TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》主要修訂內(nèi)容解讀

張莉

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 土建工程設(shè)計研究院，天津 300308）

1 修訂背景

近年來，我國鐵路建設(shè)持續(xù)加快，隨著客貨共線鐵路、高速鐵路、城際鐵路、重載鐵路的大規(guī)模建設(shè)以及境外鐵路項目的持續(xù)增多，TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》（簡稱05《橋規(guī)》）已不能適應(yīng)新的設(shè)計條件。為有效指導(dǎo)不同運營模式下鐵路工程的設(shè)計工作，國家鐵路局、中國國家鐵路集團有限公司先后組織編制了一大批適用于不同設(shè)計標準、具有專屬性質(zhì)的綜合性規(guī)范，如《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》《Ⅲ、Ⅳ級鐵路設(shè)計規(guī)范》等。在此類規(guī)范中，對于橋梁結(jié)構(gòu)僅規(guī)定了既定的運行模式和設(shè)計標準下，結(jié)構(gòu)的動力性能、剛度變形等設(shè)計參數(shù)和技術(shù)指標，以及對結(jié)構(gòu)方面特殊的構(gòu)造要求；而對于橋涵設(shè)計采用的靜力計算方法、常規(guī)的設(shè)計要求等仍需執(zhí)行05《橋規(guī)》的相關(guān)規(guī)定。由于05《橋規(guī)》僅適用于設(shè)計速度160 km/h 及以下的旅客列車、120 km/h及以下的貨物列車，因此，僅從近年來的客運專線、客貨共線鐵路的運營模式看，原規(guī)范中的一些條款已經(jīng)過時或缺少。同時，由于規(guī)范編制時期不同，對同一規(guī)定存在不一致的地方，造成設(shè)計標準不統(tǒng)一，影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和可靠性。

根據(jù)國家鐵路局“構(gòu)建鐵路工程建設(shè)標準體系”的要求，為統(tǒng)一不同運輸性質(zhì)類型、不同速度目標值鐵路橋涵設(shè)計要求及技術(shù)標準，進一步提高鐵路橋涵設(shè)計水平，保障鐵路橋涵質(zhì)量與安全，要求在新橋規(guī)修訂時，應(yīng)在05《橋規(guī)》基礎(chǔ)上，全面總結(jié)我國高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路和重載鐵路橋涵建設(shè)、運營的實踐經(jīng)驗和科研成果，收集、整理、提煉出國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)標準中可借鑒的規(guī)定，從而制定出不同標準等級鐵路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計可以普遍遵循的規(guī)定和計算辦法。同時結(jié)合我國國情、經(jīng)濟社會發(fā)展水平、環(huán)境條件等因素，合理確定不同運輸性質(zhì)類型、不同速度等級鐵路橋涵的主要設(shè)計參數(shù)和技術(shù)指標［1］。明確要求規(guī)范修訂時，應(yīng)該遵循以下幾個原則：（1）貫徹國家有關(guān)法律、法規(guī)及鐵路主要技術(shù)政策，保護環(huán)境、保障鐵路橋涵建設(shè)質(zhì)量與安全；（2）整合現(xiàn)行高速鐵路、城際鐵路、重載鐵路及客貨共線鐵路有關(guān)標準，滿足鐵路橋涵設(shè)計要求；（3）總結(jié)近年鐵路橋涵建設(shè)和運營實踐經(jīng)驗、意見和建議，積極應(yīng)用“四新”技術(shù)，充分吸納近年來經(jīng)評審并取得一定應(yīng)用經(jīng)驗的鐵路橋梁相關(guān)科研成果，同時做好與現(xiàn)行高速鐵路、城際鐵路、重載鐵路、客貨共線鐵路規(guī)范之間的協(xié)調(diào)，進一步提升規(guī)范的科學(xué)性和技術(shù)經(jīng)濟合理性；（4）與有關(guān)技術(shù)標準相協(xié)調(diào)，避免矛盾和重復(fù)，章節(jié)編排體現(xiàn)系統(tǒng)性和設(shè)計人員使用方便性；（5）規(guī)范設(shè)計方法仍采用容許應(yīng)力法。

2 主要修訂內(nèi)容

與05《橋規(guī)》相比，TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（簡稱新《橋規(guī)》）在以下方面做了重要修訂：

（1）擴大規(guī)范的適用范圍。05《橋規(guī)》僅適用于客貨列車共行、旅客列車設(shè)計行車速度≤160 km/h、貨物列車設(shè)計行車速度≤120 km/h（轉(zhuǎn)8A 貨車80 km/h）的Ⅰ、Ⅱ級標準軌距鐵路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計，新《橋規(guī)》適用于高速鐵路、城際鐵路、客貨共線Ⅰ、Ⅱ級標準軌距鐵路和重載鐵路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）修訂橋梁適用的跨度和高度。05《橋規(guī)》適用于混凝土梁跨度≤96 m，鋼梁跨度≤168 m單線桁梁和跨度≤40 m的鋼板梁；新《橋規(guī)》適用于跨度≤168 m鋼梁，跨度≤128 m混凝土梁及墩高≤50 m的橋梁。

（3）修訂設(shè)計采用的鐵路列車荷載圖式，以《鐵路列車荷載圖式》替代“中-活載”。

（4）刪除05《橋規(guī)》中屬于總體設(shè)計原則或非橋梁專業(yè)的條款，如鐵路橋和公路橋分、合建原則，鐵路橋上設(shè)置反向曲線的規(guī)定，鋼梁設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器相關(guān)規(guī)定，橋梁跨度系列表等。

（5）針對現(xiàn)行不同規(guī)范中，對于同一橋梁設(shè)計參數(shù)、技術(shù)指標存在不同的表達形式，或同一設(shè)計參數(shù)互相重疊規(guī)定的情況，修訂時進行全面的梳理和整合，最終形成形式統(tǒng)一的控制指標限值表，如鐵路梁式橋豎向變形限值、墩臺基礎(chǔ)沉降限值、墩臺頂縱向水平線剛度限值表。

（6）統(tǒng)一不同等級鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度要求、相鄰橋涵間路堤長度的原則規(guī)定。對各標準等級鐵路橋梁，在平面布置時，對結(jié)構(gòu)斜交角度限制在60°以內(nèi)；根據(jù)近年來的工程經(jīng)驗，對相鄰橋涵間路堤長度，不再提出150 m的硬性規(guī)定。

（7）修訂長鋼軌縱向力的力學(xué)性質(zhì)，將其由主力活載改為特殊荷載；新增長鋼軌縱向力（伸縮力、撓曲力、斷軌力）組合原則，并補充容許值提高系數(shù)這一重要設(shè)計控制參數(shù)的規(guī)定。

（8）統(tǒng)一列車橫向搖擺力的取值原則，分別按客貨共線鐵路、高速鐵路、城際鐵路、重載鐵路4種運營模式進行橫向搖擺力的取值。

（9）修訂05《橋規(guī)》中鋼筋混凝土橋跨結(jié)構(gòu)（鋼筋混凝土、素混凝土、石砌的橋跨結(jié)構(gòu)及涵洞、剛架橋）動力系數(shù)的計算參數(shù)，將原動力公式中參數(shù)α，由“α=4（1-h）≤2”修改為“α=0.32（3-h）2≤2”，即采用擬合二次曲線替換原來的折線。

（10）新增“橋面同一梁縫內(nèi)外側(cè)寬度相差較大時，宜在梁端橋面板設(shè)置懸臂端等措施調(diào)整”的規(guī)定。

（11）新增“鐵路線路交叉跨越橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與安全防護”“高架車站橋梁結(jié)構(gòu)”“系統(tǒng)接口設(shè)計”3 節(jié)，明確上跨或下穿公路、鐵路的設(shè)計及安全防護要求，規(guī)定高架車站橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要原則，提出橋梁設(shè)計的接口工作要求。

（12）根據(jù)工務(wù)部門要求確保高速鐵路行車安全的意見，明確提出高速鐵路不得進行頂進橋涵作業(yè)的要求。

3 部分規(guī)定解讀

3.1 鐵路列車荷載圖式應(yīng)用

鐵路列車荷載圖式是鐵路列車對線路基礎(chǔ)設(shè)施靜態(tài)作用的概化表達形式，根據(jù)不同類型鐵路運輸移動裝備情況，并考慮一定的儲備和發(fā)展系數(shù)綜合制定出來［2］。自《鐵路工程技術(shù)規(guī)范》 第二篇的橋涵（〔1974〕交鐵基字2960 號，簡稱75《橋規(guī)》）后，“中-活載”圖式一直廣泛應(yīng)用于鐵路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計中。本次規(guī)范修訂過程中，按上級歸口單位國家鐵路局的要求，《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》中不再列入列車荷載圖式，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)項目的要求，直接從《鐵路列車荷載圖式》選取與其匹配的荷載圖式。

在應(yīng)用《鐵路列車荷載圖式》進行橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需注意以下幾個問題：

（1）進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)配套選用列車荷載圖式及參數(shù)體系。列車荷載圖式除直接用于線路基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)強度設(shè)計外，對橋梁結(jié)構(gòu)剛度、頻率等都有直接或間接影響，其對于列車速度的適應(yīng)性也是通過控制結(jié)構(gòu)剛度、頻率等動力學(xué)指標實現(xiàn)；此外，列車縱向力（機車牽引力、列車制動力）、離心力等也是在荷載圖式基礎(chǔ)上通過采用相應(yīng)系數(shù)計算得到［2］。因此，橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)配套選用列車荷載圖式及參數(shù)體系。

（2）列車荷載圖式對橋梁動力性能設(shè)計的影響。列車在橋梁上運行的安全性和舒適性與橋梁剛度、頻率等動力學(xué)指標相關(guān)。在相同速度條件下，橋梁的動力學(xué)設(shè)計指標與列車荷載圖式的選取并無直接關(guān)系，無論采用高速鐵路還是城際鐵路列車荷載圖式設(shè)計的橋梁，或者是直接采用高速動車組作為設(shè)計荷載，在相同速度條件下需要滿足高速列車安全、舒適運營的目標、對橋梁的動力學(xué)性能要求是相同的。以高速鐵路標準梁橋為例，由高速鐵路列車荷載圖式調(diào)整為城際鐵路列車荷載圖式進行設(shè)計時，由于高速列車安全性、舒適性要求沒有改變，梁體剛度、頻率等指標不應(yīng)隨著列車荷載圖式的變化而變化，可優(yōu)化調(diào)整的主要為用于強度設(shè)計、長期變形設(shè)計的預(yù)應(yīng)力束等［2］。

（3）在《鐵路列車荷載圖式》中，以ZKH 圖式替代“中-活載”圖式［3］。前期的研究成果認為，2 種計算圖式對橋涵結(jié)構(gòu)、墩臺基礎(chǔ)等剛度較大結(jié)構(gòu)的作用效果、經(jīng)濟性指標基本相當，但對于中、小跨度梁或桿件，由于圖式中重軸換算為均布荷載，ZKH 圖式較“中-活載”大一些，因此ZKH 圖式在結(jié)構(gòu)局部抗剪、抗彎方面更控制設(shè)計。以客貨共線鐵路預(yù)制后張法32 m簡支T 梁通用參考圖為例，分別按“中-活載”和“ZKH”2 種荷載圖式對曲線時的邊梁進行結(jié)構(gòu)縱向計算，其結(jié)構(gòu)強度及應(yīng)力指標計算成果可知，按ZKH 圖式計算的邊梁控制截面的正截面強度、應(yīng)力較“中-活載”更為控制。因此，建議設(shè)計人員在利用之前設(shè)計成果時，如果原設(shè)計控制指標已經(jīng)很經(jīng)濟，那么必須按ZKH 圖式重新檢算，滿足要求方可利用；否則，應(yīng)嚴格采用ZKH圖式重新對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計［4］。

3.2 無縫線路縱向力力學(xué)性質(zhì)及組合原則

05《橋規(guī)》表4.4.1 中，長鋼軌縱向水平力（伸縮力和撓曲力）列在主力活載中［5］；新《橋規(guī)》將其列入了特殊荷載，雖然力學(xué)性質(zhì)的規(guī)定變了，但長鋼軌縱向水平力的計算辦法及組合原則與05《橋規(guī)》相比沒有改變。

長鋼軌縱向水平力（伸縮力、撓曲力、斷軌力）引自對無縫線路軌道結(jié)構(gòu)的研究。軌道結(jié)構(gòu)在進行強度、穩(wěn)定性檢算時，長鋼軌伸縮力和撓曲力作為設(shè)計的主要荷載被列為主力是合理的；而對于橋梁墩臺結(jié)構(gòu)，在考慮無縫線路對結(jié)構(gòu)的影響時，需結(jié)合橋上其他可能同時作用的荷載，綜合考慮其疊加效應(yīng)。在05《橋規(guī)》使用中發(fā)現(xiàn)，有些設(shè)計人員按習(xí)慣理解認為：伸縮力和撓曲力既然為主力活載，就可以像其他活載一樣，與橋上作用的其他主力、附加力進行任意的組合。導(dǎo)致設(shè)計的荷載組合類型數(shù)增多、組合后的荷載設(shè)計值（縱向水平力、水平彎矩）增大，由此設(shè)計出的墩臺尺寸會相應(yīng)增大，特別是對下部樁基礎(chǔ)，樁長加樁頭配筋都可能增加，無形中錯誤地提高了設(shè)計標準。為避免這個問題，規(guī)范修訂時將長鋼軌縱向水平力（伸縮力和撓曲力）改為特殊荷載。另外，為方便設(shè)計者使用，將縱向力組合原則、設(shè)計容許值提高系數(shù)列于規(guī)范表4.3.13中。需要注意的是，無縫線路上的橋梁墩臺荷載組合計算時，僅增加表4.3.13的荷載組合，其他的荷載組合仍然采用原傳統(tǒng)的荷載組合方式［6］。

3.3 （1+μ）公式中參數(shù)α的修訂

（1）對于普速鐵路鋼筋混凝土橋跨結(jié)構(gòu)，如鋼筋混凝土、素混凝土、石砌的橋跨結(jié)構(gòu)及涵洞、剛架橋，其動力系數(shù)一直沿用1959年版《橋規(guī)》（簡稱59《橋規(guī)》）中鋼筋混凝土橋跨結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)（1+μ）的計算辦法。本計算辦法是根據(jù)我國解放初期以來積累的橋梁動載試驗資料，經(jīng)過分析提出的。59《橋規(guī)》制定沖擊系數(shù)計算辦法時，對8～32 m 七種跨度（L）的簡支梁用各種機車做了38組試驗，并進行3 000次以上的運行試驗，得到約10 000 余根記錄曲線。經(jīng)過分析整理繪制蒸汽機車作用下梁跨長度與動力系數(shù)關(guān)系曲線圖，經(jīng)擬合后繪出動力系數(shù)計算公式(1+μ) = 1+曲線。75《橋規(guī)》修訂時，對原動力系數(shù)計算公式進行修訂，以替代原公式［7］。同時將原公式中的“沖擊系數(shù)”改為“列車豎向動力作用”。

（2）動力系數(shù)是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件最大的動力響應(yīng)與最大靜力響應(yīng)之比，其數(shù)值大小是列車-軌道-橋梁的動力特性和動力相互作用狀態(tài)的綜合反映，“八五”科技攻關(guān)項目《高速鐵路橋梁動力性能研究》對此進行了專項研究。研究在分析國外研究成果的基礎(chǔ)上，通過建立車-橋豎向相互作用的動力學(xué)模型編制模擬計算程序，計算各種高速列車（動力分散式及動力集中式）作用下的橋梁動力系數(shù)，分析影響的主要因素和變化規(guī)律，并對計算成果進行統(tǒng)計分析，給出我國高速列車（ZK荷載圖式）橋梁結(jié)構(gòu)動力系數(shù)［8］的計算公式：

式中：Lφ為加載長度，m，Lφ＜3.61 m時，應(yīng)取3.61 m；簡支梁應(yīng)取梁的跨度；連續(xù)梁可按平均跨度乘以跨度調(diào)整系數(shù)（見新《橋規(guī)》表4.3.8）確定、且不應(yīng)小于最大跨度。

對于涵洞及結(jié)構(gòu)頂面有填土的承重結(jié)構(gòu)，《新建時速300～350 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》中動力系數(shù)制定時，主要參照UIC 776-1 《Loads to be considered in railway bridge design》［9］。根據(jù)式（1），當填土厚度不足1.0 m 時，不考慮動力系數(shù)折減；當填土厚度超過1.0 m時，每增加1.0 m，動力系數(shù)降低0.1；《高速鐵路設(shè)計規(guī)范（試行）》修訂時，增加“頂面填土厚度超過3.0 m 時，不計動力系數(shù)”的規(guī)定［8］。以跨度4.0 m 涵洞為例，不計填土厚度影響時，動力系數(shù)為1.62，當填土厚度為2.0、3.0 m 時動力系數(shù)分別折減為1.52 和1.42，這與3.0 m 以上填土厚度不計動力系數(shù)的規(guī)定具有一定偏差。

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》修編時，再次對公式進行修訂。通過對秦沈客運專線鐵路及其他既有線提速試驗中18 座不同填土厚度的涵洞動力系數(shù)實測結(jié)果進行統(tǒng)計后，分析填土厚度對動力系數(shù)的影響規(guī)律：隨著填土厚度的增加，動力系數(shù)呈明顯下降規(guī)律［10］（見圖1）。

圖1 不同填土厚度涵洞動力系數(shù)實測結(jié)果對比

根據(jù)實測數(shù)據(jù)和既有研究成果，擬合曲線后提出下式：

根據(jù)式（2），涵洞及結(jié)構(gòu)頂面有填土的承重結(jié)構(gòu)，當頂面填土厚度≤3.0 m時，動力系數(shù)（1+μ）為：

式中：μ折減為涵洞動力系數(shù)折減系數(shù)；hc為涵洞及結(jié)構(gòu)頂面至軌底的填土厚度，m。

以跨度4.5 m 涵洞為例，考慮橋上軌道結(jié)構(gòu)（不含鋼軌）高度為0.6 m，填土厚度為0～3.0 m，修訂前后的計算結(jié)果對比見圖2。

圖2 跨度L=4.5 m涵洞修訂前后動力系數(shù)對比

（3）新《橋規(guī)》修訂時，結(jié)合《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》的研究成果，以及多年來普速鐵路的運維經(jīng)驗，認為05《橋規(guī)》對于“頂部填土厚度h≥1.0 m時，不計列車豎向動力作用”是不合適的。對于鋼筋混凝土、素混凝土、石砌的橋跨結(jié)構(gòu)及涵洞、剛架橋頂上填土厚度h＜3.0 m 時，均應(yīng)考慮列車豎向動力作用。因此，本次規(guī)范修訂時，在維持原動力系數(shù)計算公式不變的情況下，根據(jù)高速鐵路填土厚度對動力系數(shù)的影響規(guī)律，將原動力公式中的系數(shù)α，用擬合二次曲線替換原來的折線（即將“α= 4 (1-h)≤2”修改為“α=0.32(3-h)2≤2，h＜0.5 m 時，取0.5 m”）。以跨度4.0、32.0 m 為例，當填土厚度h=0.5 m 時，α=2 代入（1+μ）計算公式，所得數(shù)值與05《橋規(guī)》相同；當0.5＜h≤3.0 m 時，α=0～2 代入（1+μ）計算公式計算，所得數(shù)值隨填土厚度h呈二次曲線變化；當h＞3.0 m時，（1+μ）=1.0（即不計動力系數(shù)）。新舊公式中，頂部覆土高度與參數(shù)α的關(guān)系見圖3、圖4。

圖3 跨度L=4.0 m頂部覆土高度與參數(shù)α關(guān)系

圖4 跨度L=32.0 m頂部覆土高度與參數(shù)α的關(guān)系

（4）需要設(shè)計人員注意的是：①新《橋規(guī)》的列車豎向動力系數(shù)適用范圍為客貨共線鐵路、重載鐵路。②從圖3、圖4 可以看出，新《橋規(guī)》計算得出的列車豎向動力系數(shù)較05《橋規(guī)》均有增大，特別是對涵洞或桿件等跨徑較小的結(jié)構(gòu)影響較大，因此在利用之前的設(shè)計成果時，設(shè)計者應(yīng)嚴格按新《橋規(guī)》進行驗算，滿足要求后方可使用，但設(shè)計指標預(yù)留的安全儲備有所下降［10］。

4 結(jié)束語

《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》作為指導(dǎo)我國鐵路橋梁工程設(shè)計最基本、最重要的規(guī)范，已經(jīng)走過了近70年的光輝歷程。它記錄了我國鐵路從最初的照搬前蘇聯(lián)規(guī)范，到逐步形成一套符合我國國情、路情，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的適用范圍廣、成熟可靠、技術(shù)先進的技術(shù)標準，凝結(jié)了幾代鐵路工程技術(shù)人員的智慧和心血，并隨著我國鐵路建設(shè)發(fā)展不斷完善。由于本次規(guī)范修訂涵蓋內(nèi)容增加較多、編制時間較緊，規(guī)范中尚有一些需要進一步做專項研究后解決的問題。如橋涵結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)，對于客貨共線鐵路、重載鐵路，本次修訂仍延用了05《橋規(guī)》中的計算公式，其制定時依據(jù)的試驗資料還是解放初期的成果；對于高速鐵路、城際鐵路，則是直接借鑒UIC標準結(jié)合我國研究成果提出的，同一設(shè)計參數(shù)由2套體系制定，期望在以后的規(guī)范修訂時能夠解決這一問題。針對主要設(shè)計荷載，如風(fēng)力、溫度荷載、冰壓力、墩臺船舶撞擊力等重要荷載，規(guī)范中暫時還沒有適宜、可靠的計算辦法，需要不斷更新、補充和完善，使規(guī)范能夠與時俱進，更具科學(xué)性和先進性。