铁路工程结构极限状态法设计实践与思考

高 策王凯林周勇政

（1中国铁路经济规划研究院有限公司 工程师，北京100038；2中国铁路经济规划研究院有限公司 助理工程师，北京100038；3中国铁路经济规划研究院有限公司 工程师，北京100038）

0 概述

世界主要发达国家以及国内建筑、公路、水利水电等行业多采用极限状态法进行结构设计，将影响结构安全的各种因素配以相应的分项系数，明确了结构的可靠性水准，相关参数可随着工程数据的积累持续优化。我国现行铁路路基、桥涵、隧道、轨道等行业主体设计规范主要采用容许应力法，将影响结构安全的各种因素笼统采用一个安全系数K来考虑，虽能满足结构设计的基本需要，确保工程质量安全，但未能将影响结构安全的因素进行合理分类和深入分析，体现影响因素间的不同差异，不利于结构设计的持续优化。由此，铁路行业从上世纪80年代即启动了铁路工程结构设计由容许应力法向极限状态法过渡的转轨工作，先后开展了理论研究、设计检算、设计暂行规范编制、试设计、极限状态法正式版规范编制等工作，初步实现将铁路工程结构转换为极限状态法设计，与国际主流设计方法接轨，进一步提升标准的科学合理性。

1 国外极限状态法应用情况

20世纪40年代，美国学者提出了结构失效概率的概念；50年代，前苏联制定了以极限状态法为特征的结构设计规范；70年代，国际标准化组织（ISO）提出了基于结构可靠度理论的设计原则[1]。从20世纪70年代起，世界许多国家开始采用可靠度理论来指导新一轮结构设计规范的制定，极限状态法逐渐成为世界结构设计理论发展的主流。

1.1 美国

美国是最早开展结构可靠度理论与应用研究的国家之一，其相关标准也代表着结构可靠度理论与应用研究的国际水平。基于极限状态法的美国公路运输协会AASHTOLRFD桥梁设计规范，自1994年颁布至2006年止，一直与容许应力法规范并行使用。自2007起，开始完全采用极限状态法规范。

1.2 欧洲

欧洲标准技术委员会CEN/TC-250组织编写了用于欧共体范围内的欧洲结构设计规范EN1990—1999，全套10卷60余册。该规范第一本《结构设计基础》（EN1990:2002）是其他9本规范有关极限状态法的基础规范，自发布实施起，与欧洲各国规范并行使用。2010年开始全面实施欧盟结构规范，撤销与欧盟结构规范相抵触的各成员国规范。

1.3 日本

日本1978年将极限状态法引入混凝土结构设计，铁道行业的结构设计规范《铁道构造物等设计标准·同解说》从1992年开始逐步采用极限状态法，至2002年一直允许极限状态法与容许应力法并存使用。2002年以后，混凝土结构设计完全过渡到极限状态法。

1.4 韩国

韩国结构标准分为设计标准和附属技术标准两类，多数混凝土结构和钢结构采用极限状态法，土工结构（如基础和挡土墙）仍使用容许应力法。目前修订的《结构基础设计规范》采用了极限状态法，也允许使用容许应力法。

2 国内极限状态法应用情况

2.1 建筑行业

建筑行业在我国率先将极限状态法引入规范，颁布了我国第一本极限状态法设计规范《建筑结构设计统一标准》（GBJ 68—84）。在此基础上，1989 年发布的《混凝土结构设计规范》（GBJ 10—89）采用极限状态法，自1990年1月1日起实施，原规范《钢筋混凝土结构设计规范》（TJ 10—74）于1991年6月30日废止，新旧规范并行使用了一年半。建筑地基基础专业中涉及岩土整体稳定性设计计算时，仍采用容许应力法。

2.2 公路行业

公路行业中，桥梁结构设计率先开展由容许应力法向极限状态法的转轨工作。1978年颁布的《公路预应力混凝土桥梁设计规范》采用容许应力法设计，1985年颁布的 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》采用半经验半概率的极限状态设计方法，新旧规范并行使用16个月。之后，《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）等规范均采用极限状态法。公路路基、隧道等专业目前仍主要使用容许应力法进行结构设计。

2.3 港口、水利水电行业

上世纪90年代，港口行业颁布了基于极限状态法设计的《港口工程荷载规范》，与容许应力法规范并行使用了1年多。水利水电行业中，《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（GB 50199—94）颁布前，均采用基于容许应力法的《水工钢筋混凝土结构设计规范》（SDJ 20—78）。水利部1996年颁布了基于极限状态法的 《水工混凝土结构设计规范》（SL/T 191—96），颁布后与SDJ 20—78并行使用，直到 2008年 《水工混凝土结构设计规范》（SL 191—2008）颁布后，统一采用极限状态法规范。电力部1996年颁布了基于极限状态法的 《水工混凝土结构设计规范》（DL/T 5057—1996），直接代替SDJ 20—78。目前，水利行业仍有部分规范采用容许应力法，如《混凝土重力坝设计规范》。

3 铁路极限状态法转轨工作

3.1 早期转轨工作

上世纪80年代，原铁道部即立项开展了极限状态法基础研究工作，颁布了《铁路工程结构可靠度设计统一标准》。1994版《铁路主要技术政策》也明确规定“结构设计研究采用可靠度理论”[2]。为编制桥梁上部结构极限状态法设计规范，1987年至1994年，铁道部组织开展了荷载、抗力、设计方案等方面的研究工作，既有统计分析，也有试验数据分析和理论研究。1994年，铁路行业开始编制极限状态法桥规，2000年12月完成规范报批稿。此外，1998年到2001年，原铁道部还组织开展了对桥梁下部结构的可靠性设计研究，进行了矩形实体墩、圆端型空心墩的极限状态设计检算，并启动极限状态法设计规范编制工作。

3.2 相关科研和暂规编制工作

2011年以来，根据《关于印发铁路工程结构极限状态法设计标准转轨工作实施方案专题会议纪要的通知》（铁建设函〔2011〕725 号）总体工作安排[3]，原铁道部和中国铁路总公司组织科研院所、各设计院进行了国内外极限状态法调研和技术培训，系统梳理并立项开展了配套科研，并对部分既有梁、墩、基础等结构采用极限状态法进行设计检算[4]，初步拟定了分项系数和设计参数。2014年，中国铁路总公司正式发布了《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》（Q/CR 9300—2014），并于2015年发布铁路路基、隧道、轨道等极限状态法设计暂行规范（以下简称“暂规”），主要供相关单位开展工程试设计工作使用。

3.3 工程试设计工作

2016年以来，中国铁路总公司组织有关单位开展了铁路路基、桥涵、隧道、轨道等专业典型结构的极限状态法工程试设计工作，并邀请了铁路、建筑、公路、水利等行业的权威专家进行咨询和研讨。试设计工作采用极限状态法规范对结构进行正向设计，并按现行容许应力法进行校准，对比分析两种设计方法的成果，分析差异原因，提出针对“暂规”中重要设计参数的优化调整意见。试设计工作内容覆盖了高速铁路、客货共线铁路等不同速度等级，ZK活载、中活载等不同荷载类型，无砟轨道、有砟轨道等不同轨道型式的路基、桥涵、隧道、轨道典型结构，共计40多个铁路项目、111处工点。2017年2月，各专业试设计成果通过了专家验收，验证了“暂规”的科学性和可操作性，结果表明现阶段极限状态法与容许应力法设计的安全储备和工程数量基本相当。

3.4 极限状态法正式版标准编制

2017年3月，中国铁路总公司组织相关单位开展了铁路极限状态法正式版标准编制工作。编制过程中，充分吸纳前期科研和试设计成果，全面借鉴国内外极限状态法设计的成熟经验，对“暂规”进行了全面修订。2018年6月，中国铁路总公司发布了《铁路路基工程设计规范（极限状态法）》等4项正式版极限状态法设计规范。现阶段，新颁的极限状态法规范除结构设计方法不同外，其余内容均与行业容许应力法设计规范基本一致[5]，技术经济相当，满足行业安全和性能标准要求。

4 铁路极限状态法规范主要技术内容

4.1 路基专业

《铁路路基工程设计规范（极限状态法）》共16章，内容主要包括总则、术语和符号、基本规定、作用及作用组合、材料性能及参数、基床、路堤、路堑、过渡段、地基处理、路基防护、路基支挡、路基防排水、改建与增建第二线路基、取（弃）土场及土石方调配、路基接口设计等。通过对“暂规”的修订，修改了填料分类和要求，完善了地基处理的常用作用组合，完善了地基处理稳定计算公式和要求，调整了地基稳定性调整系数和排水固结法的工法调整系数，优化了挡土墙的抗滑动和抗倾覆以及加筋土挡土墙抗滑动稳定性承载能力极限状态设计分项系数。

4.2 桥涵专业

《铁路桥涵工程设计规范（极限状态法）》共15章，内容主要包括总则、术语和符号、桥涵布置、设计作用、正常使用极限状态设计基本限值、钢结构、钢筋混凝土和预应力混凝土结构、钢-混凝土组合结构、混凝土及砌体结构、支座、墩台、涵洞、既有线顶进桥涵、地基基础及抗震设计等。通过对“暂规”的修订，完善了桥涵结构上作用的荷载分类以及不同极限状态设计下的荷载组合方式，明确了钢结构设计的材料要求，完善了钢-混凝土结合梁在不同极限状态下的设计计算原则和构造要求，优化了混凝土和砌体结构的极限状态设计原则、计算方法和构造要求，对铁路桥梁结构抗震设计和验算提出了原则性要求。

4.3 隧道专业

《铁路隧道工程设计规范（极限状态法）》共12章，内容主要包括总则、术语和符号、隧道勘测、作用、建筑材料、洞门与洞口段、隧道衬砌和明洞、附属构筑物及轨道、隧道结构设计、辅助坑道、防水与排水、通风与照明等。通过对“暂规”的修订，明确了隧道结构设计状况分别按持久状况、短暂状况、偶然状况和地震状况进行设计，作用组合设计表达式引入了计算模型不定性系数以及考虑结构使用年限的荷载调整系数，补充了地震设计状况设计表达式，完善了素混凝土衬砌抗裂、抗压结构调整系数，洞门结构抗倾覆、滑移稳定、地基承载力调整系数及计算基底应力的荷载分项系数。

4.4 轨道专业

《铁路轨道工程设计规范（极限状态法）》共12章，内容主要包括总则、术语和符号、基本规定、作用和抗力、钢轨及配件、正线有砟轨道、无砟轨道、站线轨道、道岔及钢轨伸缩调节器、无缝线路、有缝线路和轨道附属设施及常备材料等。通过对“暂规”的修订，完善了无砟轨道的作用组合方法和列车荷载分项系数，修改了正常使用极限状态下单元结构的列车荷载组合系数、分段结构的荷载组合方式及列车荷载组合系数、连续结构准永久组合和准永久组合中的整体温度作用拉力标准值、准永久值系数，调整了预应力混凝土轨枕极限状态表达式中的部分分项系数，完善了钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度计算方法。

5 存在问题及展望

5.1 存在问题和建议

虽然铁路行业针对极限状态法设计开展了大量工作，但采用极限状态法进行结构设计是铁路工程结构设计理论的重大转变，要进一步提升规范的技术经济性还有很多工作要做。当前铁路推广应用极限状态法规范还存在以下几方面的问题：

1）由于铁路工程结构类型众多，涉及多个专业，许多结构形式尤其是新结构、新材料尚未有专门的设计规范，其极限状态法设计参数仍需开展进一步研究[6]。如铁路斜拉桥、悬索桥等结构的极限状态法设计，以及地震荷载作用下的轨道、路基等专业结构的极限状态法设计等问题。

2）铁路极限状态法转轨过程中，虽然开展了大量的设计检算，并采用极限状态法进行了典型结构形式的正向设计，但未能覆盖所有结构形式，规范中的分项系数、设计参数是否要结合相关结构形式进行适应性调整，尚需结合工程设计，积累经验，及时优化完善。

3）现阶段，铁路路基、桥涵、隧道、轨道极限状态法和容许应力法设计规范的技术经济性是大致相当的。要进一步提升极限状态法规范的技术经济性，尚需建立数据采集及分析平台，针对结构的作用、抗力以及材料的性能参数等进行长期采集、统计和分析，为极限状态法规范的设计参数优化提供支撑。

4）采用极限状态法是铁路工程结构设计的重大变革，在全路推广应用极限状态法设计规范需要开展大量配套工作，一是要加强标准的培训和宣贯，帮助广大设计人员熟悉和学习新标准；二是要尽快完善极限状态法设计配套软件，并结合工程设计经验不断完善。

5.2 展望

当前，全路正在践行“交通强国、铁路先行”奋斗目标，按照“三个世界领先、三个进一步提升”的发展蓝图，推动铁路高质量发展。铁路工程结构也更加突出智能设计和智能建造，这些都对铁路结构设计提出了更高的要求。同时，铁路尤其是高铁已成为国家的黄金名片，设计标准是铁路关键技术之一，我们必须要准确把握世界结构设计主流发展趋势，体现全寿命周期设计理念，做好极限状态法设计规范的持续完善工作，进一步优化分项系数和设计参数，不断提升规范的技术经济性，推动我国铁路工程结构设计达到世界领先水平，促进国际交流，为“一带一路”和铁路走出去提供有力技术支撑。