韩文雷

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院，北京 100055)

高速铁路代表了当今世界铁路发展的方向，也是时代发展的潮流［1］。随着我国综合国力的增强，大规模、高标准铁路建设的不断推进，我国铁路“走出去”的时机已经成熟，形势更加迫切。铁路工程建设标准国际化是铁路“走出去”战略的最高形式，研究和部署我国高速铁路技术标准与国外铁路先进标准对比分析工作，对进一步完善高速铁路技术标准体系，展示我国铁路发展最新成果，加快实施中国铁路“走出去”战略等十分必要且意义重大。

1 概述

1.1 中国标准

我国铁路工程建设标准体系由综合标准和技术标准两部分构成。综合标准是涉及质量、安全、卫生、环保和公众利益等方面的目标要求或为达到这些目标而必需满足的技术要求及管理要求，是完全强制性的标准;技术标准由共用标准和专业标准两大部分组成，其中共用标准包括与速度无关的基础标准、通用标准、专用标准3个层次;专业标准包括与速度有关的高速铁路、时速250 km以下铁路的通用标准和专用标准2个层次［2］。

我国现行的与铁路桥梁工程设计有关的标准主要有:《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)、《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设［2005］140号)、《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)、《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)、《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2—2005)、《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)、《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》(TB10002.4—2005)、《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005)、《铁路结合梁设计规定》(TBJ24—89)等。

1.2 日本标准

日本铁路技术标准一般由产品标准、建设标准及维护标准三大类组成，分为政府制定的法规(包括法律、省令、告示等)和铁路公司制定的标准(包括规程、准则、指南、参考资料等)2个层次，日本铁路的技术研发目前主要由日本铁道综合技术研究所承担［3］，本文参考的日本现行的与铁路桥梁工程设计有关的标准主要有:《铁道构造物等设计标准·同解说:混凝土结构(2004)》、《铁道构造物等设计标准·同解说:钢·合成结构(2009)》、《铁道构造物等设计标准·同解说:钢混结构(2002)》、《铁道构造物等设计标准·同解说:耐震设计(1999)》、《铁道构造物等设计标准·同解说:变形控制(2006)》、《铁道构造物等设计标准·同解说:基础结构·挡土结构(2000)》等。

2 设计计算理论

2.1 中国标准

中国铁路桥梁设计规范是以容许应力法为基础制定的。我国铁路规范所采用容许应力法是在大量的理论研究和实践检验的基础上取得的，要求桥梁结构在设计、制造、运输、安装和运营过程中应具有规定的强度、刚度、稳定性和耐久性。

2.2 日本标准

日本铁路桥梁设计规范是采用基于极限状态法的性能设计而制定的。通过分析使用极限状态、破坏极限状态以及疲劳极限状态下所有部件的不同荷载组合，计算其最危险的应力状态，结合结构使用者对部件所需性能的判定，最终决定结构物各部件的合理断面尺寸。根据日本铁道综合技术研究所混凝土结构设计标准委员会对日本铁路混凝土结构的设计方法进行的研究，采用极限状态设计方法时，通过进行计算比选，按照极限状态法设计的结构与按以前日本规范规定的容许应力法设计的结构相比没有大的变化。

2.3 对比分析

(1)中日两国规范对桥梁结构采用不同的设计方法，中国桥梁结构设计采用容许应力法为基础的计算设计方法，而日本桥梁结构设计采用极限状态法。由于容许应力法与极限状态法对结构采用不同的阶段进行计算，要比较两种计算方法安全系数上的差异，需对特定的结构全面采用不同的设计方法进行设计才能确定。

(2)目前世界多数国家桥梁结构设计采用极限状态法，极限状态法是目前世界铁路结构设计计算理论的发展方向和潮流，我国也在开展基于可靠度理论的桥梁规范的研究。因此，我国铁路建设技术标准要融入国际标准，需积极开展极限状态理论设计体系的研究工作，尽早将铁路工程结构设计方法由容许应力法转变为极限状态法，使我国高速铁路技术标准既能体现原则性，又具有灵活性，既突出标准的先进性，又具有较好的经济性。

3 设计荷载及其组合

3.1 荷载种类

3.1.1 中国标准

我国高速铁路桥梁结构检算主要按下列荷载种类进行设计计算［4～5］。

(1)恒载(主力):结构构件及附属设备自重、预加应力、混凝土收缩和徐变的影响、土压力、静水压力及水浮力、基础变位的影响;

(2)活载(主力):列车竖向静活载、公路活载(需要时考虑)、列车竖向动力作用、长钢轨伸缩力和挠曲力、离心力、横向摇摆力、列车活载所产生的土压力、人行道及栏杆的荷载、气动力;

(3)附加力:制动力或牵引力、风力、流水压力、冰压力、温度变化的影响、冻胀力;

(4)特殊荷载:列车脱轨荷载、船只或排筏的撞击力、汽车撞击力、施工临时荷载、地震力、长钢轨断轨力。

3.1.2 日本标准

日本新干线桥梁结构检算主要按下列荷载种类进行设计计算:

(1)永久荷载:固定恒载、附加恒载、预应力、土压力、混凝土干燥收缩作用、混凝土徐变作用、地基变位及支点移动的作用;

(2)主要可变荷载:列车活载、冲击力、离心力、车辆横向力及车轮横向压力、制动力及牵引力、施工荷载;

(3)次要可变荷载:轨道作业车荷载、人群荷载、无缝线路纵向力、温度作用、冰压力、流水压力及波浪力、风荷载、雪荷载;

(4)偶发荷载:地震力、汽车撞击力等其他荷载。

3.2 荷载组合

3.2.1 中国标准

我国高速铁路桥涵结构是根据结构的特性和检算内容按恒载(主力)、活载(主力)、附加荷载和特殊荷载最不利组合情况进行设计的，荷载组合主要有主力、主力+附加力和主力(或部分主力)+特殊荷载3种情况，并考虑以下情况:

(1)仅考虑主力与1个方向(顺桥或横桥方向)的附加力组合;

(2)根据各种结构的不同荷载组合，应将材料基本容许应力和地基容许承载力乘以不同的提高系数，对预应力混凝土结构中的强度及抗裂性计算，应采用不同的安全系数。

(3)如杆件的主要用途为承受某种附加力，在计算此杆件时，该附加力应按主力考虑;

(4)流水压力不与冰压力组合，两者也不与制动力或牵引力组合;

(5)列车脱轨荷载、船只或排筏的撞击力、汽车撞击力以及长钢轨断轨力，只计算其中的一种荷载与主力相组合，不与其他附加力组合。

3.2.2 日本标准

日本新干线桥涵结构检算设计主要考虑下列荷载最不利组合。

(1)破坏极限状态:

组合一 永久荷载+主要可变荷载+次要可变荷载;

组合二 永久荷载+偶发荷载+次要可变荷载。(2)使用极限状态:永久荷载+可变荷载。(3)疲劳极限状态:永久荷载+可变荷载。

3.3 设计活载

3.3.1 中国标准

我国高速铁路列车设计活载采用的ZK活载为列车竖向静活载，包括:ZK标准活载和ZK特种活载。ZK标准活载图式为:中间4×200 kN集中力，两边64 kN/m均布力，集中力间距1.6 m，集中力与均布力距离0.8 m(图1);ZK特种活载图式为:中间4×250 kN集中力(图2)。

图1 ZK标准活载图式(单位:m)

图2 ZK特种活载图式(单位:m)

3.3.2 日本标准

2002年以前，日本新干线基本上采用单一的轻型高速列车体系，所采用的设计活载均为非常接近日本实际运营的高速列车活载——N、P标准活载，其图式主要有3种(图3):

(1)N标准活载由多列车厢组成，每节车厢长13.5 m，4 个轴的间距分别为2.2 m、6.3 m、2.8 m，轴重160 kN;

(2)第一类P标准活载由多列车厢组成，每节车厢长20 m，4个轴的间距分别为2.2 m、12.8 m、2.8 m，轴重160 kN;

(3)第二类P标准活载由多列车厢组成，每节车厢长20 m，4个轴的间距分别为2.2 m、12.1 m、3.5 m，轴重170 kN。

图3 N、P标准活载图式

2002年，日本新干线已用H标准活载取代N、P活载，其差别在于车长由13.5、20 m修改为现行的25 m，轴重由标准定员时的160、170 kN修改为考虑超员时修正系数的影响，最大为220 kN，具体可根据情况选用，并无硬性规定(图4)。

3.4 对比分析

图4 H标准活载图式(单位:m)

(1)中日规范对于设计荷载需考虑的荷载类型基本相同，但对于荷载计算(特别是活载、冲击系数、制动力)的规定上有所区别，荷载组合上也有所不同。

(2)日本新的高速铁路标准设计活载——H标准活载，基本和日本实际的高速运营列车活载相当，同时考虑了超员时的修正系数，最大为220 kN。轻量化车体虽然是日本新干线的发展趋势，但同一条线路上多达10种类型的新旧动车混跑，则是日本行车组织的特点，车轻有利于节能和提速，但并意味着可以降低线下工程的设计活载。

(3)高速铁路活载图式是基础工程设计的基础，是相当重要的参数，既要重视现在，也要兼顾未来，既要安全又要兼顾经济。我国为幅员辽阔的大陆国家，高速铁路主要为客运专线，在制定我国高速铁路活载图式时，首先应考虑基础设施按350 km/h的要求，其次考虑可能通过轴重较大的跨线列车和必要时可运行货物列车，另外还考虑了高速铁路活载图式向国际标准靠拢。因此，借鉴同我国目标值和运营模式相近的国外高速铁路经验，通过综合分析，参照UIC活载的模式，决定采用0.8UIC活载也就是ZK活载图式作为我国高速铁路活载图式［6］。

(4)ZK标准活载作为中国高速铁路设计活载，其静、动载效应均大于跨线列车和高速列车的静、动载效应，并有一定余量，且设计活载与实际运营活载间的余量与既有铁路设计活载(中-活载)与实际运营活载间的余量相当，其作用于结构上的内力变化与实际运营活载内力变化规律也比较协调，这将有利于加强国际间的交流，也有利于实施铁路“走出去”战略。

4 主要设计参数

4.1 动力系数

4.1.1 中国标准

动力系数是结构或构件最大的动力响应与最大静力响应之比，其数值大小是列车—轨道—桥梁三者的动力特性和动力相互作用状态的综合反映。我国高速铁路桥梁动力系数的取值与桥梁跨度有关，ZK活载作用下桥梁结构动力系数(1+μ)按下列公式计算

式中 Lφ——加载长度，m，简支梁时为梁的跨度。

4.1.2 日本标准

日本新干线动力系数的取值与桥梁跨度、速度、单(双)线等参数有关。对于混凝土结构，单线桥梁进行破坏极限状态检算时设计冲击系数i见下式

式中 Ka——根据列车荷载类别等确定的系数;

α——速度参数;

式中 V——列车或车辆的最高速度，km/h;

n——构件的基本自振频率，Hz;

L——构件的跨度，m。

单线桥梁进行使用极限状态及疲劳极限状态检算时，设计冲击系数可取按上述方法所确定的破坏极限状态时设计冲击系数的3/4;复线桥梁进行使用极限状态及疲劳极限状态检算时，设计冲击系数可取按上述方法所确定的破坏极限状态时设计冲击系数基础上再乘以折减系数βi(L≤80 m时βi=1－L/200，L＞80 m时βi=0.6)。

4.2 梁体竖向刚度

4.2.1 中国标准

我国高速铁路以梁体跨中挠跨比、梁端转角、梁体工后徐变上拱等参数控制对梁体竖向刚度，规定了梁部结构在ZK竖向静活载作用且不计动力系数的情况下，梁体的竖向挠度不应大于表1的限值。

4.2.2 日本标准

日本2006年发布的变形控制标准规定:基于运营安全考虑，在对梁体进行挠度检算时，复线一般应以双线加载为计算条件，必要时考虑冲击力。由于梁端转角和挠度两者有近似的比例关系，所以采用了限制挠度的方法进行控制，日本规范根据不同设计速度和不同跨度，在安全性及舒适度方面分别规定了跨中竖向挠度设计限值，见表2、表3。

表2 日本新干线铁路基于运营安全确定的梁挠度的设计限值

表3 日本新干线铁路基于乘坐舒适度确定的梁挠度的设计限值

4.3 梁体横向刚度

4.3.1 中国标准

我国高速铁路以梁体跨中横向挠跨比、墩顶横向水平折角等指标控制结构横向刚度，在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下，梁体的水平挠度不应大于梁体计算跨度的1/4 000，无砟轨道桥梁相邻梁端两侧的钢轨支点横向相对位移不应大于1 mm。

4.3.2 日本标准

日本规范认为桥梁的横向刚度相对于竖向刚度一般较大，其并不控制设计，因此规定横向刚度检算时一般取竖向挠度的一半，同时需控制无砟轨道在列车荷载下桥梁轨道面的错位(位移)及折角。

4.4 梁体竖向自振频率

4.4.1 中国标准

我国高速铁路设计规范规定简支梁竖向自振频率不应低于下列限值:

式中 n0——简支梁竖向自振频率限值，Hz;

L——简支梁跨度，m。

4.4.2 日本标准

日本规范规定高速铁路桥梁的竖向自振频率应满足下列要求:

(1)钢筋混凝土桥

V≤210 km/h f0≥55L－0.8

210 km/h ＜V≤260 km/h f0≥70L－0.8

260 km/h ＜V≤300 km/h f0≥80L－0.8

(2)钢桥

V≤300 km/h f0≥70L－0.8

式中 f0——梁体竖向自振频率限值，Hz;

L——简支梁跨度，m;

V——列车运营速度，km/h。

4.5 对比分析

(1)中国规范对于动力系数与桥梁跨度有关;日本规范对于动力系数与桥梁跨度、速度、单双线等参数有关。

(2)我国高速铁路桥梁动力系数是在分析研究国外研究成果的基础上，通过建立车－桥竖向相互作用的动力学模型，计算各种高速列车(动力分散式及动力集中式)作用下的桥梁的动力系数，分析影响的主要因素和变化规律，并对计算成果进行统计分析，得出我国高速列车活载动力系数的建议值。

(3)对比分析我国与日本桥梁挠跨比可知，中日规范对于静活载下梁体竖向跨中挠跨比均根据设计速度、跨度规定了限值。日本通过近些年新干线运营、养护维修的经验，在高速铁路标准的制定上也有了较大的变化，2006年的变形控制标准规定应根据桥梁的安全性、使用性和可修复性要求对梁体竖向刚度进行检算，除此之外，该规范还要求对桥梁在地震作用状态下横向的振动变形和竖向的轨面不均匀变形等进行检算。梁体竖向变形对乘坐舒适度影响较大，日本规范已单独提出限制，建议设计中应重视梁体竖向变形的控制。

(4)近年来，日本针对新干线桥梁的特点与性能，对桥梁竖向刚度开展了深入的研究工作，通过“车－线－桥”耦合振动体系动力响应分析和室内、外动力试验验证，对桥梁设计标准、限值进行了必要的修订，使其桥梁设计更为合理、安全和经济。日本铁路对桥梁的刚度有着全面系统和严格细致的要求，考虑到今后新干线提速的可能，日本对变形控制标准进行了扩充以便使用。

(5)两国铁路桥梁设计规范都对桥梁的最大横向变形(静位移)进行了限制，目的是为列车运行提供平直的轨道，如果水平位移过大，就会产生显著的轨道的方向不平顺，进而影响车辆运行的安全性和乘坐舒适性。

(6)桥梁的竖向自振频率是桥梁动力系数出现峰值的根本原因，因此为避免桥梁出现激烈的振动，保证列车高速运行的安全性和舒适性，对桥梁的最小自振频率加以限制是十分必要。我国高速铁路规定了不同跨度简支梁竖向自振频率的限值，以及不同速度目标值常用跨度双线简支箱梁不需进行动力检算的竖向自振频率限制;日本新干线根据不同的运营速度规定了桥上自振频率的最低限制。

5 结语

中日高速铁路桥梁工程标准之间的不同有很多，本文限于篇幅主要是找了几个不同点来加以说明。

标准从本质上讲是一个技术体系，但在很大程度上也是一个国家经济政策的体现。国外标准是经过多年的实践经验，在适合本国国情的基础上建立起来的一套综合体系，但应该看到其并不完全适用于其他国家。我国铁路工程建设技术标准应在综合考虑我国的国情、路情的基础上，充分利用我国已取得的大量实车试验基础数据，并借鉴国外先进标准，有针对性地开展系列理论分析、试验验证等工作，夯实标准的理论基础，优化标准参数，逐步完善提高我国铁路工程建设技术标准的水平，以指导我国大规模、高标准铁路建设，进而加快推进中国铁路“走出去”战略。

［1］郑 健.中国高速铁路桥梁［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［2］朱飞雄.优化调整我国铁路工程建设标准体系的探讨［J］.铁道标准设计，2010(S1):5-9.

［3］中铁二院工程集团有限责任公司.中日铁路技术标准对比分析［R］.成都:中铁二院工程集团有限责任公司，2009.

［4］中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［5］铁建设［2005］140号 新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［6］辛学忠，张玉玲.铁路桥梁设计活载标准修订研究［J］.铁道标准设计，2006(4):1-4.