我國(guó)鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)軌的認(rèn)識(shí)與思考

周詩(shī)廣 張玉玲

（1鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院 工學(xué)博士，北京 100038；2中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究員，北京 100081）

1 關(guān)于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

一般而言，目前工程結(jié)構(gòu)比較成熟且廣泛使用的設(shè)計(jì)方法主要有容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法兩種。簡(jiǎn)而言之，容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法（Allowable Stress Design Method）是指按照結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在荷載作用下產(chǎn)生的斷面應(yīng)力不超過(guò)其材料的容許應(yīng)力的原則來(lái)決定結(jié)構(gòu)物斷面尺寸的方法;而極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（Limit State Design Method）則是首先明確定義結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在其施工和使用期內(nèi)喪失其預(yù)期功能的特定狀態(tài)（即該功能的極限狀態(tài)），為了降低出現(xiàn)該極限狀態(tài)的幾率而借助可靠性理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。

1.1 我國(guó)鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范主要沿用前蘇聯(lián)規(guī)范體系，采用的是容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)中將材料強(qiáng)度、荷載的不確定性等影響安全的各種因素采用籠統(tǒng)的單一安全系數(shù)來(lái)解決。這種處理方法的數(shù)學(xué)表達(dá)和計(jì)算方法簡(jiǎn)單明了，積累了多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)已形成穩(wěn)定可靠的設(shè)計(jì)模式和安全度。容許應(yīng)力法的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

隨著現(xiàn)代化鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，容許應(yīng)力法逐漸顯露出其不適應(yīng)性，主要體現(xiàn)在以下方面：

1）采用線性分析方法和完全彈性的材料力學(xué)特性，結(jié)構(gòu)所具有的真實(shí)性能和安全度不明確。

2）通過(guò)對(duì)材料強(qiáng)度采用一定的安全率折減方法來(lái)同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的安全性和使用性，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。

3）結(jié)構(gòu)變形、混凝土開(kāi)裂等應(yīng)力之外的性狀不能直接控制，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4）隨著鐵路“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施，由于設(shè)計(jì)平臺(tái)不同，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家基于極限狀態(tài)法的設(shè)計(jì)規(guī)范無(wú)法溝通和分析比較，阻礙鐵路技術(shù)的國(guó)際交流。

因此，容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)規(guī)范已不能很好地滿足當(dāng)前形勢(shì)下鐵路工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和國(guó)際化需求，非常有必要向極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)規(guī)范轉(zhuǎn)軌。

1.2 國(guó)內(nèi)外工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)狀

當(dāng)前美國(guó)、歐洲、日本、俄羅斯等主要國(guó)家的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范都采用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。世界上148個(gè)國(guó)家組成的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO）出臺(tái)的ISO 2394[1]（有關(guān)構(gòu)造物可靠性的一般原則）即為關(guān)于結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為各國(guó)編制規(guī)范起到引領(lǐng)作用。

美國(guó)公路運(yùn)輸協(xié)會(huì)的AASHTO LRFD規(guī)范是基于概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，1994—2006年與容許應(yīng)力法規(guī)范并行使用，2007年開(kāi)始完全采用極限狀態(tài)法規(guī)范。

歐洲規(guī)范是由歐洲標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)CEN/TC-250[2]組織編寫(xiě)的一套用于歐共體范圍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，是以EN1990為基礎(chǔ)的全套10卷60余冊(cè)歐洲規(guī)范EN1990—1999。2010年取代歐共體國(guó)家的規(guī)范而成為統(tǒng)一的規(guī)范。該規(guī)范第一本《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》（EN1990:2002）是其他9本規(guī)范有關(guān)極限狀態(tài)法的基礎(chǔ)性規(guī)范。

日本土木學(xué)會(huì)于1986年正式導(dǎo)入極限狀態(tài)法[3]，鐵路行業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范從1992年[4]開(kāi)始逐步采用，至2007年《鐵道構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)·同解說(shuō)》系列標(biāo)準(zhǔn)已基本過(guò)渡到與性能設(shè)計(jì)相結(jié)合的極限狀態(tài)法。

前蘇聯(lián)鐵道部科學(xué)研究院于1984年頒發(fā) 《蘇聯(lián)公路、鐵路、城市道路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用了可靠度理論，按極限狀態(tài)法進(jìn)行計(jì)算。

20世紀(jì)80年代起，我國(guó)在可靠性理論研究并吸收國(guó)外成果的基礎(chǔ)上，編制并頒布了《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50153-92），2008年又進(jìn)行了全面修訂。目前建筑、港口、水利水電和公路部門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范已采用了極限狀態(tài)法，各部門(mén)正在對(duì)各自行業(yè)的可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，并開(kāi)啟針對(duì)三層次設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的修編工作。其中，建筑結(jié)構(gòu)是我國(guó)率先采用以概率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法規(guī)范的部門(mén)，目前已能從可靠度指標(biāo)的角度與國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行類(lèi)比。

上述世界主要國(guó)家的規(guī)范編制和修訂情況表明，極限狀態(tài)設(shè)計(jì)是國(guó)際上工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)展的趨勢(shì)。從國(guó)內(nèi)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)展情況看，鐵路之外的各行業(yè)都在朝極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)規(guī)范方向發(fā)展，而且大部分已付諸實(shí)施且過(guò)渡平穩(wěn)。

2 推行鐵路工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的必要性

極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法是根據(jù)結(jié)構(gòu)失去應(yīng)有功能的破壞極限狀態(tài)，考慮影響結(jié)構(gòu)安全的各種因素，通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)方法和可靠性理論將各種影響因素形成多個(gè)分項(xiàng)安全系數(shù)進(jìn)行顯性表達(dá)，滿足達(dá)到指定的可接受的可靠度指標(biāo)，克服了容許應(yīng)力法單一安全系數(shù)無(wú)法反映復(fù)雜設(shè)計(jì)因素的不足。由于該方法能夠通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)跟蹤反映影響結(jié)構(gòu)安全的各種因素，明確結(jié)構(gòu)的可靠性水準(zhǔn)，量化施工和制造質(zhì)量指標(biāo)，并隨著工程數(shù)據(jù)的積累可持續(xù)優(yōu)化相應(yīng)系數(shù)，具有安全、經(jīng)濟(jì)、合理并能指導(dǎo)結(jié)構(gòu)建造和使用等特點(diǎn)，代表著我國(guó)現(xiàn)階段工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。極限狀態(tài)法的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

鐵路工程結(jié)構(gòu)采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，具有如下重要意義：

1）可以明確各專(zhuān)業(yè)的可靠性水準(zhǔn)，有明顯的量化指標(biāo)便于提高施工和制造質(zhì)量。

2）通過(guò)細(xì)化后分別設(shè)定安全系數(shù)，因此各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步可以在設(shè)計(jì)中得到更好的反映。

3）設(shè)計(jì)階段就能掌握構(gòu)筑物在何種狀態(tài)下存在多大程度的危險(xiǎn)，從薄弱點(diǎn)控制的角度便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)，還可用于結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性評(píng)價(jià)。

4）條件成熟時(shí)，可以調(diào)整各專(zhuān)業(yè)可靠度指標(biāo)，提高控制項(xiàng)點(diǎn)水平，降低保守項(xiàng)點(diǎn)指標(biāo)，使整個(gè)鐵路工程結(jié)構(gòu)體系協(xié)調(diào)、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)。

5）便于和國(guó)內(nèi)外先進(jìn)規(guī)范接軌，有利于我國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際上的推廣應(yīng)用。

因此，開(kāi)展對(duì)鐵路工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法研究，對(duì)解決當(dāng)前運(yùn)輸多元化條件下的安全設(shè)計(jì)及均衡控制、提高整體設(shè)計(jì)水平和實(shí)現(xiàn)中國(guó)鐵路“走出去”戰(zhàn)略意義重大。

3 鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)軌的工作基礎(chǔ)及存在的問(wèn)題

20世紀(jì)80年代，鐵道部就開(kāi)展了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)軌的基礎(chǔ)研究工作，對(duì)鐵路橋梁、隧道、路基、軌道專(zhuān)業(yè)等40余項(xiàng)配套課題進(jìn)行了研究，頒布了《鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50126—1994)，編制了基于極限狀態(tài)法的 《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》上冊(cè)（報(bào)批稿）、下冊(cè)（送審稿）；現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的單線整體式襯砌、《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的部分結(jié)構(gòu)也采用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。

現(xiàn)將目前橋梁、隧道、路基和軌道4大結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)有關(guān)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的研究進(jìn)展總結(jié)如下。

3.1 橋梁專(zhuān)業(yè)工作基礎(chǔ)

為編制橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，1987—1994年，對(duì)以可靠性理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，科研項(xiàng)目大體分為荷載研究、抗力研究、橋梁設(shè)計(jì)方案研究。這些研究中有的是基于統(tǒng)計(jì)分析，還有的是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論分析。作為研究成果，2000年編制完成了 《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（荷載和抗力系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法）上冊(cè)。

此后，1998—2001年，展開(kāi)了橋梁下部結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)研究工作。對(duì)矩形實(shí)體橋墩、圓端形空心橋墩按極限狀態(tài)法進(jìn)行了檢算，并與容許應(yīng)力法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了離散分析。研究結(jié)果為《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（下冊(cè)）的編制提供了可靠的依據(jù)。

3.2 隧道專(zhuān)業(yè)工作基礎(chǔ)

1989年，鐵道部建設(shè)司立項(xiàng)開(kāi)展了“以結(jié)構(gòu)可靠性理論為基礎(chǔ)修訂鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的可行性研究”，提出應(yīng)使隧道設(shè)計(jì)方法由半概率向近似概率法發(fā)展，提出開(kāi)展以“荷載－結(jié)構(gòu)”模型為基礎(chǔ)的專(zhuān)題研究。

為了實(shí)現(xiàn)隧道襯砌可靠度設(shè)計(jì)，找出設(shè)計(jì)中幾個(gè)主要隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)特征，建設(shè)司在20世紀(jì)90年代初立項(xiàng)開(kāi)展了5項(xiàng)基礎(chǔ)性研究:（1）深埋隧道荷載統(tǒng)計(jì)特征的研究；（2）淺埋（含偏壓）隧道荷載統(tǒng)計(jì)特征及結(jié)構(gòu)可靠度分析研究；（3）鐵路明洞荷載統(tǒng)計(jì)特征研究；（4）隧道襯砌混凝土偏壓構(gòu)件強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)特征及抗力計(jì)算公式的試驗(yàn)研究；（5）鐵路隧道襯砌幾何尺寸變異性的結(jié)構(gòu)可靠度分析。1997年，又進(jìn)行了“洞門(mén)可靠性設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軌研究”和“噴錨及復(fù)合襯砌可靠性設(shè)計(jì)方法及參數(shù)研究”。

基于上述各項(xiàng)基礎(chǔ)性研究成果和對(duì)現(xiàn)行單線隧道襯砌標(biāo)準(zhǔn)圖的可靠度指標(biāo)的校準(zhǔn)計(jì)算，鐵路隧道單線整體式襯砌的可靠性設(shè)計(jì)在隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中體現(xiàn)出來(lái)。雙線和噴錨復(fù)合襯砌由于荷載以及圍巖物性參數(shù)等統(tǒng)計(jì)特征尚未掌握，在設(shè)計(jì)規(guī)范中暫時(shí)還未能實(shí)現(xiàn)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

3.3 路基專(zhuān)業(yè)工作基礎(chǔ)

我國(guó)在鐵路路基方面進(jìn)行過(guò)可靠度研究工作的有鐵科院、西南交通大學(xué)和中鐵二院。鐵科院進(jìn)行了重力式擋土墻、路堤邊坡等方面的可靠度研究，得出了一些有意義的結(jié)論。西南交通大學(xué)和中鐵二院重點(diǎn)進(jìn)行了重力式擋土墻可靠度的研究。這些研究主要是對(duì)鐵路路基可靠度研究的探索，對(duì)鐵路路基極限狀態(tài)設(shè)計(jì)研究起到了示范作用。

2004—2007年，中鐵二院開(kāi)展了關(guān)于“支擋結(jié)構(gòu)可靠度研究”的科研。主要針對(duì)鐵路支擋結(jié)構(gòu)中廣泛使用的重力式擋土墻、預(yù)加固樁和抗滑樁的可靠度指標(biāo)進(jìn)行研究，確定了重力式擋土墻和預(yù)加固樁抗滑樁的目標(biāo)可靠度指標(biāo)，并提出荷載分項(xiàng)系數(shù)和抗力分項(xiàng)系數(shù)，建立了重力式擋土墻、預(yù)加固樁和抗滑樁的可靠性理論設(shè)計(jì)驗(yàn)算表達(dá)式。研究確定了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則和方法，提出了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)功能要求和標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 軌道專(zhuān)業(yè)工作基礎(chǔ)

目前我國(guó)軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論主要基于容許應(yīng)力法，現(xiàn)階段客運(yùn)專(zhuān)線無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)方法是以適當(dāng)拓展檢算內(nèi)容的容許應(yīng)力法為基礎(chǔ)，參照鐵路橋規(guī)等進(jìn)行設(shè)計(jì)檢算，極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)尚未應(yīng)用。軌道結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)理論在上世紀(jì)做過(guò)少量研究，后來(lái)因?yàn)檠芯恐谐霈F(xiàn)無(wú)法解釋的結(jié)果而終止。無(wú)砟軌道方面，德國(guó)橋上雷達(dá)無(wú)砟軌道，依據(jù)DIN1045（1988）規(guī)范的最新版 DIN1045－1（2001）采用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，日本板式無(wú)砟軌道也采用了基于極限狀態(tài)法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.5 轉(zhuǎn)軌工作存在的問(wèn)題

綜上所述，鐵路橋梁、隧道、路基、軌道工程結(jié)構(gòu)自20世紀(jì)80年代至今，都不同程度地開(kāi)展了基于可靠性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法研究，為即將開(kāi)展的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軌工作提供了寶貴的研究經(jīng)驗(yàn)并奠定了理論基礎(chǔ)，但距離真正實(shí)施還有相當(dāng)?shù)木嚯x。其主要原因是鐵路工程結(jié)構(gòu)建設(shè)發(fā)展很快，從列車(chē)荷載到新型材料、結(jié)構(gòu)形式都發(fā)生了巨大變化。具體表現(xiàn)如下。

1）橋梁研究的列車(chē)荷載主要是按照蒸汽機(jī)車(chē)考慮，動(dòng)力系數(shù)以運(yùn)營(yíng)內(nèi)燃/電力機(jī)車(chē)為背景，按照客車(chē)時(shí)速120 km、貨車(chē)時(shí)速80 km制定。沒(méi)有客運(yùn)專(zhuān)線 （高速鐵路）、城際軌道交通和重載鐵路的概念。

2）橋梁可靠度分析中的材料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，僅限于20世紀(jì)80年代建造橋梁所采用的材料技術(shù)數(shù)據(jù)。一方面，這些年材料生產(chǎn)工藝水平發(fā)生變化，所以現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不能體現(xiàn)目前橋梁的實(shí)際情況；另一方面，近年來(lái)廣泛使用的高性能混凝土、新型低合金鋼等新型材料沒(méi)有包括進(jìn)去。

3）橋梁結(jié)構(gòu)校準(zhǔn)是以20世紀(jì)80年代建造的標(biāo)準(zhǔn)橋梁為主，當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)特征與現(xiàn)在完全不同，得到的橋梁可靠度指標(biāo)分析結(jié)果已經(jīng)完全不能代表現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)真正的可靠度指標(biāo)，而對(duì)新型橋梁結(jié)構(gòu)形式則沒(méi)有任何研究數(shù)據(jù)。

4）鐵路隧道的研究，僅限于20世紀(jì)80年代普遍使用的時(shí)速小于140 km的單線隧道。而近年隧道主要采用雙線10 m以上寬度隧道，尤其是高速鐵路隧道寬度達(dá)15 m，其荷載情況完全不同；已進(jìn)行過(guò)的單線隧道研究不包含目前列車(chē)運(yùn)營(yíng)的各種速度情況。

5）鐵路路基和支擋結(jié)構(gòu)，有關(guān)可靠性理論極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法研究相對(duì)薄弱，僅從理論上作了一些探討，設(shè)計(jì)參數(shù)基本沒(méi)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其原因是取得鐵路路基實(shí)際工程參數(shù)難度大，數(shù)據(jù)離散大，規(guī)律性不強(qiáng)，造成分析難度也大；進(jìn)而使得相應(yīng)設(shè)計(jì)分析方法不夠完善。

6）鐵路軌道結(jié)構(gòu)在可靠性理論極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法研究方面進(jìn)展最慢，上世紀(jì)僅對(duì)混凝土軌枕做過(guò)一些計(jì)算分析，沒(méi)有形成成果。由于直接承受列車(chē)輪載，加之新型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的引入和研發(fā)，軌道結(jié)構(gòu)情況變得更為復(fù)雜。

7）關(guān)注重點(diǎn)發(fā)生了變化。上世紀(jì)進(jìn)行可靠性理論極限狀態(tài)研究時(shí)，比較關(guān)注強(qiáng)度方面的承載能力極限狀態(tài)，指標(biāo)相對(duì)單一。沒(méi)有考慮目前鐵路采用的高速鐵路等客運(yùn)專(zhuān)線所強(qiáng)調(diào)的平穩(wěn)性、耐久性等檢算項(xiàng)目。

鑒于此，2008—2010年，鐵道部建設(shè)司立項(xiàng)開(kāi)展了“鐵路工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)通用方法及專(zhuān)業(yè)參數(shù)處理分析研究”。2009年和2010年，為分析開(kāi)展極限狀態(tài)法規(guī)范轉(zhuǎn)軌的研究框架，部科技司分別立項(xiàng)進(jìn)行了“鐵路工程結(jié)構(gòu)基于極限狀態(tài)理論設(shè)計(jì)體系的研究”和“鐵路工程結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法研究”。

4 轉(zhuǎn)軌工作的推進(jìn)思路

容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)規(guī)范向極限狀態(tài)規(guī)范轉(zhuǎn)軌，實(shí)際上是先建立一個(gè)極限狀態(tài)法的概念體系和設(shè)計(jì)體系。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的核心，是將龐大的實(shí)際工程數(shù)據(jù)定量地在設(shè)計(jì)表達(dá)式中通過(guò)參數(shù)的形式表達(dá)出來(lái)，具有自下而上（工程支持設(shè)計(jì)）和自上而下（設(shè)計(jì)指導(dǎo)工程）的可循環(huán)的功能。鑒于鐵道行業(yè)已具備一定的工作基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)建筑、公路等其他行業(yè)已積累豐富的先行經(jīng)驗(yàn)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已奠定了先進(jìn)的理念和研究成果，在此基礎(chǔ)上結(jié)合我國(guó)集中力量辦大事的體制優(yōu)勢(shì)，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)應(yīng)能成功實(shí)施轉(zhuǎn)軌工作。

為此，轉(zhuǎn)軌工作應(yīng)依據(jù)可靠度校準(zhǔn)法原理，通過(guò)保證現(xiàn)行設(shè)計(jì)的安全水準(zhǔn)，首先實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軌的平穩(wěn)過(guò)渡；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)積累、工程經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)進(jìn)步的不斷完善，建立基于極限狀態(tài)法的新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系。具體而言，可采取以下的“兩步走”工作思路。

4.1 第一步——形式轉(zhuǎn)軌階段

規(guī)范最初的轉(zhuǎn)軌采用校準(zhǔn)法。校準(zhǔn)法就是在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的制定過(guò)程中，以目前規(guī)范的容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)水平為基準(zhǔn)，對(duì)各專(zhuān)業(yè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)通過(guò)研究進(jìn)行轉(zhuǎn)軌，對(duì)統(tǒng)計(jì)條件不成熟者則直接轉(zhuǎn)換，并保證采用新設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與原規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)水平相當(dāng)，形成總體一步到位的有效、平穩(wěn)的工作框架。

本階段的工作重點(diǎn)，一是在梳理既有極限狀態(tài)法相關(guān)研究成果的同時(shí)，大力開(kāi)展各專(zhuān)業(yè)通用的基礎(chǔ)研究工作；二是確定橋梁、隧道、路基、軌道各專(zhuān)業(yè)的轉(zhuǎn)軌具體方案并開(kāi)展相關(guān)試設(shè)計(jì)等準(zhǔn)備工作，為完成形式轉(zhuǎn)軌的標(biāo)準(zhǔn)制定奠定基礎(chǔ)。

本階段的工作目標(biāo)是完成現(xiàn)行《鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的全面修訂工作，該標(biāo)準(zhǔn)是構(gòu)建鐵路工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)統(tǒng)一的概念體系和方法體系的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)指導(dǎo)各專(zhuān)業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范編制工作具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，完成鐵路橋梁、隧道、路基、軌道極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)暫行規(guī)定的編制工作。

4.2 第二步——優(yōu)化校準(zhǔn)階段

在形式轉(zhuǎn)軌的基礎(chǔ)上，對(duì)于形式一步到位部分，則采取后期積累經(jīng)驗(yàn)、逐步完善的做法。在各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)暫行規(guī)定發(fā)布后與容許應(yīng)力法并行使用的一定期間內(nèi)，全面開(kāi)展各專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)科研工作。對(duì)設(shè)計(jì)暫行規(guī)定中的參數(shù)予以修正和優(yōu)化。

本階段的工作重點(diǎn)，一是廣泛開(kāi)展荷載、抗力等的數(shù)據(jù)采集工作，為參數(shù)修正提供依據(jù)；二是各專(zhuān)業(yè)進(jìn)行建立計(jì)算模型和完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論研究工作；三是通過(guò)試設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)驗(yàn)證）考察和確認(rèn)新規(guī)范的適應(yīng)性，完成相對(duì)實(shí)質(zhì)性的極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)軌。在各項(xiàng)科研和暫行規(guī)定實(shí)踐的成果基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)暫行規(guī)定進(jìn)行優(yōu)化完善。

本階段的工作目標(biāo)是編制完成鐵路橋梁、隧道、路基、軌道各專(zhuān)業(yè)的極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)規(guī)范并建立工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)，形成正式的基于極限狀態(tài)法的鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系。

5 轉(zhuǎn)軌工作的相關(guān)建議

鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)軌，橫向涉及橋梁、隧道、路基、軌道各專(zhuān)業(yè)，縱向涵蓋研究、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等系列工作，是一項(xiàng)牽涉面廣、工作量大且影響深遠(yuǎn)的系統(tǒng)工程。為實(shí)現(xiàn)順利完成轉(zhuǎn)軌的工作目標(biāo)，轉(zhuǎn)軌應(yīng)整合行政資源，集中科研、設(shè)計(jì)單位的精兵強(qiáng)將，舉全路之力高質(zhì)量、高效率地開(kāi)展相關(guān)課題研究和標(biāo)準(zhǔn)編制等相關(guān)工作?；谧髡叩墓ぷ鹘?jīng)驗(yàn)和體會(huì)，特提出如下建議，以資參考。

1）轉(zhuǎn)軌工作的系統(tǒng)性和技術(shù)性很強(qiáng)，建議鐵道部成立專(zhuān)門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)小組以統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)軌的相關(guān)工作；各單位遴選技術(shù)骨干，成立橋梁、隧道、路基、軌道各專(zhuān)業(yè)的工作小組，具體承擔(dān)轉(zhuǎn)軌科研和規(guī)范編制工作，從組織上為轉(zhuǎn)軌工作的順利實(shí)施提供保證。

2）制定極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法轉(zhuǎn)軌工作的總體推進(jìn)計(jì)劃，明確各相關(guān)部門(mén)的工作職責(zé)和各專(zhuān)業(yè)的節(jié)點(diǎn)工作目標(biāo)，相關(guān)單位各司其責(zé)，有計(jì)劃、有步驟地開(kāi)展各項(xiàng)工作。

3）規(guī)范轉(zhuǎn)軌離不開(kāi)科研的支撐，而極限狀態(tài)方法研究難度較大，建議在前期研究成果的基礎(chǔ)上，鐵道部安排專(zhuān)項(xiàng)資金根據(jù)需要開(kāi)展有關(guān)可靠性理論應(yīng)用等的深化研究工作。

4）轉(zhuǎn)軌工作的總體指導(dǎo)思想及各專(zhuān)業(yè)實(shí)施技術(shù)方案，應(yīng)在積極吸納國(guó)內(nèi)其他行業(yè)轉(zhuǎn)軌的成功經(jīng)驗(yàn)和借鑒歐洲、日本等國(guó)的先進(jìn)理念和技術(shù)路線的基礎(chǔ)上再行審定，充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，以少走彎路并立足高起點(diǎn)。比如安全度表達(dá)是采用分項(xiàng)安全系數(shù)還是可靠度指標(biāo)β等，國(guó)內(nèi)外存在爭(zhēng)論，因此有必要重視和加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)軌的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)題調(diào)研工作。

5）由于極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)計(jì)算遠(yuǎn)較容許應(yīng)力法復(fù)雜而多樣，為了方便工程設(shè)計(jì)人員使用并避免結(jié)構(gòu)計(jì)算出現(xiàn)可能的混亂局面，作為轉(zhuǎn)軌工作的附帶成果，橋梁、隧道、路基、軌道各專(zhuān)業(yè)基于極限狀態(tài)法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)統(tǒng)一研發(fā)并編制典型算例，軟件與算例應(yīng)與設(shè)計(jì)規(guī)范同時(shí)推出。

6）長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鐵路采用容許應(yīng)力法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，熟諳極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的技術(shù)人員相對(duì)匱乏。因此，轉(zhuǎn)軌過(guò)程中應(yīng)以前述工作小組為核心，加強(qiáng)規(guī)范編制成員和相關(guān)研究人員極限狀態(tài)設(shè)計(jì)基本原理、轉(zhuǎn)軌總體規(guī)劃、研究技術(shù)路徑等相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，并使得這支隊(duì)伍在轉(zhuǎn)軌工作完成后，成為今后規(guī)范宣貫的主力和各院開(kāi)展工程設(shè)計(jì)的中堅(jiān)。

7）極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是未來(lái)可能導(dǎo)入的性能檢算設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等的基礎(chǔ)和手段，因此，完成極限狀態(tài)法轉(zhuǎn)軌工作還只是我國(guó)鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)朝著國(guó)際接軌方向所邁出的第一步。為了及時(shí)跟蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、妥善解答國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)單位的技術(shù)疑難問(wèn)題，建議鐵道部成立以極限狀態(tài)法為主要研究對(duì)象的常設(shè)咨詢機(jī)構(gòu)，處理與此相關(guān)的日常技術(shù)事宜。

6 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鐵路系統(tǒng)一直沿襲自前蘇聯(lián)引進(jìn)的容許應(yīng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其間1985—1997年，鐵道部開(kāi)展過(guò)一次以結(jié)構(gòu)可靠度理論為指導(dǎo)的鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂工作，但因種種原因未能取得預(yù)期效果。

本文從闡述國(guó)內(nèi)外工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)狀入手，在鐵路工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軌的必要性說(shuō)明基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了鐵路行業(yè)橋梁、隧道、路基、軌道各結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)轉(zhuǎn)軌的工作基礎(chǔ)及存在的問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)提出了轉(zhuǎn)軌工作的推進(jìn)思路，最后結(jié)合作者的思考和體會(huì)給出了轉(zhuǎn)軌工作的相關(guān)建議。希望能為今后相關(guān)政策和方案的制定提供有益的參考。

[1]ISO/TC98/SC2：General Principles on Reliability for Structures[S]，ISO/FDIS 2394，1998

[2]CEN：Eurocode 1，Basis of Design and Actions on Structure-Part 1：Basis of Design[S]，ENV1991-1，1994

[3]日本土木學(xué)會(huì).コンクリート標(biāo)準(zhǔn)示方書(shū)[S]，1986

[4]日本鉄道総合技術(shù)研究所.鉄道構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)·同解説 コンクリート構(gòu)造物[S]，1992