中俄規(guī)范在鐵路鋼桁梁橋設(shè)計中的應用研究

張海榮

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

中俄規(guī)范在鐵路鋼桁梁橋設(shè)計中的應用研究

張海榮

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

在某國際鐵路鋼桁梁橋設(shè)計過程中，對中、俄兩國現(xiàn)行橋梁設(shè)計規(guī)范計算結(jié)果進行對比，同時，采用中國試行極限狀態(tài)法規(guī)范進行試算，比較3種規(guī)范的差異性和計算結(jié)果的安全儲備。中國兩種規(guī)范設(shè)計結(jié)果安全儲備相差不大，而與俄方規(guī)范相比，不同檢算項目相差較大，俄方規(guī)范對壓桿強度控制更為嚴格，中國規(guī)范對疲勞強度控制更為嚴格。

國際鐵路；鋼桁梁；俄羅斯規(guī)范；極限狀態(tài)法設(shè)計

在參與國際鐵路建設(shè)項目時，必須熟悉不同國家的設(shè)計規(guī)范，這是我們進入國際市場的必要條件。筆者在從事某國際鐵路橋的設(shè)計工作過程中，對中俄兩國的橋梁設(shè)計規(guī)范，尤其是鋼桁梁的設(shè)計規(guī)定，進行了較為詳細的應用研究。在此，重點介紹中俄兩國規(guī)范中有關(guān)橋梁設(shè)計、特別是鋼桁梁設(shè)計方面的差異性和檢算結(jié)果對比情況，以供從事國際鐵路橋梁設(shè)計工作時參考。同時，把按照我國鐵路橋梁試行極限狀態(tài)法規(guī)范計算的情況一并做了對比，期望在新規(guī)范試行過程中積累更多的驗證實例。

1 中國規(guī)范與俄羅斯規(guī)范差異性

1.1 規(guī)范的設(shè)計理論

我國現(xiàn)行的鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范，最早形成于1950年，是以前蘇聯(lián)鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范為藍本制定的，后經(jīng)中國工程師結(jié)合本國工程實踐不斷研究、試驗、完善，逐步修訂形成了現(xiàn)行系列規(guī)范。這一系列規(guī)范是以容許應力法為基礎(chǔ)的。

容許應力法產(chǎn)生于1826年，將材料視為線彈性體，通過對材料強度的折減來保證結(jié)構(gòu)的使用可靠性，此折減系數(shù)即為安全系數(shù)。

俄羅斯現(xiàn)行規(guī)范采用原蘇聯(lián)國家建設(shè)委員會1984年頒發(fā)的《公路、鐵路、城市道路橋涵設(shè)計規(guī)范》(2.05.03—84)，是以可靠度理論為基礎(chǔ)，按極限狀態(tài)理論進行設(shè)計。

基于可靠度理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行計算。承載能力極限狀態(tài)是以塑性理論為基礎(chǔ)，要求荷載效應不利組合的設(shè)計值小于或等于結(jié)構(gòu)抗力效應的設(shè)計值；而正常使用極限狀態(tài)是以彈性理論或彈塑性理論為基礎(chǔ)。

比較而言，極限狀態(tài)法是將容許應力法中籠統(tǒng)的單一安全系數(shù)分解為抗力和荷載兩方面，并且對不同的抗力和不同的荷載原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，對結(jié)構(gòu)所處的不同工作狀態(tài)，采用不同的荷載系數(shù)、材料抗力系數(shù)進行設(shè)計，以取得更科學合理的設(shè)計和更好的經(jīng)濟效益。我國鐵路橋梁基于可靠度理論的極限狀態(tài)法設(shè)計規(guī)范正在試行階段。

1.2 荷載標準值比較

除了設(shè)計理論不同外，中俄兩國規(guī)范規(guī)定的荷載標準值也存在差異，但中國容許應力法和鐵路橋梁試行極限狀態(tài)法的荷載標準值基本相同。比較中俄規(guī)范，對鋼梁設(shè)計影響比較大的主要是列車活載、動力系數(shù)和橫向搖擺力。

(1)列車豎向靜活載標準值

兩國鐵路接軌后，要能同時通行兩個國家的列車。在本文討論的項目中，首先分析了中俄兩國實際通行的列車。中國列車軸重220 kN，俄羅斯列車軸重226 kN，軸重比較接近。中國牽引質(zhì)量是5 000 t(61節(jié)車廂，長度850 m)，俄羅斯牽引質(zhì)量是6 000 t(71節(jié)車廂，長度1 050 m)，每延米質(zhì)量也比較接近。但是，中俄兩國規(guī)范中給出的活載標準值相差很大。

由于俄方規(guī)范中沒有給出具體的活載圖示，所以將“中-活載”與俄CK活載不同加載長度的換算均布活載效應進行比較，如圖1、圖2所示。

圖1 端部換算均布活載K0

圖2 跨中換算均布活載K0.5

比較可知，俄CK荷載效應是“中-活載”效應的1.28～1.66倍。這么大的活載差異從何而來？對比兩國規(guī)范發(fā)現(xiàn)，俄方規(guī)范活載標準值已經(jīng)考慮了機車車輛的發(fā)展，而中方容許應力法規(guī)范中要額外考慮預留活載發(fā)展系數(shù)n和活載發(fā)展均衡系數(shù)η。要求設(shè)計時，應將基本容許應力增加20%，橋跨結(jié)構(gòu)中所有主要桿件承擔超量活載的能力基本一致，以便在長期使用中，適應機車車輛質(zhì)量增長及特種超重列車通過的需要。也就是說，這個預留活載發(fā)展系數(shù)n應大于1.2。但具體到每個橋，這個預留活載發(fā)展系數(shù)是不相同的。我國鐵路橋梁試行極限狀態(tài)法規(guī)范對此進行了調(diào)整，“中-活載”標準值與容許應力法相同，但活載分項系數(shù)采用1.5，同時還要按鋼材強度設(shè)計值增加20%考慮活載發(fā)展系數(shù)，這樣，按鐵路橋梁極限狀態(tài)法設(shè)計時活載的效應就增大許多。

(2)列車豎向動力作用

①采用“中-活載”計算

強度計算時：1+μ=1+28/(40+L)

疲勞檢算時：1+μf=1+18/(40+L)

②采用俄CK活載計算

強度計算時：1+μ=1+18/(30+λ)，但不得小于1.15；

疲勞檢算時：1+μf=(1+2/3μ)；

式中L或λ，除承受局部活載桿件為影響線加載長度外，其余均為橋梁跨度。在按俄方規(guī)范進行疲勞計算時，活載必須乘以ε系數(shù)，且ε與動力系數(shù)的乘積不應小于1。當λ在10～25 m范圍內(nèi)時ε=0.85，當λ≤5 m或λ≥50 m時，ε=1.0，對于λ的中間值可內(nèi)插計算。

③中、俄動力系數(shù)比較

對于不同跨度，分別按中、俄規(guī)范計算的動力系數(shù)比較見圖3。

圖3 中俄規(guī)范計算動力系數(shù)比較

從圖中看出，對于強度計算，兩國規(guī)范的動力系數(shù)比較接近，在跨度小于144 m時中國規(guī)范比俄方規(guī)范略大，在跨度小時最大超出約8%。對于疲勞計算，當不考慮活載調(diào)整系數(shù)ε時，兩國規(guī)范計算出的動力系數(shù)比較接近，中國規(guī)范計算值略大。但考慮ε系數(shù)后，在跨度小于50 m時，兩國規(guī)范相差較大，中國規(guī)范計算結(jié)果比俄方規(guī)范最大超出23%。這主要是由于俄方規(guī)范中標準活載已考慮預留活載發(fā)展，且預留軸重比實際運行的軸重要大很多，所以在疲勞計算時，10～25 m加載長度范圍內(nèi)活載效應折減較多。

(3)橫向搖擺力標準值

我國《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》規(guī)定，搖擺力作應取100 kN，作為一個集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面，且搖擺力作為主力，要考慮和其他附加力如風力進行組合。

俄方規(guī)范規(guī)定，鐵路列車橫向搖擺力按0.59KkN/m(K=14)施加在軌道頂面高度上的均布荷載計算，且與離心力、制動力和風力都不進行組合。

1.3荷載分項系數(shù)、荷載組合系數(shù)、抗力分項系數(shù)及設(shè)計安全系數(shù)比較

極限狀態(tài)法把容許應力法中單一的安全系數(shù)轉(zhuǎn)化為與荷載、組合和材料有關(guān)的三個系數(shù)，并根據(jù)定義賦予不同的名稱，中俄規(guī)范采用的系數(shù)定義略有不同。這里以承載能力極限狀態(tài)設(shè)計的幾種常規(guī)組合為例，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，對3種規(guī)范采用的系數(shù)進行對比。篇幅所限，計算具體公式和參數(shù)說明可參見各自規(guī)范。

(1)荷載分項系數(shù)

中國現(xiàn)行容許應力法規(guī)范中，各種工況組合均不考慮荷載分項系數(shù)，直接按荷載標準值計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和設(shè)計應力。

在俄方規(guī)范中，荷載分為恒載及不變的影響力、臨時荷載及影響力、其他荷載三大類，在按各種極限狀態(tài)進行計算時，要計入荷載可靠度系數(shù)γf。

在中國鐵路橋梁極限狀態(tài)法設(shè)計試行規(guī)范中，荷載分為永久荷載、基本可變荷載、其他可變荷載、偶然荷載四大類。在各種極限狀態(tài)組合時，要分別計入永久荷載分項系數(shù)γG和可變荷載分項系數(shù)γQ。

本文用到的兩國規(guī)范的荷載可靠度系數(shù)或分項系數(shù)比較見表1。

表1 荷載分項系數(shù)和荷載可靠度系數(shù)比較

注：當對結(jié)構(gòu)的承載能力為有利作用時，其永久荷載效應的分項系數(shù)采用括號內(nèi)數(shù)值。

上表中承載能力極限狀態(tài)的5種基本組合按中國鐵路橋梁試行極限狀態(tài)法規(guī)范說明如下。

組合Ⅰ：永久作用設(shè)計值效應與基本可變作用設(shè)計值效應相組合；

組合Ⅱ：永久作用設(shè)計值效應與其他可變作用設(shè)計值效應相組合；

組合Ⅲ：永久作用設(shè)計值效應與基本可變作用設(shè)計值效應與風載設(shè)計值效應相組合；

組合Ⅳ：永久作用設(shè)計值效應與基本可變作用設(shè)計值效應與溫度設(shè)計值效應相組合；

組合Ⅴ：永久作用設(shè)計值效應與施工荷載設(shè)計值效應與其他可變作用設(shè)計值效應的效應相組合。

比較可見，活載分項系數(shù)差異比較大。中國極限狀態(tài)法在延續(xù)容許應力法的情況下，采用了較高的列車活載分項系數(shù)，而俄方規(guī)范因為活載標準值本身已經(jīng)考慮了預留活載發(fā)展，所以采用了較小的列車活載可靠度系數(shù)。

(2)荷載組合系數(shù)、抗力分項系數(shù)(材料可靠度系數(shù))和結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

對于荷載組合系數(shù)，3種規(guī)范根據(jù)荷載同時出現(xiàn)的幾率大小，做了詳細規(guī)定。與中國鐵路橋梁試行極限狀態(tài)法規(guī)范的最大差別是，俄方規(guī)范規(guī)定當考慮2個及以上可變荷載時，其中一個可變荷載為0.8，其他荷載為0.7。也就是說，在組合其他可變荷載時，俄方規(guī)范對車輛活載作用也進行了折減。

按容許應力法進行鋼梁設(shè)計時，工況分別按主力、主力+附加力、主力+特殊荷載進行組合計算，將設(shè)計應力與鋼材容許應力進行比較，檢查結(jié)構(gòu)是否安全。不同外力組合采用不同的容許應力提高系數(shù)。鋼材的基本容許應力對屈服強度的安全系數(shù)，各鋼號基本上都采用1.7左右。

中國鐵路橋梁試行極限狀態(tài)法規(guī)范在計算荷載組合時，除荷載分項系數(shù)、荷載組合系數(shù)外，還要考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)代表不同的安全等級，是對荷載和抗力分項系數(shù)綜合分析后確定的，本項目鋼梁，因為跨度大結(jié)構(gòu)復雜，故按一級考慮，γ0=1.1。計算結(jié)構(gòu)抗力時，要考慮材料抗力系數(shù)γfak， Q370qE鋼材γfak=1.25。

按俄方規(guī)范計算鋼構(gòu)件抗力時，要考慮材料的可靠度系數(shù)γm和工作條件系數(shù)m，但沒有結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。按俄方規(guī)范用于北方A型結(jié)構(gòu)的鋼材，γm=1.125，m=0.9。

1.4 鋼梁有關(guān)計算規(guī)定的差異

(1)梁體的水平撓度控制標準不同

我國《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》規(guī)定“在列車橫向搖擺力、離心力和風力的作用下，梁體的水平撓度應小于或等于梁體計算跨度的1/4 000”，俄方規(guī)范對此沒有明確規(guī)定。

(2)鋼桁梁橫向受風面積規(guī)定不同

兩國規(guī)范中，鋼桁梁橫向風力作用下的受風面積填充系數(shù)不同，中方現(xiàn)行容許應力法規(guī)范中為0.4，試行極限狀態(tài)法中為0.2～0.4，并可根據(jù)桁架實際擋風面積進行計算確定；俄方規(guī)范中為0.2。這成為影響雙方橫向位移計算難于達成一致的主要原因，從應用看，中方極限狀態(tài)法的規(guī)定對不同桁架結(jié)構(gòu)的適應性更強，也更為合理。

(3)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時計算截面特性取用不同

中國規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)變形和壓桿的強度、穩(wěn)定計算采用毛截面，拉桿的強度和疲勞計算采用凈截面。俄方規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)變形和桿件的穩(wěn)定、疲勞計算采用毛截面，桿件的強度計算采用凈截面，而與桿件所受拉力或壓力性質(zhì)無關(guān)，這點區(qū)別對疲勞和壓桿的強度計算結(jié)果影響較大。

(4)疲勞計算方法不同

《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》采用考慮累計損傷的分細節(jié)應力幅容許應力設(shè)計法，根據(jù)我國長期試驗研究，規(guī)定了各種構(gòu)件或連接的疲勞容許應力幅。

試行極限狀態(tài)法規(guī)范規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)疲勞極限狀態(tài)按等效等幅重復應力法進行檢算，當檢算不能通過時，再用極限損傷度法檢算。這一版規(guī)范不但建立了疲勞應力譜和極限損傷度應力譜，還進一步完善了各種聯(lián)接形式的疲勞破壞試驗數(shù)據(jù)。

而俄方規(guī)范對于鋼結(jié)構(gòu)及其聯(lián)結(jié)構(gòu)件的疲勞計算，采用的是最大應力限制。雖然疲勞計算公式中，也引入了與影響線加載長度、鋼號、加載方式、構(gòu)件連接形式等有關(guān)的系數(shù)，但與疲勞破壞的關(guān)系并不十分清晰。

2 采用中、俄規(guī)范進行鋼梁設(shè)計計算情況的比較

2.1 研究對象的基本技術(shù)條件

本文以計算跨度144 m單線下承式簡支鋼桁梁為例，就主桁弦桿計算，分別列舉了3種規(guī)范的設(shè)計結(jié)果。計算中采用了中國鋼材的性能指標，所不同的是，采用“中-活載”加載時按中國規(guī)范進行計算，采用俄CK活載加載時按俄方規(guī)范進行計算。144 m單線下承式簡支鋼桁梁桁架形式如圖4所示。

圖4 144 m簡支鋼桁梁主桁結(jié)構(gòu)形式(單位：mm)

根據(jù)中國規(guī)范規(guī)定，對于簡支鋼桁梁，桿件高度與長度之比大于1/10時應考慮節(jié)點剛性的影響；根據(jù)俄方規(guī)范，桿件高度與長度之比大于1/15時應考慮節(jié)點剛性的影響。綜合考慮兩國規(guī)定，上述桁架的下弦桿應考慮節(jié)點剛性的影響，上弦桿可按鉸接計算。

2.2 鋼桁梁設(shè)計計算情況

為比較不同規(guī)范計算結(jié)果的安全儲備，選取各個規(guī)范的控制工況，計算了桿件各截面設(shè)計值與容許值的比值，并繪制成曲線。

(1)上弦桿受壓強度計算

上弦桿受壓強度計算的比較情況詳見圖5。

比較來看，中國規(guī)范的容許應力法和試行極限狀態(tài)法計算結(jié)果基本一致，且有一定優(yōu)化空間。而按照俄方規(guī)范，強度設(shè)計值已接近容許值，主要原因是按俄方規(guī)范計算受壓桿件強度時，采用了扣除栓孔影響的凈截面。由此可見，壓桿強度檢算，俄方規(guī)范更為保守。

(2)上弦桿受壓穩(wěn)定性計算

上弦桿受壓穩(wěn)定性計算的比較情況詳見圖6。

從圖上曲線看，3種規(guī)范對桿件受壓穩(wěn)定性計算結(jié)果比較接近，俄方規(guī)范略保守些。

圖5 上弦桿強度計算結(jié)果曲線比較

圖6 上弦桿穩(wěn)定計算結(jié)果曲線比較

(3)下弦桿受拉強度計算

下弦桿受拉強度計算的比較情況詳見圖7～圖8。

從圖上曲線看，不考慮節(jié)點剛性影響的次應力時，中國規(guī)范計算結(jié)果比俄方規(guī)范計算結(jié)果更控制設(shè)計，按俄方規(guī)范計算結(jié)果看結(jié)構(gòu)仍有一定優(yōu)化空間，兩國規(guī)范計算結(jié)果的差異約6%?？紤]節(jié)點剛性影響的次應力后，3種規(guī)范計算結(jié)果安全度比較接近。從鉸接模型與剛接模型的計算對比可以看出，中國容許應力法與試行極限狀態(tài)法計算比較一致，且主力組合更控制設(shè)計，主力組合與主力+次應力組合設(shè)計結(jié)果差異約10%；而按俄方規(guī)范計算時，兩者結(jié)果非常接近，且考慮節(jié)點剛性影響的結(jié)果更為控制設(shè)計，這與俄方規(guī)范中對于節(jié)點剛度產(chǎn)生的彎矩應減小20%進行組合計算的規(guī)定有關(guān)。

圖7 下弦桿強度計算結(jié)果曲線比較(鉸接)

圖8 下弦桿強度計算結(jié)果曲線比較(剛接)

(4)下弦桿疲勞強度計算

下弦桿受拉疲勞強度計算的比較情況詳見圖9～圖10。

疲勞計算時，3種規(guī)范差異比較大，從圖9和圖10可以看出，試行極限狀態(tài)法規(guī)范最為嚴格，容許應力法次之，俄方規(guī)范最為寬松。而且，在采用試行極限狀態(tài)法規(guī)范計算疲勞強度時，年運量的影響很大。對本橋而言，當年運量標準較高時，試行極限狀態(tài)法與容許應力法計算結(jié)果差異會更大。比較鉸接模型和剛接模型計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，考慮節(jié)點剛性影響時更控制設(shè)計。而且，考慮節(jié)點剛性影響后，按試行極限狀態(tài)法計算時，部分桿件疲勞強度略超出容許值，主要原因在于試行極限狀態(tài)法規(guī)范對構(gòu)造系數(shù)k3取值的規(guī)定：鉸接模型下弦桿取0.8，當采用空間剛接模型計算時取1.0，而對容許值沒有調(diào)整。

圖9 下弦桿疲勞計算結(jié)果曲線比較(鉸接)

圖10 下弦桿疲勞計算結(jié)果曲線比較(剛接)

3 結(jié)論和建議

(1)中俄兩國規(guī)范基礎(chǔ)理論不同，活載標準值不同，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制情況會有所不同。

(2)從本文研究的對象看，除疲勞強度外，中國現(xiàn)行容許應力法與試行極限狀態(tài)法設(shè)計結(jié)果安全儲備相差不大，而與俄方極限狀態(tài)法計算結(jié)果相比，不同檢算項目相差較大。俄方規(guī)范對壓桿強度控制更為嚴格，而中國規(guī)范對疲勞強度控制更為嚴格。但是，按鐵路橋梁試行極限狀態(tài)法規(guī)范進行疲勞強度計算是否會引起普速橋梁結(jié)構(gòu)用鋼量增加還有待進一步研究。

4 結(jié)語

鐵路作為節(jié)能環(huán)保的交通方式，逐步得到世界各國的關(guān)注，國際鐵路項目逐漸增多，應用不同的規(guī)范體系進行設(shè)計是設(shè)計人員經(jīng)常會遇到的問題。本文研究

了中、俄方橋梁設(shè)計規(guī)范的主要差異，對比了應用兩國規(guī)范進行簡支鋼桁梁設(shè)計的計算結(jié)果，比較了不同檢算項目的安全儲備量，對類似工程項目的技術(shù)經(jīng)濟性研究和規(guī)范標準采用有一定參考作用。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3] 前蘇聯(lián)國家建設(shè)委員會編.СНиП 2.05.03-84 公路、鐵路、城市道路橋涵設(shè)計規(guī)范[S].畢旌揚，譯.北京：交通部公路規(guī)劃設(shè)計院，1991．

[4] 鐵總建設(shè)[2014]149號 Q/CR9300-2014 鐵路橋涵極限狀態(tài)法設(shè)計暫行規(guī)范[S].北京：中國鐵路總公司，2014.

[5] 馮德泉.中俄鐵路設(shè)計標準對比與分析[J].鐵道標準設(shè)計，2012(6)．

[6] 周四思.《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1-2005)若干問題的說明[J].鐵道標準設(shè)計，2006(3)．

[7] 周尚猛，李亞東.國內(nèi)外鐵路橋梁規(guī)范抗疲勞設(shè)計方法分析[J].鐵道標準設(shè)計，2010(3)．

[8] 陶曉燕，張玉玲.鐵路鋼橋結(jié)構(gòu)疲勞極限狀態(tài)設(shè)計方法研究[J].鐵道工程學報，2014(5)．

[9] 項海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京：人民交通出版社，2001．

[10] 鐵道專業(yè)設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊(鋼橋)[M].北京：中國鐵道出版杜，2003．

Application of Chinese and Russian Specifications in the Design of Railway Steel Truss Bridge

Zhang Hairong

(The Third Railway Survey And Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

In an international railway steel truss bridge design， both Chinese and Russian design code were employed， and the Chinese Interim code for limit state design was also used. The comparison of the differences and calculation results of the three codes show that two Chinese design results are similar in safety reservation. While the comparison with Russian specification shows that the results are much different for different item. For the strength of compression bar， Russian code is tighter， while， for the fatigue strength of tension bar， Chinese code is stricter.

International railway; Steel truss girder; Russian code; Limit state design

2014-08-26

張海榮(1970—)，女，高級工程師，1996年畢業(yè)于天津大學流體力學專業(yè)，工學碩士，E-mail：zhanghairong@tsdig.com。

1004-2954(2014)11-0089-05

U442.5+1

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.021