中國與日本高速鐵路橋梁工程主要技術標準對比分析

韓文雷

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院，北京 100055)

高速鐵路代表了當今世界鐵路發展的方向，也是時代發展的潮流［1］。隨著我國綜合國力的增強，大規模、高標準鐵路建設的不斷推進，我國鐵路“走出去”的時機已經成熟，形勢更加迫切。鐵路工程建設標準國際化是鐵路“走出去”戰略的最高形式，研究和部署我國高速鐵路技術標準與國外鐵路先進標準對比分析工作，對進一步完善高速鐵路技術標準體系，展示我國鐵路發展最新成果，加快實施中國鐵路“走出去”戰略等十分必要且意義重大。

1 概述

1.1 中國標準

我國鐵路工程建設標準體系由綜合標準和技術標準兩部分構成。綜合標準是涉及質量、安全、衛生、環保和公眾利益等方面的目標要求或為達到這些目標而必需滿足的技術要求及管理要求，是完全強制性的標準;技術標準由共用標準和專業標準兩大部分組成，其中共用標準包括與速度無關的基礎標準、通用標準、專用標準3個層次;專業標準包括與速度有關的高速鐵路、時速250 km以下鐵路的通用標準和專用標準2個層次［2］。

我國現行的與鐵路橋梁工程設計有關的標準主要有:《高速鐵路設計規范(試行)》(TB10621—2009)、《新建時速200～250 km客運專線鐵路設計暫行規定》(鐵建設［2005］140號)、《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)、《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)、《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2—2005)、《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)、《鐵路橋涵混凝土和砌體結構設計規范》(TB10002.4—2005)、《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB10002.5—2005)、《鐵路結合梁設計規定》(TBJ24—89)等。

1.2 日本標準

日本鐵路技術標準一般由產品標準、建設標準及維護標準三大類組成，分為政府制定的法規(包括法律、省令、告示等)和鐵路公司制定的標準(包括規程、準則、指南、參考資料等)2個層次，日本鐵路的技術研發目前主要由日本鐵道綜合技術研究所承擔［3］，本文參考的日本現行的與鐵路橋梁工程設計有關的標準主要有:《鐵道構造物等設計標準·同解說:混凝土結構(2004)》、《鐵道構造物等設計標準·同解說:鋼·合成結構(2009)》、《鐵道構造物等設計標準·同解說:鋼混結構(2002)》、《鐵道構造物等設計標準·同解說:耐震設計(1999)》、《鐵道構造物等設計標準·同解說:變形控制(2006)》、《鐵道構造物等設計標準·同解說:基礎結構·擋土結構(2000)》等。

2 設計計算理論

2.1 中國標準

中國鐵路橋梁設計規范是以容許應力法為基礎制定的。我國鐵路規范所采用容許應力法是在大量的理論研究和實踐檢驗的基礎上取得的，要求橋梁結構在設計、制造、運輸、安裝和運營過程中應具有規定的強度、剛度、穩定性和耐久性。

2.2 日本標準

日本鐵路橋梁設計規范是采用基于極限狀態法的性能設計而制定的。通過分析使用極限狀態、破壞極限狀態以及疲勞極限狀態下所有部件的不同荷載組合，計算其最危險的應力狀態，結合結構使用者對部件所需性能的判定，最終決定結構物各部件的合理斷面尺寸。根據日本鐵道綜合技術研究所混凝土結構設計標準委員會對日本鐵路混凝土結構的設計方法進行的研究，采用極限狀態設計方法時，通過進行計算比選，按照極限狀態法設計的結構與按以前日本規范規定的容許應力法設計的結構相比沒有大的變化。

2.3 對比分析

(1)中日兩國規范對橋梁結構采用不同的設計方法，中國橋梁結構設計采用容許應力法為基礎的計算設計方法，而日本橋梁結構設計采用極限狀態法。由于容許應力法與極限狀態法對結構采用不同的階段進行計算，要比較兩種計算方法安全系數上的差異，需對特定的結構全面采用不同的設計方法進行設計才能確定。

(2)目前世界多數國家橋梁結構設計采用極限狀態法，極限狀態法是目前世界鐵路結構設計計算理論的發展方向和潮流，我國也在開展基于可靠度理論的橋梁規范的研究。因此，我國鐵路建設技術標準要融入國際標準，需積極開展極限狀態理論設計體系的研究工作，盡早將鐵路工程結構設計方法由容許應力法轉變為極限狀態法，使我國高速鐵路技術標準既能體現原則性，又具有靈活性，既突出標準的先進性，又具有較好的經濟性。

3 設計荷載及其組合

3.1 荷載種類

3.1.1 中國標準

我國高速鐵路橋梁結構檢算主要按下列荷載種類進行設計計算［4～5］。

(1)恒載(主力):結構構件及附屬設備自重、預加應力、混凝土收縮和徐變的影響、土壓力、靜水壓力及水浮力、基礎變位的影響;

(2)活載(主力):列車豎向靜活載、公路活載(需要時考慮)、列車豎向動力作用、長鋼軌伸縮力和撓曲力、離心力、橫向搖擺力、列車活載所產生的土壓力、人行道及欄桿的荷載、氣動力;

(3)附加力:制動力或牽引力、風力、流水壓力、冰壓力、溫度變化的影響、凍脹力;

(4)特殊荷載:列車脫軌荷載、船只或排筏的撞擊力、汽車撞擊力、施工臨時荷載、地震力、長鋼軌斷軌力。

3.1.2 日本標準

日本新干線橋梁結構檢算主要按下列荷載種類進行設計計算:

(1)永久荷載:固定恒載、附加恒載、預應力、土壓力、混凝土干燥收縮作用、混凝土徐變作用、地基變位及支點移動的作用;

(2)主要可變荷載:列車活載、沖擊力、離心力、車輛橫向力及車輪橫向壓力、制動力及牽引力、施工荷載;

(3)次要可變荷載:軌道作業車荷載、人群荷載、無縫線路縱向力、溫度作用、冰壓力、流水壓力及波浪力、風荷載、雪荷載;

(4)偶發荷載:地震力、汽車撞擊力等其他荷載。

3.2 荷載組合

3.2.1 中國標準

我國高速鐵路橋涵結構是根據結構的特性和檢算內容按恒載(主力)、活載(主力)、附加荷載和特殊荷載最不利組合情況進行設計的，荷載組合主要有主力、主力+附加力和主力(或部分主力)+特殊荷載3種情況，并考慮以下情況:

(1)僅考慮主力與1個方向(順橋或橫橋方向)的附加力組合;

(2)根據各種結構的不同荷載組合，應將材料基本容許應力和地基容許承載力乘以不同的提高系數，對預應力混凝土結構中的強度及抗裂性計算，應采用不同的安全系數。

(3)如桿件的主要用途為承受某種附加力，在計算此桿件時，該附加力應按主力考慮;

(4)流水壓力不與冰壓力組合，兩者也不與制動力或牽引力組合;

(5)列車脫軌荷載、船只或排筏的撞擊力、汽車撞擊力以及長鋼軌斷軌力，只計算其中的一種荷載與主力相組合，不與其他附加力組合。

3.2.2 日本標準

日本新干線橋涵結構檢算設計主要考慮下列荷載最不利組合。

(1)破壞極限狀態:

組合一 永久荷載+主要可變荷載+次要可變荷載;

組合二 永久荷載+偶發荷載+次要可變荷載。(2)使用極限狀態:永久荷載+可變荷載。(3)疲勞極限狀態:永久荷載+可變荷載。

3.3 設計活載

3.3.1 中國標準

我國高速鐵路列車設計活載采用的ZK活載為列車豎向靜活載，包括:ZK標準活載和ZK特種活載。ZK標準活載圖式為:中間4×200 kN集中力，兩邊64 kN/m均布力，集中力間距1.6 m，集中力與均布力距離0.8 m(圖1);ZK特種活載圖式為:中間4×250 kN集中力(圖2)。

圖1 ZK標準活載圖式(單位:m)

圖2 ZK特種活載圖式(單位:m)

3.3.2 日本標準

2002年以前，日本新干線基本上采用單一的輕型高速列車體系，所采用的設計活載均為非常接近日本實際運營的高速列車活載——N、P標準活載，其圖式主要有3種(圖3):

(1)N標準活載由多列車廂組成，每節車廂長13.5 m，4 個軸的間距分別為2.2 m、6.3 m、2.8 m，軸重160 kN;

(2)第一類P標準活載由多列車廂組成，每節車廂長20 m，4個軸的間距分別為2.2 m、12.8 m、2.8 m，軸重160 kN;

(3)第二類P標準活載由多列車廂組成，每節車廂長20 m，4個軸的間距分別為2.2 m、12.1 m、3.5 m，軸重170 kN。

圖3 N、P標準活載圖式

2002年，日本新干線已用H標準活載取代N、P活載，其差別在于車長由13.5、20 m修改為現行的25 m，軸重由標準定員時的160、170 kN修改為考慮超員時修正系數的影響，最大為220 kN，具體可根據情況選用，并無硬性規定(圖4)。

3.4 對比分析

圖4 H標準活載圖式(單位:m)

(1)中日規范對于設計荷載需考慮的荷載類型基本相同，但對于荷載計算(特別是活載、沖擊系數、制動力)的規定上有所區別，荷載組合上也有所不同。

(2)日本新的高速鐵路標準設計活載——H標準活載，基本和日本實際的高速運營列車活載相當，同時考慮了超員時的修正系數，最大為220 kN。輕量化車體雖然是日本新干線的發展趨勢，但同一條線路上多達10種類型的新舊動車混跑，則是日本行車組織的特點，車輕有利于節能和提速，但并意味著可以降低線下工程的設計活載。

(3)高速鐵路活載圖式是基礎工程設計的基礎，是相當重要的參數，既要重視現在，也要兼顧未來，既要安全又要兼顧經濟。我國為幅員遼闊的大陸國家，高速鐵路主要為客運專線，在制定我國高速鐵路活載圖式時，首先應考慮基礎設施按350 km/h的要求，其次考慮可能通過軸重較大的跨線列車和必要時可運行貨物列車，另外還考慮了高速鐵路活載圖式向國際標準靠攏。因此，借鑒同我國目標值和運營模式相近的國外高速鐵路經驗，通過綜合分析，參照UIC活載的模式，決定采用0.8UIC活載也就是ZK活載圖式作為我國高速鐵路活載圖式［6］。

(4)ZK標準活載作為中國高速鐵路設計活載，其靜、動載效應均大于跨線列車和高速列車的靜、動載效應，并有一定余量，且設計活載與實際運營活載間的余量與既有鐵路設計活載(中-活載)與實際運營活載間的余量相當，其作用于結構上的內力變化與實際運營活載內力變化規律也比較協調，這將有利于加強國際間的交流，也有利于實施鐵路“走出去”戰略。

4 主要設計參數

4.1 動力系數

4.1.1 中國標準

動力系數是結構或構件最大的動力響應與最大靜力響應之比，其數值大小是列車—軌道—橋梁三者的動力特性和動力相互作用狀態的綜合反映。我國高速鐵路橋梁動力系數的取值與橋梁跨度有關，ZK活載作用下橋梁結構動力系數(1+μ)按下列公式計算

式中 Lφ——加載長度，m，簡支梁時為梁的跨度。

4.1.2 日本標準

日本新干線動力系數的取值與橋梁跨度、速度、單(雙)線等參數有關。對于混凝土結構，單線橋梁進行破壞極限狀態檢算時設計沖擊系數i見下式

式中 Ka——根據列車荷載類別等確定的系數;

α——速度參數;

式中 V——列車或車輛的最高速度，km/h;

n——構件的基本自振頻率，Hz;

L——構件的跨度，m。

單線橋梁進行使用極限狀態及疲勞極限狀態檢算時，設計沖擊系數可取按上述方法所確定的破壞極限狀態時設計沖擊系數的3/4;復線橋梁進行使用極限狀態及疲勞極限狀態檢算時，設計沖擊系數可取按上述方法所確定的破壞極限狀態時設計沖擊系數基礎上再乘以折減系數βi(L≤80 m時βi=1－L/200，L＞80 m時βi=0.6)。

4.2 梁體豎向剛度

4.2.1 中國標準

我國高速鐵路以梁體跨中撓跨比、梁端轉角、梁體工后徐變上拱等參數控制對梁體豎向剛度，規定了梁部結構在ZK豎向靜活載作用且不計動力系數的情況下，梁體的豎向撓度不應大于表1的限值。

4.2.2 日本標準

日本2006年發布的變形控制標準規定:基于運營安全考慮，在對梁體進行撓度檢算時，復線一般應以雙線加載為計算條件，必要時考慮沖擊力。由于梁端轉角和撓度兩者有近似的比例關系，所以采用了限制撓度的方法進行控制，日本規范根據不同設計速度和不同跨度，在安全性及舒適度方面分別規定了跨中豎向撓度設計限值，見表2、表3。

表2 日本新干線鐵路基于運營安全確定的梁撓度的設計限值

表3 日本新干線鐵路基于乘坐舒適度確定的梁撓度的設計限值

4.3 梁體橫向剛度

4.3.1 中國標準

我國高速鐵路以梁體跨中橫向撓跨比、墩頂橫向水平折角等指標控制結構橫向剛度，在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度力的作用下，梁體的水平撓度不應大于梁體計算跨度的1/4 000，無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側的鋼軌支點橫向相對位移不應大于1 mm。

4.3.2 日本標準

日本規范認為橋梁的橫向剛度相對于豎向剛度一般較大，其并不控制設計，因此規定橫向剛度檢算時一般取豎向撓度的一半，同時需控制無砟軌道在列車荷載下橋梁軌道面的錯位(位移)及折角。

4.4 梁體豎向自振頻率

4.4.1 中國標準

我國高速鐵路設計規范規定簡支梁豎向自振頻率不應低于下列限值:

式中 n0——簡支梁豎向自振頻率限值，Hz;

L——簡支梁跨度，m。

4.4.2 日本標準

日本規范規定高速鐵路橋梁的豎向自振頻率應滿足下列要求:

(1)鋼筋混凝土橋

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)鋼橋

V≤300 km/h f0≥70L－0.8

式中 f0——梁體豎向自振頻率限值，Hz;

L——簡支梁跨度，m;

V——列車運營速度，km/h。

4.5 對比分析

(1)中國規范對于動力系數與橋梁跨度有關;日本規范對于動力系數與橋梁跨度、速度、單雙線等參數有關。

(2)我國高速鐵路橋梁動力系數是在分析研究國外研究成果的基礎上，通過建立車－橋豎向相互作用的動力學模型，計算各種高速列車(動力分散式及動力集中式)作用下的橋梁的動力系數，分析影響的主要因素和變化規律，并對計算成果進行統計分析，得出我國高速列車活載動力系數的建議值。

(3)對比分析我國與日本橋梁撓跨比可知，中日規范對于靜活載下梁體豎向跨中撓跨比均根據設計速度、跨度規定了限值。日本通過近些年新干線運營、養護維修的經驗，在高速鐵路標準的制定上也有了較大的變化，2006年的變形控制標準規定應根據橋梁的安全性、使用性和可修復性要求對梁體豎向剛度進行檢算，除此之外，該規范還要求對橋梁在地震作用狀態下橫向的振動變形和豎向的軌面不均勻變形等進行檢算。梁體豎向變形對乘坐舒適度影響較大，日本規范已單獨提出限制，建議設計中應重視梁體豎向變形的控制。

(4)近年來，日本針對新干線橋梁的特點與性能，對橋梁豎向剛度開展了深入的研究工作，通過“車－線－橋”耦合振動體系動力響應分析和室內、外動力試驗驗證，對橋梁設計標準、限值進行了必要的修訂，使其橋梁設計更為合理、安全和經濟。日本鐵路對橋梁的剛度有著全面系統和嚴格細致的要求，考慮到今后新干線提速的可能，日本對變形控制標準進行了擴充以便使用。

(5)兩國鐵路橋梁設計規范都對橋梁的最大橫向變形(靜位移)進行了限制，目的是為列車運行提供平直的軌道，如果水平位移過大，就會產生顯著的軌道的方向不平順，進而影響車輛運行的安全性和乘坐舒適性。

(6)橋梁的豎向自振頻率是橋梁動力系數出現峰值的根本原因，因此為避免橋梁出現激烈的振動，保證列車高速運行的安全性和舒適性，對橋梁的最小自振頻率加以限制是十分必要。我國高速鐵路規定了不同跨度簡支梁豎向自振頻率的限值，以及不同速度目標值常用跨度雙線簡支箱梁不需進行動力檢算的豎向自振頻率限制;日本新干線根據不同的運營速度規定了橋上自振頻率的最低限制。

5 結語

中日高速鐵路橋梁工程標準之間的不同有很多，本文限于篇幅主要是找了幾個不同點來加以說明。

標準從本質上講是一個技術體系，但在很大程度上也是一個國家經濟政策的體現。國外標準是經過多年的實踐經驗，在適合本國國情的基礎上建立起來的一套綜合體系，但應該看到其并不完全適用于其他國家。我國鐵路工程建設技術標準應在綜合考慮我國的國情、路情的基礎上，充分利用我國已取得的大量實車試驗基礎數據，并借鑒國外先進標準，有針對性地開展系列理論分析、試驗驗證等工作，夯實標準的理論基礎，優化標準參數，逐步完善提高我國鐵路工程建設技術標準的水平，以指導我國大規模、高標準鐵路建設，進而加快推進中國鐵路“走出去”戰略。

［1］鄭 健.中國高速鐵路橋梁［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［2］朱飛雄.優化調整我國鐵路工程建設標準體系的探討［J］.鐵道標準設計，2010(S1):5-9.

［3］中鐵二院工程集團有限責任公司.中日鐵路技術標準對比分析［R］.成都:中鐵二院工程集團有限責任公司，2009.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［5］鐵建設［2005］140號 新建時速200～250 km客運專線鐵路設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］辛學忠，張玉玲.鐵路橋梁設計活載標準修訂研究［J］.鐵道標準設計，2006(4):1-4.