為提升公路混凝土橋樑建造技術，推動公路建設高質量發展，交通運輸部於2018年7月16日發佈了由中交公路規劃設計院有限公司為主編單位的新版《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範》（JTG 3362-2018），作為公路工程行業強制性標準，自2018年11月1日起實施。作為指導量大、面廣的混凝土橋涵設計重要技術標準，新《規範》立足於國內公路混凝土橋涵建設的工程經驗、科研成果、事故教訓，以大量的調研和專題研究工作為基礎，系統總結提升了混凝土橋涵設計的原則方法和技術要求，在混凝土橋樑的空間效應分析、極限狀態驗算、應力擾動區設計、箱梁抗傾覆等結構理論和設計方法方面提出了許多新的要求，充分體現了技術進步，滿足了行業發展需要，對保障公路橋樑的質量安全、引導公路橋樑的技術發展、助力公路行業的高質量發展具有重要意義。
為大力宣傳和推廣橋樑新技術，加快新《規範》在全行業的普及和應用，進一步提升混凝土橋樑的設計技術水平，確保橋樑質量和安全，落實交通運輸部關於加強新《規範》宣貫工作的要求，從2018年8月底開始，由主編單位中交公路規劃設計院有限公司組織各參編單位進行全國範圍的宣貫工作，截至11月1日已經分別在北京（2018年8月31日-9月1日）、廣州（9月13日-14日）、南京（9月27日-28日）、武漢（10月11日-12日）和西安（10月18日-19日）成功進行了五場宣貫活動。第二輪宣貫已經安排了成都（2018年11月29日-11月30日）、瀋陽（12月6日-7日）兩場。
為進一步加強宣貫效果，加深大家理解規範修編的理論背景，主編單位中交公路規劃設計院有限公司組織各參編單位於2018年9月編纂出版了《〈公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範〉應用指南》。《應用指南》重點闡述了新《規範》的編制理論基礎、技術背景，並編制了相關算例，通過明晰機理，使廣大工程技術人員加深對新《規範》的理解和認識。
核心理念：空間應力檢算體系
由完整驗算應力構建的空間應力檢算體系，是新《規範》在空間精細化分析中的核心理念，如圖1所示。
圖1 完整驗算應力示意及其符號系統
應力檢算體系按箱梁截面的板件分離，每塊板件有三層應力，分別體現面內薄壁效應（整體效應）和麵外受彎效應（局部效應），如圖2所示。
圖2 箱梁按板件分離和每塊板件的三層應力
由三個字母組成的完整驗算應力的符號系統為：第一個字母表示板件位置，T為Top flange、B為Bottom flange、W為Web；第二個字母表示應力在板件三層應力中的哪一層；第三個字母表示應力方向，L為Longitudinal、T為Transverse、P為Principle。這樣對於圖2的截面共有27個應力，構建了完整驗算應力體系。
這樣應力有些不是控制應力。例如，對於頂板共三層的縱向應力，一般是上緣控制；底板共三層的縱向應力，一般是下緣控制；頂板和底板在橫向受力接近純彎，其中面層橫向應力一般是小值甚至是0；如果不是深梁，腹板的三層縱向應力相比箱梁上下緣縱向應力為小值。去掉這9個非控制值後，完整驗算應力，由27個減至18個，如圖3所示。為了與原有應力檢算體系銜接，並照顧到原有設計計算習慣，新《規範》選出其中如圖4所示的9個應力作為控制驗算應力，對應於新《規範》的6.1.3條。
圖3 完整驗算應力降至18個
圖4 新《規範》的9個控制驗算應力
計算模型：獲取驗算應力
新《規範》附錄A包括3種實用精細化模型，即空間網格模型、折面梁格模型和7自由度單梁模型。其中，空間網格模型和折面梁格模型都是由沒有空間效應的劃分梁構成的，空間效應將由各劃分梁的效應本身或差值直接反映，包括薄壁效應、剪力滯效應和腹板受力分配。表1為其空間效應體現。
實用精細化模型均是由計算特點為廣大業內工程師熟知的梁單元構成，且與現行配筋/驗算體系銜接。其精細化是相對於目前常採用的單梁計算模型而言的，其實用性是相對於實體計算模型而言的：實體計算模型本身是精細化的模型，但對於混凝土橋樑結構的預應力、施工階段、時間效應、活載加載等關鍵因素的“處理”降低了其精細化的程度。同時，其效應包含了整體效應和局部效應，且與基於滿足平面假定的截面配筋方法不匹配。故實體模型在局部應力分析以及構築拉壓桿模型方面具有優勢。
空間網格模型可以獲取27項完整驗算應力。表2為空間網格模型、折面梁格模型、7自由度單梁模型，以及6自由度單梁模型獲取新《規範》6.1.3條9項控制驗算應力的適用性。可以看出，這些驗算應力可以通過一種模型獲得，也可以通過幾種模型分別獲取組合而成。
適用性：同樣適合鋼及鋼混組合橋樑
由完整驗算應力構建的空間應力檢算體系具有普遍適用性，即適用於所有板式構件構成的截面形式，並不侷限於混凝土截面，同樣適用於鋼結構、鋼混組合橋樑。鋼結構橋樑實質是預製結構，且全部由鋼板件組拼而成，其受力特點與混凝土並沒有大的差異，甚至更容易理解：第一體系應力實際上就是27個完整驗算應力中的中面面內應力，反映的是整體效應；第二、第三體系應力實際上就是上下緣面外應力，反映的是局部效應。它們不是同一個荷載工況。由三層應力、每層有縱橫主三個應力控制方向構築的完整驗算應力體系，以及空間網格模型、折面梁格模型、7自由度單梁模型等實用精細化模型，同樣適用於鋼結構截面的設計計算和病害診斷，也可以得到縱橫主三個應力方向的應力幅用於疲勞檢算。
鋼混組合截面橋樑是近年來的熱點，基於板件分離的空間網格模型尤其適用於分析組合截面。組成空間網格模型的板件是任意的：可以是全混凝土的、可以是全鋼的，也可以是任意組合的。由於混凝土和鋼的應力檢算體系是通用的，所以，採用分離截面的方法設計計算鋼混組合截面，不但可以體現橋樑建設的應力歷史，也可以得到更為真實、適用的極限承載力計算方法。
圖5 鋼混組合結構空間網格模型示意及截面渲染
討論：極限承載力的幾個問題
剪扭配筋方法
由於針對軸力、彎矩的配筋方法是截面法，針對剪扭的是“結構”方法，兩者本身並不協調。組合後（剪扭、彎剪扭、再加軸向）一直較為混亂，教材中也偏重於實驗解釋。實質上，前述的完整驗算應力可以完善將來極限承載力及其配筋設計的研究路線：面外應力對應的是抗彎配筋，而面內應力對應的是剪扭配筋。可以將剪切配筋方法作為突破口，同濟大學提出的網格配筋方法是針對面內應力的配筋方法。在工程實踐上，完整驗算應力構築的檢算指標體系可以預防結構開裂，而網格配筋則是結構開裂後阻擋下撓的最後一道防線。
組合截面的抗彎承載力
鋼混組合截面（也包括混混組合截面）的抗彎承載力。I期彎矩和II期彎矩實際上作用於兩個曲率不同的截面（I期彎矩作用於小截面，而II期彎矩作用於大截面），能否直接疊加值得商榷。實際上，可以採用不同材料組成的空間網格模型與鋼混組合截面橋樑的應力分析和極限階段設計有著非常緊密適用的聯繫。《公路鋼混組合橋樑設計與施工規範》考慮應力歷史，在彈性階段分離了鋼與混凝土截面的受力。本文的建議是再進一步，極限階段也採用分離截面方法，這樣混凝土部分採用混凝土規範，鋼部分採用鋼規範，受力特點清晰，且不管兩本規範將來如何變化，均可以與時俱進。
大跨徑梁式橋的安全度
大跨徑預應力混凝土梁式橋的恆載比例極大，活載比例甚至降至10%左右。由於不管大跨徑、小跨徑在極限階段恆載和活載乘的安全係數是一樣的，隨著跨徑的增大，橋樑的安全度被相對降低了。例如對於中、小跨徑橋樑，日常運營階段（也就是恆載階段）的受力效應占總荷載效應的70%及以下，尚預留有30%及以上給短期作用的使用荷載（活載），或者說恆載應力相對較小。而對於大跨徑預應力混凝土梁式橋，日常運營階段的受力效應基本接近於最終狀態，留給使用荷載（活載）的空間非常小，或者說恆載應力相對較大。所以，大跨徑橋樑的安全度低於中小跨徑橋樑，容易出現問題，且一旦出現開裂也難以閉合，危及結構安全。所以，在大跨度預應力混凝土橋樑設計中，需要適當提高活載安全度或適當降低恆載應力。
未來的精細化設計還要更多地考慮橋樑構件應力形成、發展歷程和需要的安全冗餘。
作者 / 徐棟 袁洪 趙君黎 李會馳等
作者單位 / 同濟大學 中交公路規劃設計院有限公司
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