鐵路與公路常規橋梁設計對比分析

邢彩鳳

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

在我國，專業劃分非常細致，同為橋梁設計人員，市政橋梁和公路橋梁之間相似性程度較高，但是鐵路和公路之間差距較大。公路與鐵路橋梁目前采用的設計方法不同，高策、薛吉崗[1]的論文中闡述了我國鐵路橋梁容許應力法的來源，以及目前正在往極限狀態法過渡的發展狀況，趙君黎[2]介紹了我國公路橋梁設計規范的變遷，但是少有對于二者的比較。筆者有幸做了多年公路橋梁設計的工作，且有機會參與某客貨共線鐵路橋梁的設計，以常規橋梁設計的比較，淺薄之見，略作總結，以期對后來從事不同橋梁設計的同行以參考。

1 設計方法和理念比較

1.1 鐵路橋梁采用容許應力法

自20世紀50年代我國鐵路頒布的第一本行業標準《鐵路橋涵設計規范》開始，鐵路橋梁采用容許應力法進行結構設計已經將近70年了。容許應力法，是將材料視作理想彈性體，用線彈性理論方法，算出結構在荷載下的應力，并與材料的容許應力相比較，以確定結構的安全性。材料的容許應力主要依賴于各種試驗成果和多年的實踐經驗。

鐵三院從20世紀80年代起就開展了極限狀態設計法橋梁規范的編纂工作，到2002年已基本完成上、下冊初稿。隨著大規模鐵路工程建設的不斷推進，列車荷載、建筑材料、結構形式等都發生了巨大變化，前期成果的局限性逐步凸顯。經過研究修編，在2014年，中國鐵路總公司頒布《鐵路橋涵極限狀態法設計暫行規范》，屬企業標準。至此，極限狀態法在鐵路橋梁設計中處于探索、試驗階段。

1.2 公路橋梁采用極限狀態法

1954年，我國首部公路工程設計規范《公路工程設計準則》（修訂草案）頒布。1961年，首部《公路橋涵設計規范》（草案）頒布實施。1978年之前的橋涵規范均采用容許應力設計方法。

1978年首部預應力設計規范《公路預應力混凝土橋梁設計規范》引入了破損階段設計理論。1985年開始，混凝土橋涵設計規范進入半經驗的極限狀態設計階段。2014年開始，全面采用了概率極限狀態設計法。鋼結構橋梁設計規范體系轉變的比較晚，前期一直參考建筑行業的鋼結構設計規范，借鑒國外的鋼結構設計法，采用容許應力法進行設計。

2015年，隨著《公路鋼結構橋梁設計規范》的頒布，鋼結構橋梁設計的方法也進入了極限狀態法設計階段。

2 活載比較

鐵路和公路荷載有3個方面類似：一是荷載圖式分普通荷載和特種荷載兩種，普通荷載用于整體結構分析，特種結構用于局部分析；二是根據線路類型不同荷載數值大小不同，鐵路分為高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路、重載鐵路，公路分為高速公路、一級公路、二級公路、三級公路和四級公路，根據規范采用公路一級和公路二級兩個等級荷載；三是普通荷載由均布荷載和集中荷載組成，特種荷載由幾個軸載組成。鐵路荷載圖式如表1所示，公路荷載圖式如表2所示，公路-Ⅰ級荷載數值如表3所示。

表1 鐵路荷載圖式

表2 公路荷載圖式

表3 公路-Ⅰ級荷載數值

針對高速鐵路和高速公路荷載，均布荷載，鐵路是公路的6.1倍；集中荷載，公路針對中小跨徑橋梁是變化的，鐵路是公路的2.2～3倍；對于跨徑為30m的橋梁而言，按照跨中彎矩最大，進行單車道（線路）最不利加載，總荷載鐵路橋是公路橋的3.64倍，分別是2310kN和635kN。

3 典型通用橋梁比較

國內鐵路和公路橋梁均有通用圖。相比較而言，鐵路橋梁全國統一性更高，公路橋梁更加多樣化。同一個設計時速，同一種線路類型，鐵路上部結構不存在橋梁形式的選擇，基本上也不存在經濟跨徑的選擇。常規橋梁以32m簡支作為基本跨徑，16m和24m作為調整跨徑，特殊橋梁多以8m為模數增加跨徑，簡支梁有鐵路總公司統一版本通用圖，連續梁（主跨48m、56m、64m、80m等）各鐵路設計院有內部通用圖。公路橋梁，不同跨徑、不同墩高、不同地質類型，可選擇的經濟跨徑不同，同一種跨徑也存在不同的橋梁形式的選擇，目前有交通部統一版本的空心板、T梁、小箱梁的通用圖。省院都有各自的通用圖，大體上與部頒通用圖相似，但是細節上有差異，其他橋型結構各個設計院的設計都不相同。

因為上部荷載不同，設計控制因素不同，鐵路與公路橋梁采用不同的設計，以30m公路橋梁T梁和32m鐵路橋T梁做對比。鐵路與公路T梁橫斷面圖如圖1、圖2所示，T梁構造尺寸對比如表4所示，鐵路與公路橋梁T梁平米指標對比如表5所示。

圖2 公路T梁橋橫斷面（與鐵路橋寬保持一致）(單位：mm）

鐵路橋與公路橋相比，梁高更高，橫梁個數更多，縱、橫向剛度均比公路大很多；每平米混凝土用量，鐵路橋是公路橋的1.65倍；預應力用量，鐵路橋是公路橋的2.64倍；普通鋼筋用量二者相當。結構部分造價，鐵路是公路的2倍左右。

表4 鐵路與公路橋梁T梁構造尺寸對比

表5 鐵路與公路橋梁T梁平米指標對比

4 設計接口及控制因素比較

與公路橋梁相比，鐵路橋梁接口復雜，其他專業考慮因素較多。橫斷面設計，公路考慮車道寬度、車道數、硬路肩寬度、護欄寬度、曲線加寬；鐵路考慮線路數、機車類型（牽引類型）、軌道類型（標軌、窄軌、寬軌）、有砟軌道與無砟軌道（是否考慮大機養護）、曲線線間距加寬，另外人行道還需要考慮維修養護車輛、電信電纜槽位置、接觸網立柱位置（類型、基礎尺寸）等。

無論是公路橋梁還是鐵路橋梁設計都需要滿足承載力的需求，只是二者使用的設計方法不同。針對常規橋梁剛度的控制，鐵路橋梁比公路要求高。公路常規混凝土橋梁，豎向撓度不可＞L/600；鐵路針對不同線路類型，要求不同，高鐵要求最高，重載鐵路要求最低，從L/1600到L/700；除了重載鐵路撓度數值跟公路橋梁要求較為接近外，其他均遠小于公路橋梁規定，豎向剛度遠高于公路橋梁。

對于主梁剛度的要求，除了豎向撓度值外，鐵路橋涵設計規范還對梁端豎向轉角、橫向變形進行限制，這部分公路橋梁并沒有規定，主要是由于鐵路需要保持軌道平順，進而保證行車舒適性。另外，鋪設無縫鋼軌的橋梁，為了減少軌道應力，對下部結構及基礎還有最小線剛度的限制。

5 結束語

目前我國鐵路橋梁與公路橋梁設計存在諸多不同：（1）采用的設計方法不同：鐵路采用容許應力法，公路采用極限狀態法；極限狀態法在鐵路橋梁設計的應用處于研究起步階段。（2）鐵路橋梁荷載與公路橋梁荷載相比，以跨徑為30m的橋梁為例，單個車道，高速鐵路活載總數值是高速公路的3.64倍。（3）由于軌道的存在，以及行車舒適性的要求，鐵路橋梁剛度要求較公路橋梁嚴格。（4）對于相同跨徑橋梁，鐵路比公路用材用量多，每平米橋梁混凝土用量鐵路是公路的1.65倍，預應力是2.64倍。