中俄同抚大堤大桥预应力混凝土连续梁设计研究

吴雪峰

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

随着中国与世界各国的经贸合作和友好往来日益密切，中国铁路加快了走出去的步伐。目前,中国铁路桥梁设计普遍采用容许应力法，而欧美国家采用极限状态法，不同国家的设计规范从理论体系、活载图式、材料技术条件到构造要求等方面均存在差异[1]。为提升我国国际铁路桥梁设计水平，需对各国铁路桥梁设计规范进行深入分析，总结设计经验。本文以同江市黑龙江铁路特大桥及相关工程中同抚大堤大桥预应力混凝土连续梁设计为例，分别采用中国规范的容许应力法和俄罗斯规范的极限状态法进行包络设计，使梁部结构设计同时满足两国规范要求。

1 工程概况

同江市黑龙江铁路特大桥及相关工程位于黑龙江省同江市与俄罗斯列宁斯阔耶市之间，连通向阳川—哈鱼岛铁路与俄罗斯西伯利亚铁路列宁斯阔耶支线，正线长度31.62 km。同江市黑龙江铁路特大桥是首座横跨中俄两国界河(黑龙江)的铁路大桥，其建造技术标准具有特殊性，且中俄两国设计规范理论体系存在差异性。同江市黑龙江铁路特大桥于2014年2月开工。它的建设结束了中俄界河无跨江铁路桥梁的历史，使中国东北铁路网与俄罗斯西伯利亚铁路相连通的国际联运大通道得以形成，改善了中国既有国际铁路运输格局[2]。

同抚大堤大桥是同江市黑龙江铁路特大桥及相关工程重要组成部分，为跨越同抚大堤而设，采用(32+48+32)m预应力混凝土连续梁，支架原位现浇施工。该桥左线为俄罗斯宽轨，右线为中国标准轨，线间距5.0 m，设计速度目标值为100 km/h，地震动峰值加速度为0.05g。

2 结构形式与控制截面

2.1 结构形式

同抚大堤大桥连续梁梁部结构边支座中心线至梁端0.6 m，梁全长113.2 m。梁高沿纵向按二次抛物线变化，中支点梁高3.5 m，边支点及跨中梁高2.5 m，中跨跨中直线段长8.4 m，边跨直线段长12.8 m。采用整体桥面形式，桥面板上设置挡砟墙、电缆槽、人行道栏杆，线路中心距人行道栏杆内侧不小于3.25 m。截面采用单箱单室直腹板形式，顶板厚度除梁端附近外均为35 cm；腹板厚除梁端为60 cm外，其余腹板厚为48～90 cm；底板厚由跨中的40 cm按二次抛物线变化至根部的60 cm。顶板宽11.8 m，底板宽6.4 m。箱梁两侧腹板与顶底板相交处均采用圆弧倒角过渡。支座处及中跨跨中共设置5个横隔板，横隔板厚度边支座处为1.0 m，中支座处为1.5 m，中跨跨中为0.5 m。横隔板设有过人孔，供检查人员通过。桥面布置如图1所示。

图1 桥面布置(单位：cm)

2.2 控制截面

采用中国规范和俄罗斯规范对强度安全系数、抗裂安全系数等各项梁部设计控制指标进行检算时，将梁部支点处、跨中、合龙点及所有截面突变处选定为控制截面，并考虑钢束的换算面积。控制截面换算截面几何特征值见表1。

表1 控制截面换算截面几何特征值

3 俄罗斯规范极限状态法

3.1 设计荷载

1)恒载

自重按混凝土重度26 kN/m3计算，桥面二期恒载按有砟桥面考虑，二期恒载为166.4 kN/m。

2)活载

俄罗斯列车的标准竖向活载“俄-CK活载”采用线路能容纳的最大等代荷载。俄罗斯活载标准荷载强度及影响线荷载的施加规则参见《公路、铁路、城市道路桥涵设计规范》(CHИП 2.05.03-84)[3]附录五。中俄活载[4]对比见表2。可知，俄罗斯活载约为中国活载的1.5倍。

表2 中俄活载对比

3)横向摇摆力

根据CHИП 2.05.03-84第2.19条可知，轨道上车辆活载产生的横向水平撞击力可采用作用在轨道顶面上的均布荷载表示，大小为0.59KkN/m，其中K为CK荷载的等级。

4)制动力或牵引力

根据CHИП 2.05.03-84第2.20条可知，制动力或牵引力一般按标准临时竖向活载的10%取值。

5)俄罗斯规范荷载组合

根据CHИП 2.05.03-84第2.1～2.3条，桥梁结构荷载、影响力及其组合见表3。

表3 桥梁结构荷载、影响力及其组合

表3中1～6号荷载为恒载，7～11号荷载为临时荷载。考虑到不同荷载同时出现的概率不同，在荷载组合计算时按下列规定确定组合系数：

1)恒载及铁路空载列车活载组合系数为1.0；

2)当只考虑1个临时荷载时组合系数为1.0；

3)当考虑2个及以上临时荷载时，其中1个临时荷载组合系数为0.8，其余临时荷载组合系数均为0.7。

3.2 材料特性

通过对比中俄两国规范中材料强度、弹性模量等参数，确定适用于俄罗斯规范计算方法的材料特性值。

1)混凝土强度

对比中俄规范各等级混凝土轴心抗压、轴心抗拉强度可知，中国规范采用C55混凝土设计时，相当于俄罗斯规范中的B50混凝土，轴向抗压、轴向抗拉强度分别为25.0,1.40 MPa。

2)混凝土弹性模量

依据中俄规范混凝土等级对应关系选取适用于俄罗斯规范的混凝土弹性模量，中国采用C55混凝土设计时，相当于俄罗斯规范中的B50混凝土，弹性模量为3.6 MPa。

3)钢筋强度

采用中国铁路规范的钢筋按照俄罗斯规范设计时，按对应的钢筋种类选择第1种极限状态和第2种极限状态下的钢筋抗拉标准、设计强度。相应的材料工作条件系数按照俄罗斯规范执行。

4)钢筋弹性模量

依据中俄钢筋等级对应关系选取适用于俄罗斯规范的钢筋弹性模量，采用中国规范的HRB335钢筋，弹性模量ES为2×105MPa。

5)钢绞线强度

采用中国规范 1 860 MPa 钢绞线并按照俄罗斯规范设计时，第1种极限状态对斜截面验算弯矩时的钢绞线抗拉计算强度为 1 302 MPa，第2种极限状态标准抗拉强度和抗拉计算强度为 1 302/0.75=1 736 MPa，预应力钢绞线抗压计算强度为380 MPa。

6)钢绞线弹性模量

采用中国规范 1 860 MPa 钢绞线并按照俄罗斯规范设计时，仍按照中国规范钢绞线的弹性模量进行设计。

3.3 主要检算内容

1)按照CHИП 2.05.03-84第3章对混凝土与钢筋混凝土结构进行设计。

2)按照第1种极限状态计算时，需进行强度和稳定性计算、正截面强度计算、斜截面强度计算、局部承压计算、疲劳计算。

3)按照第2种极限状态计算时，需进行抗裂性计算、挠度及转角计算。

4)在设计混凝土与钢筋混凝土结构时，为保证其制作条件、耐久性以及钢筋与混凝土的共同作用，必须满足CHИП 2.05.03-84中对结构的构造要求，包括构件截面的最小尺寸、钢筋的最小间距等。

4 中国规范容许应力法与俄罗斯规范极限状态法对比分析

4.1 设计荷载[5-6]

1)横向摇摆力

横向摇摆力取100 kN且作为一个集中荷载作用在最不利位置，即以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。

2)制动力或牵引力

制动力或牵引力按计算长度内列车竖向静活载的10%计算。当制动力或牵引力与离心力或列车竖向动力作用同时计算时，其大小可取计算长度内竖向静活载的7%，作用点在轨顶以上2 m处。

3)恒载同3.1节，活载采用中-活载，其他设计荷载依据中国规范取值。

4.2 检算结果对比分析

采用中国规范对传力锚固阶段和运营阶段主力及主+附工况下控制截面的各项设计控制指标进行检算；采用俄罗斯规范按照第1种极限状态和第2种极限状态对控制截面进行强度和抗裂性计算[7-8]。通过调整截面尺寸和钢束布置可使梁部结构同时满足两国规范要求。经计算分析可知，连续梁设计由主力和主力+附加力工况控制，主要控制指标计算结果见表4。

表4 主要控制指标计算结果

由表4可知：①本文设计的连续梁根据中俄两国规范进行各项控制指标检算均满足要求；②对于相同的梁部结构，中国规范的容许应力法和俄罗斯规范的极限状态法计算所得各项控制指标存在差异；③对于强度安全系数，中国规范安全储备高于俄罗斯规范；④对于抗裂安全系数，中国规范安全储备低于俄罗斯规范；⑤由于“俄-CK活载”取值较“中-活载”大，采用俄罗斯规范计算的边跨及中跨挠跨比均大于中国规范计算值。

5 结语

本文设计的同抚大堤大桥主体工程已基本完工，状况良好。全部工程预计于2018年6月整体完工。

中国铁路桥梁设计规范是基于弹性阶段的容许应力法，俄罗斯铁路桥梁设计规范则采用可靠度理论，按极限状态法进行设计计算，两国规范对设计荷载、材料性能等具体规定各不相同。同江市黑龙江铁路特大桥及相关工程中同抚大堤大桥(32+48+32)m预应力混凝土连续梁分别采用中俄两国规范进行检算，在各阶段均能较好满足两国规范要求，实现了中俄规范铁路连续梁的包络设计。本文设计方法可为类似海外铁路桥梁设计提供参考。

[1]张园园，贡金鑫，张玉玲，等.国内外钢筋混凝土铁路桥梁设计方法比较分析[J].铁道建筑，2012，52(2)：7-11.

[2]张雷，张海荣，孙大斌，等.同江黑龙江铁路特大桥设计[J].桥梁建设，2016，46(2)：92-96.

[3]原苏联国家建设委员会.CHИΠ 2.05.03-84 公路、铁路、城市道路桥涵设计规范[S].毕旌扬，译.北京：交通部公路规划设计院，1991.

[4]张海荣.中俄铁路钢桁梁桥设计活载标准对比研究[J].铁道标准设计，2012，55(12)：69-71.

[5]中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[6]中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[7]铁道第三勘测设计院集团有限公司.铁路桥涵极限状态法试设计方案研究[R].天津：铁道第三勘测设计院集团有限公司，2014.

[8]高策，薛吉岗.铁路桥梁结构设计规范由容许应力法转换为极限状态法的思考[J].铁道标准设计，2012，56(2)：41-45.