许三平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

中国铁路取得了举世瞩目的成就，桥梁的结构形式、结构跨度、设计理论、施工工艺和装备水平都得到了长足发展，大跨度桥梁实现了千米级跨越，桥梁建设水平进入世界先进行列[1]。随着我国高速铁路的快速发展，中国高铁已成为展示中国形象和发展成就的一张亮丽名片。截至2019年底，我国铁路营业里程已达13.9万km，其中高速铁路3.5万km，高铁桥梁达到3.5万余座，长度达到1.9万余km。随着“一带一路”倡议的提出和实施，中国铁路技术开始走出国门，走向世界[2-4]。

我国铁路已形成了较为完整的技术标准体系，但在国际上尚未得到完全认可，面临重重技术壁垒，在提高标准国际化等软实力方面任重道远。此外还有海外项目的政治环境、宗教、文化习惯、养护水平、自然环境等建设环境，各国建设流程均与国内有着天壤之别。

2 世界各国标准体系综述

国际标准化组织(ISO)关于标准的定义是：“一种或一系列具有强制性要求和指导性功能，内容含有细节性技术要求和有关技术方案的文件，其目的是让相关的产品或者服务达到一定的安全标准或者进入市场的要求。”

铁路建设标准比较典型的代表是欧洲地区的德国、法国，美洲的美国，亚洲的日本等，下面选取这些国家的标准[5]进行对比，如表1所示。

表1 世界各国标准体系对比

3 世界各国桥梁设计理念及方法

3.1 设计理念

18世纪工业革命带来的技术进步，将以英国、法国为代表的欧洲国家桥梁建设技术推到前所未有的水平；19世纪末至20世纪中期，美国大跨度桥梁世界领先；二战后德国在预应力混凝土悬臂施工、斜拉桥技术的发展与应用，日本以明石海峡大桥为代表的跨海大桥的建设，也是成绩斐然。国外发达国家铁路桥设计理念综述如下。

德国铁路桥梁不多，主要以谷架桥为主，也有少量的立交桥。德铁在早期新建高速线广泛使用预应力混凝土梁或SRC梁；施工中大部分采用顶推法连续施工；桥墩粗壮，纵向刚度较大，近年来也在研究整体式轻型桥梁(图1)。

图1 德国整体式桥梁

法国在修建铁路桥梁时，着重强调桥梁要将艺术及周围人文、自然景观等协调一致(图2)，几乎每座桥梁造型都不相同，做到了一桥一景。法国高铁对桥梁的动力性能要求较高，强调安全舒适性，同时注重维修养护水平，降低噪声对周边的影响。

图2 法国铁路桥梁

意大利桥梁设计理念突出制架水平，以制造大吨位架桥机闻名于高速铁路桥梁界，桥梁多采用预制架设方法施工(图3)。

图3 意大利铁路桥梁

日本是一个多山、自然灾害频发的国家，为提高桥梁抗震性能，早期的日本桥梁以钢桥及结合梁桥为主(图4)，后来由于养护及噪声等环保的因素开始大量使用混凝土结构，突出桥梁的经济性及节能环保要求[6]。另外日本桥梁考虑施工因素较多，尽量减少施工对周边环境的干扰，强调简易施工方法。

图4 日本铁路桥梁

总之，国外铁路桥梁的设计理念除法国强调周围人文、自然景观等协调一致外，一般强调设计的经济、适用、施工便捷、维养方便，注重环境保护，减少施工干扰的设计理念。另外，对比中国和国外桥梁设计标准，可以发现，相比中国铁路标准，国外特别是欧标具有通用性、灵活性等特点[7]。美国没有传统意义上的高铁，华盛顿至纽约的铁路最高运营速度240 km/h，但只有波士顿附近大概50多km的新轨道能够达到这个速度。铁路桥梁强调全寿命经济分析法，设计者和承建者要对工程的“全寿命”负责到底。

由于国民经济的快速发展及综合国力的大幅提升，中国铁路桥梁经历了从早期的经济适用，到高铁时代的安全舒适、以人为本的设计理念，取得了长足的进步。为了中国铁路桥梁“走出去”，还需要更新设计理念，寻求安全舒适与经济性的平衡点，追求全生命周期的综合经济性；研究、推广绿色建造技术[8-10]。建造安全舒适、节能环保、经济适用、耐久性好的美观桥梁结构。

3.2设计方法

英国桥梁设计规范BS5400是很有代表性的标准，以极限状态法为基础[11]。美国公路桥梁设计规范在20世纪80年代采用极限状态理论制定，并与容许应力法并行使用，2007年以后完全采用极限状态法[11]。前苏联1984年采用可靠度理论，按极限状态法进行桥梁设计，目前俄罗斯依然采用这一结构设计方法[11]。日本土木学会从1986年开始使用极限状态法，铁路桥梁设计从1992年开始逐步采用[11]，目前已全面实行与性能相协调的极限状态法[11]。

我国在20世纪80年代开始推进极限状态法的研究，并在吸收国外成果的基础上，编制了《工程结构可靠度设计统一标准》、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》等规范，见图5；铁路桥梁目前仍主要采用容许应力法，2011年底全面启动基于可靠度理论的极限状态法，2014年完成了企业标准Q/CR 9300—2014《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》，2018年颁布正式标准[12-14]，较2014年标准做了较大改动。

图5 结构状态和可靠度指标示意

桥梁设计分为承载能力极限状态和正常使用极限状态，欧标将承载能力极限状态ULS细分为倾覆、强度、疲劳、地基四类；中国标准没有细分。欧标将正常使用极限状态SLS分为可逆和不可逆；国标需满足正常使用和耐久性要求[15]。

欧洲规范采用φ150 mm×300 mm混凝土圆柱体抗压强度作为混凝土抗压设计的力学指标，中国规范采用150 mm×150 mm×300 mm混凝土棱柱体轴心抗压强度作为设计依据，对应相同的立方体抗压强度，混凝土抗压强度标准值取值对比见表2。

表2 中、欧规范混凝土抗压强度标准值对比 MPa

强度设计值是由材料标准值和材料分项系数综合得到，欧标对于材料分项系数分别对承载能力极限状态的不同设计状况、正常使用极限状态、基础材料的分项系数取不同值，而国标则未进一步细分，见表3。

表3 材料分项系数对比

关于荷载组合，欧标承载能力极限状态包括稳定(EQU)、强度(STR)、地基(GEO)荷载3种模式，设计值包括A、B、C组，涉及岩土的结构和地基承载力验算采用3种补充方法之一选用，区别主要是作用力分项系数及材料分项系数的不同桥梁设计采用设计值，见图6。

图6 欧标设计值计算方法示意

国标承载能力极限状态只有一种组合，分项系数也不一样，特别是欧标引入系数RC，与分项系数相乘，国标采用重要性系数，数值虽然相同，但国标是总荷载效应系数，显然放大了荷载效应的计算值。还有欧标针对不同荷载组合(标准、频遇、准永久)也引入组合系数ψ，不利永久作用的折减系数ξ，国标则没有。关于可变荷载中制动力、离心力、摇摆力的组合，2014版极限状态法和欧标均有不同的组合值，2018版极限状态法却取消了。

4 桥梁设计对比

4.1 设计方案

由于环保、土地制度、用工等原因，国外桥梁设计方案突出因地制宜、以人为本、经济适用、施工便捷、维养方便、节能环保，强调精细化、标准化、机械化施工，注重新材料研发，推广装配式特别是拼装桥墩等绿色建造技术。而国内由于受各行政主管部门的需求影响，强调各自领域的重要性。设计方案在适用、综合效益方面有所欠缺。在我国的公路、河道上，已建成一些不合理、不经济的大跨桥梁，甚至出现预留大跨度桥梁，而规划更改的现象，造成了较大的工程风险和工程投资的浪费。有桥梁专家呼吁，设计方案应重点关注创新、质量和美观这3个方面，同时还要十分重视经济性

4.2 桥梁设计

4.2.1 桥梁上的作用

欧标作为目前国际上比较通用的标准，受到世界各国的普遍认同。对比来看，作用分类欧标(图7)与国标基本相同，国标增加了地震作用，其实也是偶然作用。代表值欧标和国标无明显差异，永久作用的代表值为标准值，可变作用的代表值为标准值、组合值、频遇值、准永久值，只是取值方法及大小存在差异。2018版的铁路极限状态法频遇及准永久组合系数多为1，而2014版极限状态法、公路规范及欧标频遇组合系数均<1，欧标准永久组合系数为0。

图7 欧标荷载组合

4.2.2 设计活载

国际铁路联盟制定的UIC规程776-2R有关高速与超高速线路上的桥梁设计荷载采用UIC-71标准荷载，它与一般线路上桥梁设计荷载相同，因为UIC有关国家的高速线为客货混运线路，包括最高时速为250 km的长途客车和最高时速为300 km的高速车型客车活载。欧标交通荷载主要包括LM71、SW/0(用于连续梁检算)、SW/2(代表重载)、HSLM(代表客车荷载)，用于国际线路动力检算；还有真实列车荷载，用于其他线路动力分析和疲劳分析[16]。

日本新干线为客运专线，并在规范中制定了N-16(货物列车)、P-16和P-17(旅客列车)荷载，并以N、P荷载作为桥梁的设计荷载。

中国客运专线采用ZK活载，其荷载图式采用UIC活载图式的模式，考虑跨线列车等因素，其值定为UIC71活载的0.8倍。城际铁路采用ZC荷载，为UIC71活载的0.6倍，客货共线铁路采用ZKH，重载铁路采用ZH活载，见图8。

图8 中国铁路桥梁活载图示(单位：m)

从国内外高速活载图式来看，ZK活载最大，日本新干线与UIC的高速车型客车活载相差不大。从设计运营的动车组来看，ZK活载安全储备较大。另外，关于可变荷载中制动力、离心力、摇摆力的组合，中国老版极限状态法和欧标均有不同的组合值，但新版极限状态法标准取消了。

4.2.3 其他荷载

以风荷载和温度荷载作对比。

欧标对于风荷载研究比较深，特别是英标，考虑了湍流系数、暴露系数、动力系数、峰值风速等因素[17]。对比国标有较大的不同，新版的极限状态法在原来铁路桥涵设计规范的基础上，对风压系数有调整，总体来说是提高了，但与欧标相比，风压强度总体偏低，欧标风压强度是中国铁路桥涵设计规范的3～4倍，可能控制设计。

温度荷载欧标分为均匀温度分量、线性温度分量和非线性温度，对于桥梁结构的设计与计算考虑均匀温度和温差的影响。考虑桥面板材料传热性质的不同，其中在考虑竖向温差效应时，给出了等效的线性计算方法和非线性计算方法。国标温度荷载分为均匀温度效应和温差效应，与欧洲规范相比，缺少针对组合结构桥梁的控制温度取值与控制温差分布模式规定。此外，欧洲规范给出了考虑均匀温度和温差效应同时发生时的均匀温度分量与温度差分量的组合方式，中国规范并没有明确提出控制温度与控制温差之间相互的组合方式。

4.2.4 桥梁设计

桥梁设计主要分梁部、墩台、承台及基础，设计内容各国没有本质区别，图9为欧标桥梁设计示意[18-20]。

图9 欧标桥梁结构计算示意

4.2.5 桩基设计

(1)中国铁路桥梁极限状态法规范和欧标设计方法的组合方式基本相同，只是在系数的取值上略有差异，而美国采用安全系数法，但与传统的单一安全系数法不同，针对不同的荷载特点采用了不同的安全系数，与概率极限状态法有所接近，日本规范所采用的分项系数实质与美国相接近。

(2)桩基轴向抗压承载力的计算，对于黏性土，日本规范是基于土的黏结力，美国是基于不排水剪强度，中国规范按入土深度和液性指数确定；对砂性土，日本规范是基于土的标贯击数，美国是基于土的上覆应力与摩擦角，中国铁路桥梁设计规范按埋深及密实状态(标贯击数)确定，原理与美国相对接近。欧标未直接给出具体的计算方法，参数设计法一般基于标贯击数，对于黏性土还有一个折减系数，岩石有一个完整度的概念，有的甚至采用论文的结论，更多参数的取值需要进行试桩后确定。

(3)桩基水平力计算方面，日本规范采用PHRI和Chang法，美国采用p-y曲线法，中国规范主要采用“m”法，而欧标则未给出具体的方法，需要通过横向荷载试验确定，接近p-y曲线法。总体而言，中国规范基本覆盖了其他规范的计算方法，而且“m”法使用上比较简便。

(4)关于沉降，欧标一般要求进行正常使用状态下的竖向位移评估，国标要求按恒载进行计算，并给出了容许沉降限值。

5 存在问题及建议

5.1 存在问题

5.1.1 国际市场竞争压力、风险高

面对复杂多变的国际政治环境和市场环境，以及发达国家等强有力的竞争对手，要想在激烈的国际市场竞争中取得一席之地，需要超前谋划、深入研究铁路产业资源在海外市场的布局，规避风险。

5.1.2 标准认同度低

中国铁路的一些创新成果已经形成国内标准，但这些国内标准系统性、理论性、严谨性、通用性不强，且没有与国际标准接轨，无法得到国际认可。欧洲、美国和日本铁路都在国际上形成了各自的行业标准，我国的产品必须符合这些行业标准，才能进入国际市场。国内外标准不接轨，直接降低了我国铁路产品的竞争力，提高了成本，延缓了中国铁路“走出去”步伐。

5.1.3 设计理念国际性不强

我国铁路建设标准也反映了我国长期以来建设、设计理念。在整理我国铁路建设标准时，发现很多差异并非是由于理论基础或计算模型不同，而是由于各个时期理念的不同而采取了不同的做法，进入高铁时代以后，桥梁设计更注重安全、舒适，但还需在安全、舒适和经济性上寻求一个适合的平衡点。由于国际政治环境和市场环境的不同，设计理念并没有充分与国际接轨。

5.1.4 知识产权约束

中国并不是高速铁路技术的原创国，很多技术是引进国外先进技术进行二次创新而开发出来的，尽管某些技术指标已经高于原创，但并未得到国际的普遍认可。目前中国高铁企业在海外申请的专利较少涉及高速铁路的核心技术，这些技术即使在国外获得授权，但由于国际贸易壁垒等因素，市场应用前景有限，很难形成核心竞争力。

5.2 建议

5.2.1 积极宣传、推广中国标准

首先不断完善、优化国家管理标准、标准体系，宣传、推广中国标准。弘扬中国文化，介绍中国铁路成功经验，让世界了解中国，接受中国标准。

5.2.2 桥梁设计理念与国际接轨

桥梁设计以因地制宜、以人为本、经济适用、施工便捷、维养方便，节能环保为目标，强调精细化设计，标准化、机械化施工，注重新材料研发，推广装配式特别是拼装桥梁等绿色建造技术。

5.2.3 完善及推广铁路桥梁极限状态法规范

目前，世界主要发达国家的桥梁设计规范均已采用了极限状态法。从桥梁设计理念上讲，极限状态法显然更优，也更方便与公路、建筑行业及国外设计行业的沟通与交流。但目前中国铁路桥梁主要采用容许应力法，迫切需要全面推广实施极限状态法，对于提高结构设计水平、促进中国标准“走出去”、参与国际交流具有重要意义，桥梁人还有大量工作要做。

5.2.4 加强与国际组织交流合作

加强与国际铁路组织和国际标准组织等机构的交流与合作。要加强和铁路合作组织和国际铁路联盟这两大组织以及国际标准组织、欧洲标准化组织等机构的沟通与交流，参与建立区域性铁路标准。同时编制并推广中国标准规范的国际版，着力推进中国不同标准的国际化，推动中国铁路技术标准与国际接轨。在继续完善、优化中国自身标准规范的基础上，积极参与高铁规划和标准制定，争取制定权和话语权。

5.2.5 培养海外项目复合型人才

目前，中国高铁“走出去”不仅需要专业人才，还需财务、法务和商务人才；不仅亟需熟练掌握FIDC等国际通用合同条款并深谙专业知识、熟悉海外规范的勘察设计人才、项目管理人才和经营开发人才，而且需有国际视野、适应海外工作条件、愿意并扎根海外的复合型人才，尤其需要精通国际贸易规则、当地宗教文件、国际法和地域法律法规，熟悉当地宗教文化，能与海外企业和政府有效沟通、谈判的高素质高端国际人才。应抓紧培养一批国际化复合型人才，以满足未来中国高铁走向海外的需求。

6 结论

随着“一带一路”倡议的实施，中国铁路“走出去”已经取得一定成果。但受到国际政治环境和市场环境影响，中国铁路标准没有完全与国际标准接轨，无法得到国际认可等因素掣肘。为此，中国铁路桥梁界专业人员要积极研究、消化先进国家的桥梁设计理念、技术标准、设计方法等，优化、完善、推广国内技术标准，提升桥梁设计理念，培养综合国际人才，加强与国际组织的交流与合作，为中国铁路桥梁“走出去”提供强有力支撑。