张海荣

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

中俄规范在铁路钢桁梁桥设计中的应用研究

张海荣

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

在某国际铁路钢桁梁桥设计过程中，对中、俄两国现行桥梁设计规范计算结果进行对比，同时，采用中国试行极限状态法规范进行试算，比较3种规范的差异性和计算结果的安全储备。中国两种规范设计结果安全储备相差不大，而与俄方规范相比，不同检算项目相差较大，俄方规范对压杆强度控制更为严格，中国规范对疲劳强度控制更为严格。

国际铁路；钢桁梁；俄罗斯规范；极限状态法设计

在参与国际铁路建设项目时，必须熟悉不同国家的设计规范，这是我们进入国际市场的必要条件。笔者在从事某国际铁路桥的设计工作过程中，对中俄两国的桥梁设计规范，尤其是钢桁梁的设计规定，进行了较为详细的应用研究。在此，重点介绍中俄两国规范中有关桥梁设计、特别是钢桁梁设计方面的差异性和检算结果对比情况，以供从事国际铁路桥梁设计工作时参考。同时，把按照我国铁路桥梁试行极限状态法规范计算的情况一并做了对比，期望在新规范试行过程中积累更多的验证实例。

1 中国规范与俄罗斯规范差异性

1.1 规范的设计理论

我国现行的铁路桥涵设计规范，最早形成于1950年，是以前苏联铁路桥涵设计规范为蓝本制定的，后经中国工程师结合本国工程实践不断研究、试验、完善，逐步修订形成了现行系列规范。这一系列规范是以容许应力法为基础的。

容许应力法产生于1826年，将材料视为线弹性体，通过对材料强度的折减来保证结构的使用可靠性，此折减系数即为安全系数。

俄罗斯现行规范采用原苏联国家建设委员会1984年颁发的《公路、铁路、城市道路桥涵设计规范》(2.05.03—84)，是以可靠度理论为基础，按极限状态理论进行设计。

基于可靠度理论的极限状态设计方法，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行计算。承载能力极限状态是以塑性理论为基础，要求荷载效应不利组合的设计值小于或等于结构抗力效应的设计值；而正常使用极限状态是以弹性理论或弹塑性理论为基础。

比较而言，极限状态法是将容许应力法中笼统的单一安全系数分解为抗力和荷载两方面，并且对不同的抗力和不同的荷载原始数据进行统计分析，对结构所处的不同工作状态，采用不同的荷载系数、材料抗力系数进行设计，以取得更科学合理的设计和更好的经济效益。我国铁路桥梁基于可靠度理论的极限状态法设计规范正在试行阶段。

1.2 荷载标准值比较

除了设计理论不同外，中俄两国规范规定的荷载标准值也存在差异，但中国容许应力法和铁路桥梁试行极限状态法的荷载标准值基本相同。比较中俄规范，对钢梁设计影响比较大的主要是列车活载、动力系数和横向摇摆力。

(1)列车竖向静活载标准值

两国铁路接轨后，要能同时通行两个国家的列车。在本文讨论的项目中，首先分析了中俄两国实际通行的列车。中国列车轴重220 kN，俄罗斯列车轴重226 kN，轴重比较接近。中国牵引质量是5 000 t(61节车厢，长度850 m)，俄罗斯牵引质量是6 000 t(71节车厢，长度1 050 m)，每延米质量也比较接近。但是，中俄两国规范中给出的活载标准值相差很大。

由于俄方规范中没有给出具体的活载图示，所以将“中-活载”与俄CK活载不同加载长度的换算均布活载效应进行比较，如图1、图2所示。

图1 端部换算均布活载K0

图2 跨中换算均布活载K0.5

比较可知，俄CK荷载效应是“中-活载”效应的1.28～1.66倍。这么大的活载差异从何而来？对比两国规范发现，俄方规范活载标准值已经考虑了机车车辆的发展，而中方容许应力法规范中要额外考虑预留活载发展系数n和活载发展均衡系数η。要求设计时，应将基本容许应力增加20%，桥跨结构中所有主要杆件承担超量活载的能力基本一致，以便在长期使用中，适应机车车辆质量增长及特种超重列车通过的需要。也就是说，这个预留活载发展系数n应大于1.2。但具体到每个桥，这个预留活载发展系数是不相同的。我国铁路桥梁试行极限状态法规范对此进行了调整，“中-活载”标准值与容许应力法相同，但活载分项系数采用1.5，同时还要按钢材强度设计值增加20%考虑活载发展系数，这样，按铁路桥梁极限状态法设计时活载的效应就增大许多。

(2)列车竖向动力作用

①采用“中-活载”计算

强度计算时：1+μ=1+28/(40+L)

疲劳检算时：1+μf=1+18/(40+L)

②采用俄CK活载计算

强度计算时：1+μ=1+18/(30+λ)，但不得小于1.15；

疲劳检算时：1+μf=(1+2/3μ)；

式中L或λ，除承受局部活载杆件为影响线加载长度外，其余均为桥梁跨度。在按俄方规范进行疲劳计算时，活载必须乘以ε系数，且ε与动力系数的乘积不应小于1。当λ在10～25 m范围内时ε=0.85，当λ≤5 m或λ≥50 m时，ε=1.0，对于λ的中间值可内插计算。

③中、俄动力系数比较

对于不同跨度，分别按中、俄规范计算的动力系数比较见图3。

图3 中俄规范计算动力系数比较

从图中看出，对于强度计算，两国规范的动力系数比较接近，在跨度小于144 m时中国规范比俄方规范略大，在跨度小时最大超出约8%。对于疲劳计算，当不考虑活载调整系数ε时，两国规范计算出的动力系数比较接近，中国规范计算值略大。但考虑ε系数后，在跨度小于50 m时，两国规范相差较大，中国规范计算结果比俄方规范最大超出23%。这主要是由于俄方规范中标准活载已考虑预留活载发展，且预留轴重比实际运行的轴重要大很多，所以在疲劳计算时，10～25 m加载长度范围内活载效应折减较多。

(3)横向摇摆力标准值

我国《铁路桥涵设计基本规范》规定，摇摆力作应取100 kN，作为一个集中荷载取最不利位置，以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面，且摇摆力作为主力，要考虑和其他附加力如风力进行组合。

俄方规范规定，铁路列车横向摇摆力按0.59KkN/m(K=14)施加在轨道顶面高度上的均布荷载计算，且与离心力、制动力和风力都不进行组合。

1.3荷载分项系数、荷载组合系数、抗力分项系数及设计安全系数比较

极限状态法把容许应力法中单一的安全系数转化为与荷载、组合和材料有关的三个系数，并根据定义赋予不同的名称，中俄规范采用的系数定义略有不同。这里以承载能力极限状态设计的几种常规组合为例，结合钢结构设计，对3种规范采用的系数进行对比。篇幅所限，计算具体公式和参数说明可参见各自规范。

(1)荷载分项系数

中国现行容许应力法规范中，各种工况组合均不考虑荷载分项系数，直接按荷载标准值计算结构内力和设计应力。

在俄方规范中，荷载分为恒载及不变的影响力、临时荷载及影响力、其他荷载三大类，在按各种极限状态进行计算时，要计入荷载可靠度系数γf。

在中国铁路桥梁极限状态法设计试行规范中，荷载分为永久荷载、基本可变荷载、其他可变荷载、偶然荷载四大类。在各种极限状态组合时，要分别计入永久荷载分项系数γG和可变荷载分项系数γQ。

本文用到的两国规范的荷载可靠度系数或分项系数比较见表1。

表1 荷载分项系数和荷载可靠度系数比较

注：当对结构的承载能力为有利作用时，其永久荷载效应的分项系数采用括号内数值。

上表中承载能力极限状态的5种基本组合按中国铁路桥梁试行极限状态法规范说明如下。

组合Ⅰ：永久作用设计值效应与基本可变作用设计值效应相组合；

组合Ⅱ：永久作用设计值效应与其他可变作用设计值效应相组合；

组合Ⅲ：永久作用设计值效应与基本可变作用设计值效应与风载设计值效应相组合；

组合Ⅳ：永久作用设计值效应与基本可变作用设计值效应与温度设计值效应相组合；

组合Ⅴ：永久作用设计值效应与施工荷载设计值效应与其他可变作用设计值效应的效应相组合。

比较可见，活载分项系数差异比较大。中国极限状态法在延续容许应力法的情况下，采用了较高的列车活载分项系数，而俄方规范因为活载标准值本身已经考虑了预留活载发展，所以采用了较小的列车活载可靠度系数。

(2)荷载组合系数、抗力分项系数(材料可靠度系数)和结构安全系数

对于荷载组合系数，3种规范根据荷载同时出现的几率大小，做了详细规定。与中国铁路桥梁试行极限状态法规范的最大差别是，俄方规范规定当考虑2个及以上可变荷载时，其中一个可变荷载为0.8，其他荷载为0.7。也就是说，在组合其他可变荷载时，俄方规范对车辆活载作用也进行了折减。

按容许应力法进行钢梁设计时，工况分别按主力、主力+附加力、主力+特殊荷载进行组合计算，将设计应力与钢材容许应力进行比较，检查结构是否安全。不同外力组合采用不同的容许应力提高系数。钢材的基本容许应力对屈服强度的安全系数，各钢号基本上都采用1.7左右。

中国铁路桥梁试行极限状态法规范在计算荷载组合时，除荷载分项系数、荷载组合系数外，还要考虑结构重要性系数γ0。结构重要性系数代表不同的安全等级，是对荷载和抗力分项系数综合分析后确定的，本项目钢梁，因为跨度大结构复杂，故按一级考虑，γ0=1.1。计算结构抗力时，要考虑材料抗力系数γfak， Q370qE钢材γfak=1.25。

按俄方规范计算钢构件抗力时，要考虑材料的可靠度系数γm和工作条件系数m，但没有结构重要性系数。按俄方规范用于北方A型结构的钢材，γm=1.125，m=0.9。

1.4 钢梁有关计算规定的差异

(1)梁体的水平挠度控制标准不同

我国《铁路桥涵设计基本规范》规定“在列车横向摇摆力、离心力和风力的作用下，梁体的水平挠度应小于或等于梁体计算跨度的1/4 000”，俄方规范对此没有明确规定。

(2)钢桁梁横向受风面积规定不同

两国规范中，钢桁梁横向风力作用下的受风面积填充系数不同，中方现行容许应力法规范中为0.4，试行极限状态法中为0.2～0.4，并可根据桁架实际挡风面积进行计算确定；俄方规范中为0.2。这成为影响双方横向位移计算难于达成一致的主要原因，从应用看，中方极限状态法的规定对不同桁架结构的适应性更强，也更为合理。

(3)钢结构设计时计算截面特性取用不同

中国规范规定，结构变形和压杆的强度、稳定计算采用毛截面，拉杆的强度和疲劳计算采用净截面。俄方规范规定，结构变形和杆件的稳定、疲劳计算采用毛截面，杆件的强度计算采用净截面，而与杆件所受拉力或压力性质无关，这点区别对疲劳和压杆的强度计算结果影响较大。

(4)疲劳计算方法不同

《铁路桥梁钢结构设计规范》采用考虑累计损伤的分细节应力幅容许应力设计法，根据我国长期试验研究，规定了各种构件或连接的疲劳容许应力幅。

试行极限状态法规范规定，钢结构疲劳极限状态按等效等幅重复应力法进行检算，当检算不能通过时，再用极限损伤度法检算。这一版规范不但建立了疲劳应力谱和极限损伤度应力谱，还进一步完善了各种联接形式的疲劳破坏试验数据。

而俄方规范对于钢结构及其联结构件的疲劳计算，采用的是最大应力限制。虽然疲劳计算公式中，也引入了与影响线加载长度、钢号、加载方式、构件连接形式等有关的系数，但与疲劳破坏的关系并不十分清晰。

2 采用中、俄规范进行钢梁设计计算情况的比较

2.1 研究对象的基本技术条件

本文以计算跨度144 m单线下承式简支钢桁梁为例，就主桁弦杆计算，分别列举了3种规范的设计结果。计算中采用了中国钢材的性能指标，所不同的是，采用“中-活载”加载时按中国规范进行计算，采用俄CK活载加载时按俄方规范进行计算。144 m单线下承式简支钢桁梁桁架形式如图4所示。

图4 144 m简支钢桁梁主桁结构形式(单位：mm)

根据中国规范规定，对于简支钢桁梁，杆件高度与长度之比大于1/10时应考虑节点刚性的影响；根据俄方规范，杆件高度与长度之比大于1/15时应考虑节点刚性的影响。综合考虑两国规定，上述桁架的下弦杆应考虑节点刚性的影响，上弦杆可按铰接计算。

2.2 钢桁梁设计计算情况

为比较不同规范计算结果的安全储备，选取各个规范的控制工况，计算了杆件各截面设计值与容许值的比值，并绘制成曲线。

(1)上弦杆受压强度计算

上弦杆受压强度计算的比较情况详见图5。

比较来看，中国规范的容许应力法和试行极限状态法计算结果基本一致，且有一定优化空间。而按照俄方规范，强度设计值已接近容许值，主要原因是按俄方规范计算受压杆件强度时，采用了扣除栓孔影响的净截面。由此可见，压杆强度检算，俄方规范更为保守。

(2)上弦杆受压稳定性计算

上弦杆受压稳定性计算的比较情况详见图6。

从图上曲线看，3种规范对杆件受压稳定性计算结果比较接近，俄方规范略保守些。

图5 上弦杆强度计算结果曲线比较

图6 上弦杆稳定计算结果曲线比较

(3)下弦杆受拉强度计算

下弦杆受拉强度计算的比较情况详见图7～图8。

从图上曲线看，不考虑节点刚性影响的次应力时，中国规范计算结果比俄方规范计算结果更控制设计，按俄方规范计算结果看结构仍有一定优化空间，两国规范计算结果的差异约6%。考虑节点刚性影响的次应力后，3种规范计算结果安全度比较接近。从铰接模型与刚接模型的计算对比可以看出，中国容许应力法与试行极限状态法计算比较一致，且主力组合更控制设计，主力组合与主力+次应力组合设计结果差异约10%；而按俄方规范计算时，两者结果非常接近，且考虑节点刚性影响的结果更为控制设计，这与俄方规范中对于节点刚度产生的弯矩应减小20%进行组合计算的规定有关。

图7 下弦杆强度计算结果曲线比较(铰接)

图8 下弦杆强度计算结果曲线比较(刚接)

(4)下弦杆疲劳强度计算

下弦杆受拉疲劳强度计算的比较情况详见图9～图10。

疲劳计算时，3种规范差异比较大，从图9和图10可以看出，试行极限状态法规范最为严格，容许应力法次之，俄方规范最为宽松。而且，在采用试行极限状态法规范计算疲劳强度时，年运量的影响很大。对本桥而言，当年运量标准较高时，试行极限状态法与容许应力法计算结果差异会更大。比较铰接模型和刚接模型计算结果发现，考虑节点刚性影响时更控制设计。而且，考虑节点刚性影响后，按试行极限状态法计算时，部分杆件疲劳强度略超出容许值，主要原因在于试行极限状态法规范对构造系数k3取值的规定：铰接模型下弦杆取0.8，当采用空间刚接模型计算时取1.0，而对容许值没有调整。

图9 下弦杆疲劳计算结果曲线比较(铰接)

图10 下弦杆疲劳计算结果曲线比较(刚接)

3 结论和建议

(1)中俄两国规范基础理论不同，活载标准值不同，对于结构设计的控制情况会有所不同。

(2)从本文研究的对象看，除疲劳强度外，中国现行容许应力法与试行极限状态法设计结果安全储备相差不大，而与俄方极限状态法计算结果相比，不同检算项目相差较大。俄方规范对压杆强度控制更为严格，而中国规范对疲劳强度控制更为严格。但是，按铁路桥梁试行极限状态法规范进行疲劳强度计算是否会引起普速桥梁结构用钢量增加还有待进一步研究。

4 结语

铁路作为节能环保的交通方式，逐步得到世界各国的关注，国际铁路项目逐渐增多，应用不同的规范体系进行设计是设计人员经常会遇到的问题。本文研究

了中、俄方桥梁设计规范的主要差异，对比了应用两国规范进行简支钢桁梁设计的计算结果，比较了不同检算项目的安全储备量，对类似工程项目的技术经济性研究和规范标准采用有一定参考作用。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[3] 前苏联国家建设委员会编.СНиП 2.05.03-84 公路、铁路、城市道路桥涵设计规范[S].毕旌扬，译.北京：交通部公路规划设计院，1991．

[4] 铁总建设[2014]149号 Q/CR9300-2014 铁路桥涵极限状态法设计暂行规范[S].北京：中国铁路总公司，2014.

[5] 冯德泉.中俄铁路设计标准对比与分析[J].铁道标准设计，2012(6)．

[6] 周四思.《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1-2005)若干问题的说明[J].铁道标准设计，2006(3)．

[7] 周尚猛，李亚东.国内外铁路桥梁规范抗疲劳设计方法分析[J].铁道标准设计，2010(3)．

[8] 陶晓燕，张玉玲.铁路钢桥结构疲劳极限状态设计方法研究[J].铁道工程学报，2014(5)．

[9] 项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001．

[10] 铁道专业设计院.铁路工程设计技术手册(钢桥)[M].北京：中国铁道出版杜，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

张海荣(1970—)，女，高级工程师，1996年毕业于天津大学流体力学专业，工学硕士，E-mail：zhanghairong@tsdig.com。

1004-2954(2014)11-0089-05

U442.5+1

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.021