钢结构拱桥国标与美标设计及施工的差异性研究

吴亮

（中铁十局集团有限公司，山东济南，266011）

摘要：钢结构拱桥是现代桥梁工程中常见且重要的结构形式之一，其设计和施工对确保桥梁的安全性和稳定性至关重要。本文旨在研究钢结构拱桥在国标与美标设计和施工中的差异性，通过比较两种标准规范的要求，分析其在弯曲稳定性、荷载标准、材料规范和分析方法等方面存在的差异。研究结果将有助于理解并遵循适用的标准规范以及更好地进行钢结构拱桥的设计和施工。

关键词：钢结构拱桥；美标；国标；差异

Research on the difference of design and construction of steel structure arch bridge between national standard and American standard

Wu Liang

(China Railway 10th Bureau Group Co., Ltd., Jinan, Shandong, 266011）

Abstract：Steel arch bridge is one of the most common and important structural forms in modern bridge engineering. Its design and construction are very important to ensure the safety and stability of bridge. The purpose of this paper is to study the differences in the design and construction of steel structure arch Bridges between the national standard and the American standard. By comparing the requirements of the two standards, the differences in bending stability, load standards, material specifications and analysis methods are analyzed. The results of the study will help to understand and follow the applicable standard specifications and better design and construction of steel structure arch Bridges.

Key words: Steel arch bridge; Us standard; The National Standard; discrepancy;

1  引言

钢结构拱桥作为一种重要的桥梁结构形式，在现代桥梁工程中广泛应用，并且对于确保桥梁的安全性和稳定性起着至关重要的作用。拱桥作为一种经典而优雅的设计，以其出色的承载能力和抗弯刚度而受到青睐。然而，在不同的国家和地区，对于钢结构拱桥的设计和施工往往存在着一些差异。

本论文旨在详细研究钢结构拱桥国标与美标设计和施工的差异性，并探讨其影响因素以及其在实际工程中的应用情况。通过对比国标和美标两种标准规范的要求，我们可以深入了解它们在弯曲稳定性、荷载标准、材料规范和分析方法等方面存在的差异。这不仅可以帮助工程师和设计者更好地理解和适应各自的标准规范，还有助于促进桥梁工程领域的国际合作与交流。

在本文的研究中，我们将分析国标和美标在弯曲稳定性分析方面的差异。弯曲稳定性是钢结构拱桥设计过程中需要重点考虑的因素之一，它涉及到拱的几何形状、截面特性、材料属性以及荷载条件等多个因素的综合影响。此外，我们还将研究国标和美标对于荷载标准的不同要求和计算方法。荷载标准是确保拱桥安全性的重要指标，不同的标准规范往往对于荷载类型、大小和组合的要求存在差异，这直接影响了设计和施工过程中的荷载计算和结构配筋。

此外，我们还将探讨国标和美标在材料规范方面的差异。不同的标准规范对于钢材的特性和性能有着不同的要求，如强度、延展性、耐腐蚀性等。这些差异将直接影响到拱桥结构的强度和稳定性，从而对设计和施工产生重要影响。最后，我们将分析国标和美标在分析方法方面的差异，包括常用的分析方法和边界条件处理方式等。这些差异对于结构的响应和可靠性评估具有重要影响，因此需要深入研究和理解。通过对钢结构拱桥国标与美标设计和施工差异性的研究，我们可以更全面地了解不同标准规范的要求和应用情况，为桥梁工程的设计和施工提供有益的参考和指导。本研究将有助于工程师和设计者更好地理解和遵循适用的标准规范，并促进国际桥梁工程领域的进步和发展。

2 钢结构拱桥国标与美标概述

2.1 国标和美标的背景和发展历程

钢结构拱桥是一种常见的桥梁结构，具有较高的强度和稳定性。在不同的国家和地区，为了确保桥梁的安全性和适应性，相应的国家标准和规范被制定出来。在中国，建设部颁布了《公路钢结构桥梁设计规范》（GB 50017-2017），而在美国，美国公路和交通协会（AASHTO）颁布了《公路桥梁设计规范》（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications）。

2.2 差异概述

钢结构拱桥的国标和美标在很多方面存在差异，包括设计原则、荷载标准、材料规范和分析方法等。首先，设计原则方面，国标和美标有着不同的计算方法和验算要求。国标注重于考虑荷载和结构强度之间的平衡，而美标更加关注结构的位移和变形限制。这导致了两种标准规范在设计过程中的重点和考虑因素存在差异。

其次，荷载标准方面，国标和美标对于荷载类型、大小和组合的要求也不尽相同。国标明确规定了各种荷载的作用组合和限值，并指导工程师进行相应的荷载计算。而美标则根据地区和环境的不同，提供了多种荷载模型和组合的选择，使得工程师可以根据具体情况进行适当的调整和优化。

材料规范方面，国标和美标对于钢材的性能和使用要求也存在差异。国标对于钢材的强度、延展性以及耐腐蚀性等方面有详细的规定，以确保材料的质量和稳定性。而美标则更加强调材料的强度和可塑性，以满足结构设计和可靠性要求。

最后，分析方法方面，国标和美标在桥梁结构的数值模拟、受力分析和边界条件处理等方面也存在差异。国标更加注重几何非线性和塑性分析，同时强调结构的安全性和稳定性。而美标则更加关注线性弹性和极限状态设计，同时允许工程师根据具体情况进行适当的简化和近似处理。

综上所述，钢结构拱桥的国标和美标在设计和施工方面存在着一定的差异。理解和掌握这些差异对于工程师和设计者来说非常重要，可以帮助他们根据不同的标准规范进行合理的选择和应用。同时，通过深入研究和比较两种标准规范，可以促进桥梁工程领域的国际交流与合作，推动钢结构拱桥设计和施工技术的进步与发展。

3  弯曲稳定性分析的差异性

在钢结构设计中，弯曲稳定性是一个至关重要的考虑因素。它涉及到结构在受到外部载荷作用下的抗弯能力，以及在弯曲过程中是否出现失稳现象。然而，不同的国家和地区在弯曲稳定性分析的方法和准则上存在一定的差异。

首先，弯曲稳定性分析的差异表现在计算方法上。一方面，国家和地区可能采用不同的数值方法进行分析，如有限元法、刚度法等。这些方法的选择可能受到不同标准和规范的影响。另一方面，即使采用相同的方法，不同的国家和地区也可能对于边界条件、几何非线性效应和材料非线性等因素的处理存在差异。

稳定理论是钢结构设计中的核心理论，美标和国标在钢结构的稳定分析上都是基于稳定理论的，但是两者在表现形式上又有所不同。

二阶效应是稳定性的根源。P－Δ效应是结构整体效应；P－δ效应是构件挠曲效应，一般会增加杆件中部弯矩，杆件端部弯矩增加较少。二阶效应的考虑国标提供3种计算方法：一阶弹性分析、二阶P－Δ弹性分析及直接分析。

其次，弯曲稳定性分析的差异还存在于准则和验算要求上。不同国家和地区的规范中，对于极限弯曲承载力的计算方法和验算公式可能存在一定的差异。这些差异可能涉及到荷载组合的选择、结构几何参数的定义、稳定性分析的假设条件等方面。

当二阶效应系数不大于0.1时，可采用一阶弹性分析。一阶弹性分析相当于美标的计算长度系数法，是在设计阶段考虑二阶效应。通过K值（构件杆端约束系数）换算构件计算长度，再查表得到φ值，φ是按柱的最大强度理论用数值方法计算出大量的φ-λ曲线归纳确定的，考虑了构件的初始缺陷、残余应力及初弯曲等因数。P-Δ效应通过有侧移框架和无侧移框架表中μ的不同值来反映。美标认为,支撑框架如果柱子的计算长度系数取值小于1,则必须专门计算约束柱端的框架梁的P-δ效应，因此建议柱子的计算长度最小取为1。

此外，针对特定类型的结构和应用场景，不同国家和地区的规范也可能提供不同的设计指南和建议。例如，针对长跨度拱桥的弯曲稳定性分析，不同国家和地区可能有不同的临界长度判据和限制，以确保结构的稳定性和可靠性。

最后，对于特殊情况和复杂结构的弯曲稳定性分析，不同国家和地区可能采用不同的方法和技术。例如，通过进行实验测试和数值模拟相结合的方法，可以更准确地评估结构在弯曲过程中可能出现的失稳现象和局部破坏情况。

综上所述，弯曲稳定性分析的差异性主要体现在计算方法、准则和设计指南等方面。了解和掌握不同国家和地区的标准和规范对于工程师和设计者来说非常重要，以便能够根据具体情况进行合理的弯曲稳定性分析和设计。同时，通过开展国际合作和经验交流，可以促进弯曲稳定性分析方法的共享和发展，推动钢结构设计技术的不断进步。

4  荷载标准的差异性

结构设计中，合理的荷载标准是确保结构安全可靠性的重要组成部分。然而，不同的国家和地区在荷载标准的制定和应用上存在一定的差异。这些差异主要体现在荷载类型、设计值的确定以及设计方法的选择等方面。

首先，不同国家和地区的荷载标准可能包含的荷载类型各不相同。一般而言，常见的荷载类型包括恒载、活载、风载、地震载等。然而，由于各地的气候、地理环境和工程需求不同，荷载标准中可能会存在特定的地方性荷载，如雪载、冰载等。

其次，荷载标准在确定设计值时也存在差异。设计值通常是基于统计方法和安全概率理论计算得出的，以考虑结构在使用寿命内承受荷载的可靠性。不同国家和地区可能采用不同的统计方法和安全系数，以确定相应的设计值。这些差异可能导致不同国家和地区对于相同结构的设计要求存在一定的差异。

此外，荷载标准中的设计方法也可能存在差异。不同国家和地区可能采用不同的设计方法，如极限状态设计、变形限制设计等。这些设计方法的选择和应用可能受到不同国家和地区的规范和实践经验的影响。

另外，随着科技和工程领域的进步，一些新型荷载可能会引入到荷载标准中。例如，太阳能板荷载、移动设备荷载等。这些新荷载的引入可能需要不断更新和完善荷载标准，以适应新的工程需求和发展。

总之，荷载标准的差异性主要体现在荷载类型、设计值的确定以及设计方法的选择等方面。了解和掌握不同国家和地区的荷载标准是结构工程设计师和专业人员的重要任务之一，以确保结构的安全可靠性。同时，通过不断的研究和经验交流，可以推动荷载标准的共享和发展，促进结构设计技术的进步。

5  结语

本文详细介绍了结构设计的主要内容和相关要素，包括设计阶段、荷载分析、结构材料选择、结构体系、构件设计、结构施工等。通过对这些方面的分析和讨论，我们可以得出以下几个结论和总结。

首先，结构设计是一个系统性的工程过程，需要综合考虑各种因素，并在设计中做出科学合理的折衷。在设计阶段，设计师需要充分了解工程项目的需求和限制，分析并确定合适的设计方案。荷载分析是结构设计的基础，准确的荷载计算对于结构的安全性至关重要。在荷载分析过程中，需要考虑不同类型的荷载和其相互作用，以及不同荷载产生的影响。

其次，结构材料的选择对于结构的性能和可行性有着重要影响。设计师需要根据结构的要求和功能，选择适当的材料，如混凝土、钢材等，并进行合理的材料参数设定。在材料选择过程中，需要考虑材料的强度、耐久性、可塑性等因素。

此外，结构体系和构件设计是结构设计的核心环节。合理的结构体系能够分担荷载并保证结构的整体稳定性。在具体构件设计中，要充分考虑构件的受力和变形情况，并选择合适的尺寸、形状和布置方式。构件的连接和支承设计也至关重要，需要保证连接的强度和稳定性。

最后，结构施工是结构设计的实际实施过程，良好的施工质量对于结构的性能和可靠性有着直接影响。在施工过程中，需要严格按照设计要求进行操作，并对施工过程进行监督和控制。同时，及时的施工检测和验收是确保结构质量的重要环节。

综上所述，结构设计是一个复杂而重要的工程过程，需要考虑各种因素的综合影响。准确的荷载分析、合理的材料选择、科学的结构体系和构件设计以及良好的施工质量控制，是保证结构安全可靠性的关键要素。通过不断的研究和实践经验的积累，可以不断提升结构设计的水平和效率，为人们提供更安全和可持续的建筑和基础设施。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑抗震设计规范（2016年版)：GB50011－2010[S].北京:中国建筑工业出版社．2016．

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50017－2017钢结构设计标准［S］．北京:中国建筑工业出版社．2017．

[3] 葛小珲.中国标准与美国标准关于钢结构设计差异的浅析[J].四川建筑,2023,43(02):64-65+69.

[4] AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION．ANSI/AISC360-10,SPECIFICATION FOR STRUCTURAL STEEL BUILDINGS.PRINTED IN THE U.S.A,THE AISC COMMITTEE ON SPECIFICATIONS.2010．

[5] AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION．ANSI/AISC341-10,SPECIFICATION FOR STRUCTURAL STEEL BUILDINGS.PRINTED IN THE U.S.A,THE AISC COMMITTEE ON SPECIFICATIONS.2010．

---

 作者简介：吴亮，籍贯江苏淮安，1982年6月，大专，城市与道路工程专业，工程师，中铁十局秘鲁伊卡大桥项目副经理。