吳雪峰

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

隨著中國與世界各國的經(jīng)貿合作和友好往來日益密切，中國鐵路加快了走出去的步伐。目前,中國鐵路橋梁設計普遍采用容許應力法，而歐美國家采用極限狀態(tài)法，不同國家的設計規(guī)范從理論體系、活載圖式、材料技術條件到構造要求等方面均存在差異[1]。為提升我國國際鐵路橋梁設計水平，需對各國鐵路橋梁設計規(guī)范進行深入分析，總結設計經(jīng)驗。本文以同江市黑龍江鐵路特大橋及相關工程中同撫大堤大橋預應力混凝土連續(xù)梁設計為例，分別采用中國規(guī)范的容許應力法和俄羅斯規(guī)范的極限狀態(tài)法進行包絡設計，使梁部結構設計同時滿足兩國規(guī)范要求。

1 工程概況

同江市黑龍江鐵路特大橋及相關工程位于黑龍江省同江市與俄羅斯列寧斯闊耶市之間，連通向陽川—哈魚島鐵路與俄羅斯西伯利亞鐵路列寧斯闊耶支線，正線長度31.62 km。同江市黑龍江鐵路特大橋是首座橫跨中俄兩國界河(黑龍江)的鐵路大橋，其建造技術標準具有特殊性，且中俄兩國設計規(guī)范理論體系存在差異性。同江市黑龍江鐵路特大橋于2014年2月開工。它的建設結束了中俄界河無跨江鐵路橋梁的歷史，使中國東北鐵路網(wǎng)與俄羅斯西伯利亞鐵路相連通的國際聯(lián)運大通道得以形成，改善了中國既有國際鐵路運輸格局[2]。

同撫大堤大橋是同江市黑龍江鐵路特大橋及相關工程重要組成部分，為跨越同撫大堤而設，采用(32+48+32)m預應力混凝土連續(xù)梁，支架原位現(xiàn)澆施工。該橋左線為俄羅斯寬軌，右線為中國標準軌，線間距5.0 m，設計速度目標值為100 km/h，地震動峰值加速度為0.05g。

2 結構形式與控制截面

2.1 結構形式

同撫大堤大橋連續(xù)梁梁部結構邊支座中心線至梁端0.6 m，梁全長113.2 m。梁高沿縱向按二次拋物線變化，中支點梁高3.5 m，邊支點及跨中梁高2.5 m，中跨跨中直線段長8.4 m，邊跨直線段長12.8 m。采用整體橋面形式，橋面板上設置擋砟墻、電纜槽、人行道欄桿，線路中心距人行道欄桿內側不小于3.25 m。截面采用單箱單室直腹板形式，頂板厚度除梁端附近外均為35 cm；腹板厚除梁端為60 cm外，其余腹板厚為48～90 cm；底板厚由跨中的40 cm按二次拋物線變化至根部的60 cm。頂板寬11.8 m，底板寬6.4 m。箱梁兩側腹板與頂?shù)装逑嘟惶幘捎脠A弧倒角過渡。支座處及中跨跨中共設置5個橫隔板，橫隔板厚度邊支座處為1.0 m，中支座處為1.5 m，中跨跨中為0.5 m。橫隔板設有過人孔，供檢查人員通過。橋面布置如圖1所示。

圖1 橋面布置(單位：cm)

2.2 控制截面

采用中國規(guī)范和俄羅斯規(guī)范對強度安全系數(shù)、抗裂安全系數(shù)等各項梁部設計控制指標進行檢算時，將梁部支點處、跨中、合龍點及所有截面突變處選定為控制截面，并考慮鋼束的換算面積。控制截面換算截面幾何特征值見表1。

表1 控制截面換算截面幾何特征值

3 俄羅斯規(guī)范極限狀態(tài)法

3.1 設計荷載

1)恒載

自重按混凝土重度26 kN/m3計算，橋面二期恒載按有砟橋面考慮，二期恒載為166.4 kN/m。

2)活載

俄羅斯列車的標準豎向活載“俄-CK活載”采用線路能容納的最大等代荷載。俄羅斯活載標準荷載強度及影響線荷載的施加規(guī)則參見《公路、鐵路、城市道路橋涵設計規(guī)范》(CHИП 2.05.03-84)[3]附錄五。中俄活載[4]對比見表2。可知，俄羅斯活載約為中國活載的1.5倍。

表2 中俄活載對比

3)橫向搖擺力

根據(jù)CHИП 2.05.03-84第2.19條可知，軌道上車輛活載產(chǎn)生的橫向水平撞擊力可采用作用在軌道頂面上的均布荷載表示，大小為0.59KkN/m，其中K為CK荷載的等級。

4)制動力或牽引力

根據(jù)CHИП 2.05.03-84第2.20條可知，制動力或牽引力一般按標準臨時豎向活載的10%取值。

5)俄羅斯規(guī)范荷載組合

根據(jù)CHИП 2.05.03-84第2.1～2.3條，橋梁結構荷載、影響力及其組合見表3。

表3 橋梁結構荷載、影響力及其組合

表3中1～6號荷載為恒載，7～11號荷載為臨時荷載?？紤]到不同荷載同時出現(xiàn)的概率不同，在荷載組合計算時按下列規(guī)定確定組合系數(shù)：

1)恒載及鐵路空載列車活載組合系數(shù)為1.0；

2)當只考慮1個臨時荷載時組合系數(shù)為1.0；

3)當考慮2個及以上臨時荷載時，其中1個臨時荷載組合系數(shù)為0.8，其余臨時荷載組合系數(shù)均為0.7。

3.2 材料特性

通過對比中俄兩國規(guī)范中材料強度、彈性模量等參數(shù)，確定適用于俄羅斯規(guī)范計算方法的材料特性值。

1)混凝土強度

對比中俄規(guī)范各等級混凝土軸心抗壓、軸心抗拉強度可知，中國規(guī)范采用C55混凝土設計時，相當于俄羅斯規(guī)范中的B50混凝土，軸向抗壓、軸向抗拉強度分別為25.0,1.40 MPa。

2)混凝土彈性模量

依據(jù)中俄規(guī)范混凝土等級對應關系選取適用于俄羅斯規(guī)范的混凝土彈性模量，中國采用C55混凝土設計時，相當于俄羅斯規(guī)范中的B50混凝土，彈性模量為3.6 MPa。

3)鋼筋強度

采用中國鐵路規(guī)范的鋼筋按照俄羅斯規(guī)范設計時，按對應的鋼筋種類選擇第1種極限狀態(tài)和第2種極限狀態(tài)下的鋼筋抗拉標準、設計強度。相應的材料工作條件系數(shù)按照俄羅斯規(guī)范執(zhí)行。

4)鋼筋彈性模量

依據(jù)中俄鋼筋等級對應關系選取適用于俄羅斯規(guī)范的鋼筋彈性模量，采用中國規(guī)范的HRB335鋼筋，彈性模量ES為2×105MPa。

5)鋼絞線強度

采用中國規(guī)范 1 860 MPa 鋼絞線并按照俄羅斯規(guī)范設計時，第1種極限狀態(tài)對斜截面驗算彎矩時的鋼絞線抗拉計算強度為 1 302 MPa，第2種極限狀態(tài)標準抗拉強度和抗拉計算強度為 1 302/0.75=1 736 MPa，預應力鋼絞線抗壓計算強度為380 MPa。

6)鋼絞線彈性模量

采用中國規(guī)范 1 860 MPa 鋼絞線并按照俄羅斯規(guī)范設計時，仍按照中國規(guī)范鋼絞線的彈性模量進行設計。

3.3 主要檢算內容

1)按照CHИП 2.05.03-84第3章對混凝土與鋼筋混凝土結構進行設計。

2)按照第1種極限狀態(tài)計算時，需進行強度和穩(wěn)定性計算、正截面強度計算、斜截面強度計算、局部承壓計算、疲勞計算。

3)按照第2種極限狀態(tài)計算時，需進行抗裂性計算、撓度及轉角計算。

4)在設計混凝土與鋼筋混凝土結構時，為保證其制作條件、耐久性以及鋼筋與混凝土的共同作用，必須滿足CHИП 2.05.03-84中對結構的構造要求，包括構件截面的最小尺寸、鋼筋的最小間距等。

4 中國規(guī)范容許應力法與俄羅斯規(guī)范極限狀態(tài)法對比分析

4.1 設計荷載[5-6]

1)橫向搖擺力

橫向搖擺力取100 kN且作為一個集中荷載作用在最不利位置，即以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面。

2)制動力或牽引力

制動力或牽引力按計算長度內列車豎向靜活載的10%計算。當制動力或牽引力與離心力或列車豎向動力作用同時計算時，其大小可取計算長度內豎向靜活載的7%，作用點在軌頂以上2 m處。

3)恒載同3.1節(jié)，活載采用中-活載，其他設計荷載依據(jù)中國規(guī)范取值。

4.2 檢算結果對比分析

采用中國規(guī)范對傳力錨固階段和運營階段主力及主+附工況下控制截面的各項設計控制指標進行檢算；采用俄羅斯規(guī)范按照第1種極限狀態(tài)和第2種極限狀態(tài)對控制截面進行強度和抗裂性計算[7-8]。通過調整截面尺寸和鋼束布置可使梁部結構同時滿足兩國規(guī)范要求。經(jīng)計算分析可知，連續(xù)梁設計由主力和主力+附加力工況控制，主要控制指標計算結果見表4。

表4 主要控制指標計算結果

由表4可知：①本文設計的連續(xù)梁根據(jù)中俄兩國規(guī)范進行各項控制指標檢算均滿足要求；②對于相同的梁部結構，中國規(guī)范的容許應力法和俄羅斯規(guī)范的極限狀態(tài)法計算所得各項控制指標存在差異；③對于強度安全系數(shù)，中國規(guī)范安全儲備高于俄羅斯規(guī)范；④對于抗裂安全系數(shù)，中國規(guī)范安全儲備低于俄羅斯規(guī)范；⑤由于“俄-CK活載”取值較“中-活載”大，采用俄羅斯規(guī)范計算的邊跨及中跨撓跨比均大于中國規(guī)范計算值。

5 結語

本文設計的同撫大堤大橋主體工程已基本完工，狀況良好。全部工程預計于2018年6月整體完工。

中國鐵路橋梁設計規(guī)范是基于彈性階段的容許應力法，俄羅斯鐵路橋梁設計規(guī)范則采用可靠度理論，按極限狀態(tài)法進行設計計算，兩國規(guī)范對設計荷載、材料性能等具體規(guī)定各不相同。同江市黑龍江鐵路特大橋及相關工程中同撫大堤大橋(32+48+32)m預應力混凝土連續(xù)梁分別采用中俄兩國規(guī)范進行檢算，在各階段均能較好滿足兩國規(guī)范要求，實現(xiàn)了中俄規(guī)范鐵路連續(xù)梁的包絡設計。本文設計方法可為類似海外鐵路橋梁設計提供參考。

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[2]張雷，張海榮，孫大斌，等.同江黑龍江鐵路特大橋設計[J].橋梁建設，2016，46(2)：92-96.

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

[6]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[7]鐵道第三勘測設計院集團有限公司.鐵路橋涵極限狀態(tài)法試設計方案研究[R].天津：鐵道第三勘測設計院集團有限公司，2014.

[8]高策，薛吉崗.鐵路橋梁結構設計規(guī)范由容許應力法轉換為極限狀態(tài)法的思考[J].鐵道標準設計，2012，56(2)：41-45.