邱 冰， 戴 旺， 鄧娟紅， 謝兵兵， 張美意

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410200)

1 工程概述

沙特麥加輕軌是我國(guó)企業(yè)第一條采用設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工+運(yùn)營(yíng)管理的總承包模式的海外輕軌鐵路項(xiàng)目，政治及宗教意義重大，為我國(guó)高速鐵路走出去提供了一個(gè)很好的范例。它是世界上高峰客流量最大，運(yùn)營(yíng)模式最為復(fù)雜，有效施工工期最短的輕軌鐵路。它采用了國(guó)際上使用比較廣泛的總承包模式，采用了國(guó)際上使用較為廣泛工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系，先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，前沿的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)基本理論。下面就一一進(jìn)行介紹。

2 標(biāo)準(zhǔn)體系

本項(xiàng)目使用的規(guī)范都是歐洲或美國(guó)規(guī)范為主，國(guó)際鐵路聯(lián)盟規(guī)范與當(dāng)?shù)匾?guī)范為輔。美國(guó)的AASHTO規(guī)范是公路規(guī)范，在國(guó)際上影響力大，使用廣泛，AREMA規(guī)范是美國(guó)鐵路規(guī)范，但由于采用容許應(yīng)立法，并且目前美國(guó)鐵路發(fā)展較為緩慢，對(duì)高鐵路和客運(yùn)鐵路缺乏實(shí)踐，目前在國(guó)際上使用較少，所以本項(xiàng)目雖然是鐵路項(xiàng)目最終采用的是AASHTO規(guī)范[1]。歐美規(guī)范與國(guó)際鐵路聯(lián)盟規(guī)范解決的是基礎(chǔ)計(jì)算方法與理論，當(dāng)?shù)匾?guī)范解決是當(dāng)?shù)販囟?、氣象、地震區(qū)劃等一些特性方面的問(wèn)題[2]。本項(xiàng)目采用的橋梁規(guī)范如下所示：

(1) 美國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范AASHTO LRFD (4th edition, 2007)。

(2)美國(guó)橋梁施工規(guī)范AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications (2nd Edition 2004 with 2006, 2007, 2008, and 2009 Interims)。

(3)沙特高速公路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 (V3, may 1992)。

(4)國(guó)際鐵路聯(lián)盟橋梁軌道相互作用規(guī)范UIC 7743 R。

(5)國(guó)際鐵路聯(lián)盟橋梁變形規(guī)范UIC 776-3。

(6)美國(guó)橋梁節(jié)段拼裝設(shè)計(jì)規(guī)范 (AASHTO-2nd edition-1999)。

(7)美國(guó)地震設(shè)計(jì)規(guī)范 (AASHTO-2nd edition-2000)。

(8)美國(guó)混凝土收縮徐變?cè)O(shè)計(jì)規(guī)范CEB-FIP Model Code 1990。

(9)美國(guó)房建混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 (ACI 318-95)。

(10)美國(guó)測(cè)試與材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(ASTM)。

(11)圣地地區(qū)混凝土施工規(guī)范 (CIRIA, 1984)。

(12)法國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范 (SNCF-Livret 2.01-1995 and 1999 update)。

本項(xiàng)目材料標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)是一樣的，都是依據(jù)美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)而制造生產(chǎn)并應(yīng)用的[3]。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)混凝土等級(jí)是按300 mm高，150 mm半徑圓柱體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定的。而我國(guó)是按照150 mm邊長(zhǎng)的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定的[4]。

這些國(guó)際上比較常用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有以下共同的特點(diǎn)，就是注重技術(shù)發(fā)展方向，標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定通用性的理論方法、計(jì)算公式和基本原理，避免標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定太死而妨礙技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)工程師知識(shí)面擴(kuò)展和適應(yīng)能力的提高[5]。鐵路工程建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)能適應(yīng)多種氣候條件、地質(zhì)類(lèi)型、運(yùn)輸荷載、和運(yùn)行速度。相比而言，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)大多采用技術(shù)描述方法，規(guī)定不同工程建設(shè)項(xiàng)目工況的具體取值，有利于大規(guī)模、工期緊的工程建設(shè)，但容易造成工程師不知道具體參數(shù)取值來(lái)源，容易生搬硬套[6]。

3 設(shè)計(jì)理念

3.1 以人為本，尊重自然，關(guān)愛(ài)生命

充分認(rèn)識(shí)地球資源的有限性，公平考慮當(dāng)代及后代人的需要的基礎(chǔ)上考慮以人為本。橋梁與自然關(guān)系密切，本項(xiàng)目橋梁的梁體與墩身的造型都充分考慮周?chē)膸づ窬坝^，與周?chē)鷰づ窈椭C一致[7]。在U梁上設(shè)置逃生通道，高架橋超過(guò)3 km設(shè)置逃生樓梯，高架車(chē)站內(nèi)設(shè)置大功率沙漠空調(diào)。橋梁是為人的需要而建設(shè)，不光是考慮正常人的使用，而且考慮到殘疾人通道及電梯等。關(guān)愛(ài)生命不光是考慮人的通行，同時(shí)也考慮到了沙漠之舟駱駝等其它生物的通道要求[8]。

3.2 文化及歷史的傳承與延續(xù)

任何一個(gè)國(guó)家和民族都應(yīng)該重視文化的傳承與延續(xù)。沙特麥加輕軌項(xiàng)目位于穆斯林信徒的心中圣地，宗教政治意義重大，設(shè)計(jì)充分考慮政治及宗教的信仰要求[9]。

3.3 美觀價(jià)值論

人們?cè)敢舛嗷ㄥX(qián)買(mǎi)一棟漂亮的房子而不是丑陋的房子，說(shuō)明美是能產(chǎn)生價(jià)值的。美麗的拉薩河大橋?yàn)榍嗖罔F路增色不少。所以鐵路橋梁的美學(xué)設(shè)計(jì)是很有價(jià)值很有必要的。本項(xiàng)目注重美學(xué)設(shè)計(jì)，橋梁工程師與建筑師一開(kāi)始就密切合作，過(guò)程中不斷交流，共同完成。建筑師雖然是藝術(shù)家，美學(xué)家，但缺少對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及建筑技術(shù)的理解。而橋梁結(jié)構(gòu)工程師則反之。本項(xiàng)目采用的六面異形體的空間橋梁蓋梁的設(shè)計(jì)，獲得了各方好評(píng)。

3.4 創(chuàng)新思想

創(chuàng)新是必需的，如果沒(méi)有創(chuàng)新，怎么會(huì)有中國(guó)大面積350 km高鐵的誕生，使中國(guó)高鐵成為世界的名片。如果沒(méi)有創(chuàng)新，怎么會(huì)有高原鐵路青藏鐵路的誕生，怎么會(huì)有高寒鐵路哈大鐵路的誕生。橋梁工程師所有的設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)都是經(jīng)過(guò)前人積累產(chǎn)生的，不可否認(rèn)，在橋梁歷史長(zhǎng)河中，中國(guó)古橋奉獻(xiàn)了很重要的經(jīng)驗(yàn)，近代兩百年來(lái)，歐美及前蘇聯(lián)對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)巨大，但改革開(kāi)放30多年來(lái)，中國(guó)對(duì)世界橋梁經(jīng)驗(yàn)積累的貢獻(xiàn)也是巨大的。但是正如鄧文中院士所說(shuō)，我們對(duì)橋梁所不知道的知識(shí)比知道的知識(shí)還是要多得多?，F(xiàn)有的規(guī)范都是依據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)所總結(jié)的，并不是完全對(duì)的或者說(shuō)是很完善的，所以還有很大的改進(jìn)和完善空間。所以，創(chuàng)新的橋梁正是檢驗(yàn)或者完善我們的橋梁經(jīng)驗(yàn)很重要的而且很必要的[10]。

本項(xiàng)目高架橋的U梁及蓋梁，高架車(chē)站的雨棚就是世界獨(dú)一無(wú)二的，創(chuàng)新意識(shí)非常強(qiáng)。

反觀我國(guó)國(guó)內(nèi)的地鐵高架橋建設(shè)，基本可以看到幾乎是幾個(gè)模式的反復(fù)應(yīng)用，梁體大箱梁、小箱梁使用比較多，并且形式幾乎一樣，照搬照抄現(xiàn)象嚴(yán)重。

3.5 全壽命設(shè)計(jì)

橋梁的全壽命覆蓋周期包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)/維護(hù)、拆除等全過(guò)程，與之相對(duì)應(yīng)，橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期成本即所有過(guò)程的成本之和。本項(xiàng)目重視橋梁的養(yǎng)護(hù)維修成本，養(yǎng)護(hù)維修通道設(shè)置完整[11]。

以上所說(shuō)的設(shè)計(jì)理念，國(guó)內(nèi)也有這方面的先進(jìn)理念，比如說(shuō)青藏鐵路在藏北高原、可可西里等藏羚羊經(jīng)常出沒(méi)的地區(qū)，設(shè)計(jì)方經(jīng)過(guò)摸索，熟悉了藏羚羊的習(xí)性、遷徙規(guī)律后，在它們的遷徙路線上設(shè)置了33處專(zhuān)用通道。大同到西安高鐵晉陜黃河特大橋設(shè)置了黃河濕地候鳥(niǎo)的飛行通道。但是創(chuàng)新思想，追求美學(xué)價(jià)值，全壽命周期設(shè)計(jì)等方面還有進(jìn)一步研究的空間。

4 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

根據(jù)美國(guó)橋規(guī)AASHTO LRFD 2007提出的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，橋梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)可施工、安全、使用性，并恰當(dāng)考慮維修、經(jīng)濟(jì)、美觀方面的問(wèn)題。橋梁的設(shè)計(jì)方法應(yīng)采用多種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。

我國(guó)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》提出的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為為使地鐵工程設(shè)計(jì)達(dá)到安全可靠，功能合理，經(jīng)濟(jì)適用，節(jié)能環(huán)保，技術(shù)先進(jìn)，制定本規(guī)范[12]。

我國(guó)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》提出的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為按照安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、美觀。公路橋涵應(yīng)考慮養(yǎng)護(hù)需要，按照可到達(dá)、可檢查、可維修和可養(yǎng)護(hù)的要求設(shè)計(jì)[13]。

仔細(xì)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，美國(guó)橋規(guī)可施工、安全、使用性放在第一層次必須達(dá)到的目標(biāo)，可維修、經(jīng)濟(jì)、美觀放在了第二層次需認(rèn)真考慮的目標(biāo)。并且可施工和可維修分別放在第一，第二層次的首要位置，這是因?yàn)榭墒┕ず涂删S修橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的基本前提保障。我國(guó)2015版公路規(guī)范已經(jīng)和美國(guó)規(guī)范一致了。而我國(guó)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范并沒(méi)有分為兩個(gè)層次，并沒(méi)有提可施工性與可維修性，多了節(jié)能環(huán)保與技術(shù)先進(jìn)，少了美觀。[14]

美國(guó)規(guī)范還特地解釋了其中的一些條文，比如說(shuō)，可施工首先表現(xiàn)在橋梁設(shè)計(jì)不應(yīng)該使制造和安裝，運(yùn)輸施工架設(shè)等方面過(guò)分困難或者代價(jià)太大，應(yīng)綜合考慮氣象水文等條件對(duì)橋梁施工的影響。經(jīng)濟(jì)也是我們工程師經(jīng)常考慮的一個(gè)詞，但美國(guó)規(guī)范給出了經(jīng)濟(jì)的一個(gè)條文解釋說(shuō)明，使用期間的維護(hù)費(fèi)用也應(yīng)一并考慮，確是我國(guó)工程師考慮較少的。經(jīng)濟(jì)有很復(fù)雜龐大的的含義，影響范圍也極為廣闊。雖然在許多經(jīng)濟(jì)分析中，大家只關(guān)注建造的價(jià)格，但是實(shí)際上一座橋梁的價(jià)格，應(yīng)該同時(shí)考慮橋梁的壽命、維修的頻率和價(jià)格、維修對(duì)周邊環(huán)境的影響。近年來(lái)全壽命價(jià)格研究逐漸完善，這樣綜合考慮的經(jīng)濟(jì)性才是比較合理的。我國(guó)公路新規(guī)范首提耐久性也是朝全壽命周期設(shè)計(jì)邁進(jìn)的重要一步。

5 設(shè)計(jì)基本理論

最早的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，是采用以彈性理論為基礎(chǔ)的容許應(yīng)力法。20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)首先提出了考慮鋼筋混凝土塑性性能的破壞階段的計(jì)算方法，即荷載系數(shù)法。隨著對(duì)荷載和材料強(qiáng)度的進(jìn)一步研究，前蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代又率先提出了極限狀態(tài)計(jì)算法。沙特麥加輕軌項(xiàng)目橋梁結(jié)構(gòu)采用的是美國(guó)AASHTO.LRFD規(guī)范，設(shè)計(jì)理論為目前國(guó)際上使用最為廣泛的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，這種方法綜合考慮了三個(gè)系數(shù)即，荷載系數(shù)、材料系數(shù)和工作條件系數(shù)，而這些系數(shù)基本是通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)，半概率的方法確定的，并且逐漸發(fā)展為概率理論為主導(dǎo)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，這種方法能夠更加綜合準(zhǔn)確的考慮結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)[15]。

美國(guó)AASHTO規(guī)范目前采用的是多種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，提出了如下四種極限狀態(tài)：[2]

(1)使用極限狀態(tài)(Service limit state),即在正常使用條件下，對(duì)應(yīng)力，撓度變形和裂縫寬度的限制。

(2)疲勞和斷裂極限狀態(tài)(fatigue and fracture limit state),反應(yīng)的是對(duì)材料應(yīng)力幅及韌性等材料在動(dòng)力荷載的作用下的限制。

(3)強(qiáng)度極限狀態(tài)(strength limit state),反應(yīng)的是荷載作用下，對(duì)材料強(qiáng)度的限制。

(4)極端事件極限狀態(tài)(extreme, event limit states),反應(yīng)的是地震，洪水等極端事件發(fā)生時(shí)，保證結(jié)構(gòu)不受破壞。

沙特麥加輕軌項(xiàng)目橋梁設(shè)計(jì)多種極限狀態(tài)情況下采用的荷載組合見(jiàn)表1、表2。

表1 荷載組合系數(shù)一

表2 荷載組合系數(shù)二

我國(guó)JTG D60-2015 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》提出的極限狀態(tài)為承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)包含了強(qiáng)度極限狀態(tài)、疲勞極限狀態(tài)和極端事件極限狀態(tài)。這說(shuō)明公路規(guī)范基本是朝美國(guó)規(guī)范靠攏的。

我國(guó)鐵路建國(guó)以來(lái)使用的是以彈性理論為基礎(chǔ)的容許應(yīng)力法。直到2018年QCR 9300-2018 《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(極限狀態(tài)法)》 正式頒布，但是仍然規(guī)定可以采用容許應(yīng)力法進(jìn)行校核，可以看出我國(guó)鐵路也將要從容許應(yīng)力法向極限狀態(tài)法轉(zhuǎn)軌，極限設(shè)計(jì)原則及方法是符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2394《結(jié)構(gòu)可靠度的總原則》的，新規(guī)范的出臺(tái)是有利于與國(guó)際接軌的。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)一般國(guó)際工程項(xiàng)目中，使用的規(guī)范都是歐洲或美國(guó)規(guī)范為主，然后是國(guó)際鐵路聯(lián)盟規(guī)范與當(dāng)?shù)匾?guī)范為輔。歐美規(guī)范與國(guó)際鐵路聯(lián)盟規(guī)范解決的是基礎(chǔ)計(jì)算方法與理論，當(dāng)?shù)匾?guī)范解決的是當(dāng)?shù)販囟?、氣象、地震區(qū)劃等一些特性方面的問(wèn)題。

(2)目前我國(guó)的設(shè)計(jì)思想大部分已經(jīng)緊跟或者引領(lǐng)國(guó)際步伐，但是如創(chuàng)新理念、全壽命設(shè)計(jì)理論等方面有些新思想仍需不斷吸收消化，以包容的心態(tài)引領(lǐng)國(guó)際鐵路技術(shù)頂端。

(3)我國(guó)鐵路試用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)范建議增加極端事件狀態(tài)設(shè)計(jì)。

(4)建議我國(guó)工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中重視工程的可實(shí)施性與可維修性的設(shè)計(jì)。