中國鐵路橋梁“走出去”的幾點思考

許三平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

中國鐵路取得了舉世矚目的成就，橋梁的結構形式、結構跨度、設計理論、施工工藝和裝備水平都得到了長足發展，大跨度橋梁實現了千米級跨越，橋梁建設水平進入世界先進行列[1]。隨著我國高速鐵路的快速發展，中國高鐵已成為展示中國形象和發展成就的一張亮麗名片。截至2019年底，我國鐵路營業里程已達13.9萬km，其中高速鐵路3.5萬km，高鐵橋梁達到3.5萬余座，長度達到1.9萬余km。隨著“一帶一路”倡議的提出和實施，中國鐵路技術開始走出國門，走向世界[2-4]。

我國鐵路已形成了較為完整的技術標準體系，但在國際上尚未得到完全認可，面臨重重技術壁壘，在提高標準國際化等軟實力方面任重道遠。此外還有海外項目的政治環境、宗教、文化習慣、養護水平、自然環境等建設環境，各國建設流程均與國內有著天壤之別。

2 世界各國標準體系綜述

國際標準化組織(ISO)關于標準的定義是：“一種或一系列具有強制性要求和指導性功能，內容含有細節性技術要求和有關技術方案的文件，其目的是讓相關的產品或者服務達到一定的安全標準或者進入市場的要求?！?/p>

鐵路建設標準比較典型的代表是歐洲地區的德國、法國，美洲的美國，亞洲的日本等，下面選取這些國家的標準[5]進行對比，如表1所示。

表1 世界各國標準體系對比

3 世界各國橋梁設計理念及方法

3.1 設計理念

18世紀工業革命帶來的技術進步，將以英國、法國為代表的歐洲國家橋梁建設技術推到前所未有的水平；19世紀末至20世紀中期，美國大跨度橋梁世界領先；二戰后德國在預應力混凝土懸臂施工、斜拉橋技術的發展與應用，日本以明石海峽大橋為代表的跨海大橋的建設，也是成績斐然。國外發達國家鐵路橋設計理念綜述如下。

德國鐵路橋梁不多，主要以谷架橋為主，也有少量的立交橋。德鐵在早期新建高速線廣泛使用預應力混凝土梁或SRC梁；施工中大部分采用頂推法連續施工；橋墩粗壯，縱向剛度較大，近年來也在研究整體式輕型橋梁(圖1)。

圖1 德國整體式橋梁

法國在修建鐵路橋梁時，著重強調橋梁要將藝術及周圍人文、自然景觀等協調一致(圖2)，幾乎每座橋梁造型都不相同，做到了一橋一景。法國高鐵對橋梁的動力性能要求較高，強調安全舒適性，同時注重維修養護水平，降低噪聲對周邊的影響。

圖2 法國鐵路橋梁

意大利橋梁設計理念突出制架水平，以制造大噸位架橋機聞名于高速鐵路橋梁界，橋梁多采用預制架設方法施工(圖3)。

圖3 意大利鐵路橋梁

日本是一個多山、自然災害頻發的國家，為提高橋梁抗震性能，早期的日本橋梁以鋼橋及結合梁橋為主(圖4)，后來由于養護及噪聲等環保的因素開始大量使用混凝土結構，突出橋梁的經濟性及節能環保要求[6]。另外日本橋梁考慮施工因素較多，盡量減少施工對周邊環境的干擾，強調簡易施工方法。

圖4 日本鐵路橋梁

總之，國外鐵路橋梁的設計理念除法國強調周圍人文、自然景觀等協調一致外，一般強調設計的經濟、適用、施工便捷、維養方便，注重環境保護，減少施工干擾的設計理念。另外，對比中國和國外橋梁設計標準，可以發現，相比中國鐵路標準，國外特別是歐標具有通用性、靈活性等特點[7]。美國沒有傳統意義上的高鐵，華盛頓至紐約的鐵路最高運營速度240 km/h，但只有波士頓附近大概50多km的新軌道能夠達到這個速度。鐵路橋梁強調全壽命經濟分析法，設計者和承建者要對工程的“全壽命”負責到底。

由于國民經濟的快速發展及綜合國力的大幅提升，中國鐵路橋梁經歷了從早期的經濟適用，到高鐵時代的安全舒適、以人為本的設計理念，取得了長足的進步。為了中國鐵路橋梁“走出去”，還需要更新設計理念，尋求安全舒適與經濟性的平衡點，追求全生命周期的綜合經濟性；研究、推廣綠色建造技術[8-10]。建造安全舒適、節能環保、經濟適用、耐久性好的美觀橋梁結構。

3.2設計方法

英國橋梁設計規范BS5400是很有代表性的標準，以極限狀態法為基礎[11]。美國公路橋梁設計規范在20世紀80年代采用極限狀態理論制定，并與容許應力法并行使用，2007年以后完全采用極限狀態法[11]。前蘇聯1984年采用可靠度理論，按極限狀態法進行橋梁設計，目前俄羅斯依然采用這一結構設計方法[11]。日本土木學會從1986年開始使用極限狀態法，鐵路橋梁設計從1992年開始逐步采用[11]，目前已全面實行與性能相協調的極限狀態法[11]。

我國在20世紀80年代開始推進極限狀態法的研究，并在吸收國外成果的基礎上，編制了《工程結構可靠度設計統一標準》、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》等規范，見圖5；鐵路橋梁目前仍主要采用容許應力法，2011年底全面啟動基于可靠度理論的極限狀態法，2014年完成了企業標準Q/CR 9300—2014《鐵路橋涵極限狀態法設計暫行規范》，2018年頒布正式標準[12-14]，較2014年標準做了較大改動。

圖5 結構狀態和可靠度指標示意

橋梁設計分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態，歐標將承載能力極限狀態ULS細分為傾覆、強度、疲勞、地基四類；中國標準沒有細分。歐標將正常使用極限狀態SLS分為可逆和不可逆；國標需滿足正常使用和耐久性要求[15]。

歐洲規范采用φ150 mm×300 mm混凝土圓柱體抗壓強度作為混凝土抗壓設計的力學指標，中國規范采用150 mm×150 mm×300 mm混凝土棱柱體軸心抗壓強度作為設計依據，對應相同的立方體抗壓強度，混凝土抗壓強度標準值取值對比見表2。

表2 中、歐規范混凝土抗壓強度標準值對比 MPa

強度設計值是由材料標準值和材料分項系數綜合得到，歐標對于材料分項系數分別對承載能力極限狀態的不同設計狀況、正常使用極限狀態、基礎材料的分項系數取不同值，而國標則未進一步細分，見表3。

表3 材料分項系數對比

關于荷載組合，歐標承載能力極限狀態包括穩定(EQU)、強度(STR)、地基(GEO)荷載3種模式，設計值包括A、B、C組，涉及巖土的結構和地基承載力驗算采用3種補充方法之一選用，區別主要是作用力分項系數及材料分項系數的不同橋梁設計采用設計值，見圖6。

圖6 歐標設計值計算方法示意

國標承載能力極限狀態只有一種組合，分項系數也不一樣，特別是歐標引入系數RC，與分項系數相乘，國標采用重要性系數，數值雖然相同，但國標是總荷載效應系數，顯然放大了荷載效應的計算值。還有歐標針對不同荷載組合(標準、頻遇、準永久)也引入組合系數ψ，不利永久作用的折減系數ξ，國標則沒有。關于可變荷載中制動力、離心力、搖擺力的組合，2014版極限狀態法和歐標均有不同的組合值，2018版極限狀態法卻取消了。

4 橋梁設計對比

4.1 設計方案

由于環保、土地制度、用工等原因，國外橋梁設計方案突出因地制宜、以人為本、經濟適用、施工便捷、維養方便、節能環保，強調精細化、標準化、機械化施工，注重新材料研發，推廣裝配式特別是拼裝橋墩等綠色建造技術。而國內由于受各行政主管部門的需求影響，強調各自領域的重要性。設計方案在適用、綜合效益方面有所欠缺。在我國的公路、河道上，已建成一些不合理、不經濟的大跨橋梁，甚至出現預留大跨度橋梁，而規劃更改的現象，造成了較大的工程風險和工程投資的浪費。有橋梁專家呼吁，設計方案應重點關注創新、質量和美觀這3個方面，同時還要十分重視經濟性

4.2 橋梁設計

4.2.1 橋梁上的作用

歐標作為目前國際上比較通用的標準，受到世界各國的普遍認同。對比來看，作用分類歐標(圖7)與國標基本相同，國標增加了地震作用，其實也是偶然作用。代表值歐標和國標無明顯差異，永久作用的代表值為標準值，可變作用的代表值為標準值、組合值、頻遇值、準永久值，只是取值方法及大小存在差異。2018版的鐵路極限狀態法頻遇及準永久組合系數多為1，而2014版極限狀態法、公路規范及歐標頻遇組合系數均<1，歐標準永久組合系數為0。

圖7 歐標荷載組合

4.2.2 設計活載

國際鐵路聯盟制定的UIC規程776-2R有關高速與超高速線路上的橋梁設計荷載采用UIC-71標準荷載，它與一般線路上橋梁設計荷載相同，因為UIC有關國家的高速線為客貨混運線路，包括最高時速為250 km的長途客車和最高時速為300 km的高速車型客車活載。歐標交通荷載主要包括LM71、SW/0(用于連續梁檢算)、SW/2(代表重載)、HSLM(代表客車荷載)，用于國際線路動力檢算；還有真實列車荷載，用于其他線路動力分析和疲勞分析[16]。

日本新干線為客運專線，并在規范中制定了N-16(貨物列車)、P-16和P-17(旅客列車)荷載，并以N、P荷載作為橋梁的設計荷載。

中國客運專線采用ZK活載，其荷載圖式采用UIC活載圖式的模式，考慮跨線列車等因素，其值定為UIC71活載的0.8倍。城際鐵路采用ZC荷載，為UIC71活載的0.6倍，客貨共線鐵路采用ZKH，重載鐵路采用ZH活載，見圖8。

圖8 中國鐵路橋梁活載圖示(單位：m)

從國內外高速活載圖式來看，ZK活載最大，日本新干線與UIC的高速車型客車活載相差不大。從設計運營的動車組來看，ZK活載安全儲備較大。另外，關于可變荷載中制動力、離心力、搖擺力的組合，中國老版極限狀態法和歐標均有不同的組合值，但新版極限狀態法標準取消了。

4.2.3 其他荷載

以風荷載和溫度荷載作對比。

歐標對于風荷載研究比較深，特別是英標，考慮了湍流系數、暴露系數、動力系數、峰值風速等因素[17]。對比國標有較大的不同，新版的極限狀態法在原來鐵路橋涵設計規范的基礎上，對風壓系數有調整，總體來說是提高了，但與歐標相比，風壓強度總體偏低，歐標風壓強度是中國鐵路橋涵設計規范的3～4倍，可能控制設計。

溫度荷載歐標分為均勻溫度分量、線性溫度分量和非線性溫度，對于橋梁結構的設計與計算考慮均勻溫度和溫差的影響?？紤]橋面板材料傳熱性質的不同，其中在考慮豎向溫差效應時，給出了等效的線性計算方法和非線性計算方法。國標溫度荷載分為均勻溫度效應和溫差效應，與歐洲規范相比，缺少針對組合結構橋梁的控制溫度取值與控制溫差分布模式規定。此外，歐洲規范給出了考慮均勻溫度和溫差效應同時發生時的均勻溫度分量與溫度差分量的組合方式，中國規范并沒有明確提出控制溫度與控制溫差之間相互的組合方式。

4.2.4 橋梁設計

橋梁設計主要分梁部、墩臺、承臺及基礎，設計內容各國沒有本質區別，圖9為歐標橋梁設計示意[18-20]。

圖9 歐標橋梁結構計算示意

4.2.5 樁基設計

(1)中國鐵路橋梁極限狀態法規范和歐標設計方法的組合方式基本相同，只是在系數的取值上略有差異，而美國采用安全系數法，但與傳統的單一安全系數法不同，針對不同的荷載特點采用了不同的安全系數，與概率極限狀態法有所接近，日本規范所采用的分項系數實質與美國相接近。

(2)樁基軸向抗壓承載力的計算，對于黏性土，日本規范是基于土的黏結力，美國是基于不排水剪強度，中國規范按入土深度和液性指數確定；對砂性土，日本規范是基于土的標貫擊數，美國是基于土的上覆應力與摩擦角，中國鐵路橋梁設計規范按埋深及密實狀態(標貫擊數)確定，原理與美國相對接近。歐標未直接給出具體的計算方法，參數設計法一般基于標貫擊數，對于黏性土還有一個折減系數，巖石有一個完整度的概念，有的甚至采用論文的結論，更多參數的取值需要進行試樁后確定。

(3)樁基水平力計算方面，日本規范采用PHRI和Chang法，美國采用p-y曲線法，中國規范主要采用“m”法，而歐標則未給出具體的方法，需要通過橫向荷載試驗確定，接近p-y曲線法?？傮w而言，中國規范基本覆蓋了其他規范的計算方法，而且“m”法使用上比較簡便。

(4)關于沉降，歐標一般要求進行正常使用狀態下的豎向位移評估，國標要求按恒載進行計算，并給出了容許沉降限值。

5 存在問題及建議

5.1 存在問題

5.1.1 國際市場競爭壓力、風險高

面對復雜多變的國際政治環境和市場環境，以及發達國家等強有力的競爭對手，要想在激烈的國際市場競爭中取得一席之地，需要超前謀劃、深入研究鐵路產業資源在海外市場的布局，規避風險。

5.1.2 標準認同度低

中國鐵路的一些創新成果已經形成國內標準，但這些國內標準系統性、理論性、嚴謹性、通用性不強，且沒有與國際標準接軌，無法得到國際認可。歐洲、美國和日本鐵路都在國際上形成了各自的行業標準，我國的產品必須符合這些行業標準，才能進入國際市場。國內外標準不接軌，直接降低了我國鐵路產品的競爭力，提高了成本，延緩了中國鐵路“走出去”步伐。

5.1.3 設計理念國際性不強

我國鐵路建設標準也反映了我國長期以來建設、設計理念。在整理我國鐵路建設標準時，發現很多差異并非是由于理論基礎或計算模型不同，而是由于各個時期理念的不同而采取了不同的做法，進入高鐵時代以后，橋梁設計更注重安全、舒適，但還需在安全、舒適和經濟性上尋求一個適合的平衡點。由于國際政治環境和市場環境的不同，設計理念并沒有充分與國際接軌。

5.1.4 知識產權約束

中國并不是高速鐵路技術的原創國，很多技術是引進國外先進技術進行二次創新而開發出來的，盡管某些技術指標已經高于原創，但并未得到國際的普遍認可。目前中國高鐵企業在海外申請的專利較少涉及高速鐵路的核心技術，這些技術即使在國外獲得授權，但由于國際貿易壁壘等因素，市場應用前景有限，很難形成核心競爭力。

5.2 建議

5.2.1 積極宣傳、推廣中國標準

首先不斷完善、優化國家管理標準、標準體系，宣傳、推廣中國標準。弘揚中國文化，介紹中國鐵路成功經驗，讓世界了解中國，接受中國標準。

5.2.2 橋梁設計理念與國際接軌

橋梁設計以因地制宜、以人為本、經濟適用、施工便捷、維養方便，節能環保為目標，強調精細化設計，標準化、機械化施工，注重新材料研發，推廣裝配式特別是拼裝橋梁等綠色建造技術。

5.2.3 完善及推廣鐵路橋梁極限狀態法規范

目前，世界主要發達國家的橋梁設計規范均已采用了極限狀態法。從橋梁設計理念上講，極限狀態法顯然更優，也更方便與公路、建筑行業及國外設計行業的溝通與交流。但目前中國鐵路橋梁主要采用容許應力法，迫切需要全面推廣實施極限狀態法，對于提高結構設計水平、促進中國標準“走出去”、參與國際交流具有重要意義，橋梁人還有大量工作要做。

5.2.4 加強與國際組織交流合作

加強與國際鐵路組織和國際標準組織等機構的交流與合作。要加強和鐵路合作組織和國際鐵路聯盟這兩大組織以及國際標準組織、歐洲標準化組織等機構的溝通與交流，參與建立區域性鐵路標準。同時編制并推廣中國標準規范的國際版，著力推進中國不同標準的國際化，推動中國鐵路技術標準與國際接軌。在繼續完善、優化中國自身標準規范的基礎上，積極參與高鐵規劃和標準制定，爭取制定權和話語權。

5.2.5 培養海外項目復合型人才

目前，中國高鐵“走出去”不僅需要專業人才，還需財務、法務和商務人才；不僅亟需熟練掌握FIDC等國際通用合同條款并深諳專業知識、熟悉海外規范的勘察設計人才、項目管理人才和經營開發人才，而且需有國際視野、適應海外工作條件、愿意并扎根海外的復合型人才，尤其需要精通國際貿易規則、當地宗教文件、國際法和地域法律法規，熟悉當地宗教文化，能與海外企業和政府有效溝通、談判的高素質高端國際人才。應抓緊培養一批國際化復合型人才，以滿足未來中國高鐵走向海外的需求。

6 結論

隨著“一帶一路”倡議的實施，中國鐵路“走出去”已經取得一定成果。但受到國際政治環境和市場環境影響，中國鐵路標準沒有完全與國際標準接軌，無法得到國際認可等因素掣肘。為此，中國鐵路橋梁界專業人員要積極研究、消化先進國家的橋梁設計理念、技術標準、設計方法等，優化、完善、推廣國內技術標準，提升橋梁設計理念，培養綜合國際人才，加強與國際組織的交流與合作，為中國鐵路橋梁“走出去”提供強有力支撐。