFD开合桥梁设计规范》（AASHTOLRFDSpecificationforMovableBridges），和《AASHTO公路桥梁状况评估和LRFR承载能力评估指导手册》（AASHTOGuideManualforConditionEvaluationandLoadandResistanceFactorRatingofHighwayBridge）。小结（2）自从2007年10月，美国所有联邦政府资助的桥梁项目必须使用LRFD设计规范;联邦公路局做了大量的准备工作，主要包括：•了解各州的采用新规范的计划•展示用新规范设计的桥梁•开发各种桥型的设计范例•培训桥梁工程师和有关人员•开展研讨会和专题讨论会等等•联邦公路还协助各州交通部编制符合各州特点的补充规范。致谢WSPSELLS公司，纽约纽约州交通部广东省公路建设有限公司