TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》主要修订内容解读

张莉

（中国铁路设计集团有限公司 土建工程设计研究院，天津 300308）

1 修订背景

近年来，我国铁路建设持续加快，随着客货共线铁路、高速铁路、城际铁路、重载铁路的大规模建设以及境外铁路项目的持续增多，TB 10002.1—2005《铁路桥涵设计基本规范》（简称05《桥规》）已不能适应新的设计条件。为有效指导不同运营模式下铁路工程的设计工作，国家铁路局、中国国家铁路集团有限公司先后组织编制了一大批适用于不同设计标准、具有专属性质的综合性规范，如《高速铁路设计规范》《城际铁路设计规范》《重载铁路设计规范》《Ⅲ、Ⅳ级铁路设计规范》等。在此类规范中，对于桥梁结构仅规定了既定的运行模式和设计标准下，结构的动力性能、刚度变形等设计参数和技术指标，以及对结构方面特殊的构造要求；而对于桥涵设计采用的静力计算方法、常规的设计要求等仍需执行05《桥规》的相关规定。由于05《桥规》仅适用于设计速度160 km/h 及以下的旅客列车、120 km/h及以下的货物列车，因此，仅从近年来的客运专线、客货共线铁路的运营模式看，原规范中的一些条款已经过时或缺少。同时，由于规范编制时期不同，对同一规定存在不一致的地方，造成设计标准不统一，影响结构设计的安全性和可靠性。

根据国家铁路局“构建铁路工程建设标准体系”的要求，为统一不同运输性质类型、不同速度目标值铁路桥涵设计要求及技术标准，进一步提高铁路桥涵设计水平，保障铁路桥涵质量与安全，要求在新桥规修订时，应在05《桥规》基础上，全面总结我国高速铁路、城际铁路、客货共线铁路和重载铁路桥涵建设、运营的实践经验和科研成果，收集、整理、提炼出国内外相关行业标准中可借鉴的规定，从而制定出不同标准等级铁路桥涵结构设计可以普遍遵循的规定和计算办法。同时结合我国国情、经济社会发展水平、环境条件等因素，合理确定不同运输性质类型、不同速度等级铁路桥涵的主要设计参数和技术指标［1］。明确要求规范修订时，应该遵循以下几个原则：（1）贯彻国家有关法律、法规及铁路主要技术政策，保护环境、保障铁路桥涵建设质量与安全；（2）整合现行高速铁路、城际铁路、重载铁路及客货共线铁路有关标准，满足铁路桥涵设计要求；（3）总结近年铁路桥涵建设和运营实践经验、意见和建议，积极应用“四新”技术，充分吸纳近年来经评审并取得一定应用经验的铁路桥梁相关科研成果，同时做好与现行高速铁路、城际铁路、重载铁路、客货共线铁路规范之间的协调，进一步提升规范的科学性和技术经济合理性；（4）与有关技术标准相协调，避免矛盾和重复，章节编排体现系统性和设计人员使用方便性；（5）规范设计方法仍采用容许应力法。

2 主要修订内容

与05《桥规》相比，TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》（简称新《桥规》）在以下方面做了重要修订：

（1）扩大规范的适用范围。05《桥规》仅适用于客货列车共行、旅客列车设计行车速度≤160 km/h、货物列车设计行车速度≤120 km/h（转8A 货车80 km/h）的Ⅰ、Ⅱ级标准轨距铁路桥涵结构设计，新《桥规》适用于高速铁路、城际铁路、客货共线Ⅰ、Ⅱ级标准轨距铁路和重载铁路桥涵结构设计。

（2）修订桥梁适用的跨度和高度。05《桥规》适用于混凝土梁跨度≤96 m，钢梁跨度≤168 m单线桁梁和跨度≤40 m的钢板梁；新《桥规》适用于跨度≤168 m钢梁，跨度≤128 m混凝土梁及墩高≤50 m的桥梁。

（3）修订设计采用的铁路列车荷载图式，以《铁路列车荷载图式》替代“中-活载”。

（4）删除05《桥规》中属于总体设计原则或非桥梁专业的条款，如铁路桥和公路桥分、合建原则，铁路桥上设置反向曲线的规定，钢梁设置温度调节器相关规定，桥梁跨度系列表等。

（5）针对现行不同规范中，对于同一桥梁设计参数、技术指标存在不同的表达形式，或同一设计参数互相重叠规定的情况，修订时进行全面的梳理和整合，最终形成形式统一的控制指标限值表，如铁路梁式桥竖向变形限值、墩台基础沉降限值、墩台顶纵向水平线刚度限值表。

（6）统一不同等级铁路桥梁结构设计的角度要求、相邻桥涵间路堤长度的原则规定。对各标准等级铁路桥梁，在平面布置时，对结构斜交角度限制在60°以内；根据近年来的工程经验，对相邻桥涵间路堤长度，不再提出150 m的硬性规定。

（7）修订长钢轨纵向力的力学性质，将其由主力活载改为特殊荷载；新增长钢轨纵向力（伸缩力、挠曲力、断轨力）组合原则，并补充容许值提高系数这一重要设计控制参数的规定。

（8）统一列车横向摇摆力的取值原则，分别按客货共线铁路、高速铁路、城际铁路、重载铁路4种运营模式进行横向摇摆力的取值。

（9）修订05《桥规》中钢筋混凝土桥跨结构（钢筋混凝土、素混凝土、石砌的桥跨结构及涵洞、刚架桥）动力系数的计算参数，将原动力公式中参数α，由“α=4（1-h）≤2”修改为“α=0.32（3-h）2≤2”，即采用拟合二次曲线替换原来的折线。

（10）新增“桥面同一梁缝内外侧宽度相差较大时，宜在梁端桥面板设置悬臂端等措施调整”的规定。

（11）新增“铁路线路交叉跨越桥梁结构设计与安全防护”“高架车站桥梁结构”“系统接口设计”3 节，明确上跨或下穿公路、铁路的设计及安全防护要求，规定高架车站桥梁结构设计的主要原则，提出桥梁设计的接口工作要求。

（12）根据工务部门要求确保高速铁路行车安全的意见，明确提出高速铁路不得进行顶进桥涵作业的要求。

3 部分规定解读

3.1 铁路列车荷载图式应用

铁路列车荷载图式是铁路列车对线路基础设施静态作用的概化表达形式，根据不同类型铁路运输移动装备情况，并考虑一定的储备和发展系数综合制定出来［2］。自《铁路工程技术规范》 第二篇的桥涵（〔1974〕交铁基字2960 号，简称75《桥规》）后，“中-活载”图式一直广泛应用于铁路桥涵结构设计中。本次规范修订过程中，按上级归口单位国家铁路局的要求，《铁路桥涵设计规范》中不再列入列车荷载图式，设计时应根据项目的要求，直接从《铁路列车荷载图式》选取与其匹配的荷载图式。

在应用《铁路列车荷载图式》进行桥涵结构设计时，需注意以下几个问题：

（1）进行结构设计时，应配套选用列车荷载图式及参数体系。列车荷载图式除直接用于线路基础设施结构强度设计外，对桥梁结构刚度、频率等都有直接或间接影响，其对于列车速度的适应性也是通过控制结构刚度、频率等动力学指标实现；此外，列车纵向力（机车牵引力、列车制动力）、离心力等也是在荷载图式基础上通过采用相应系数计算得到［2］。因此，桥涵结构设计时，应配套选用列车荷载图式及参数体系。

（2）列车荷载图式对桥梁动力性能设计的影响。列车在桥梁上运行的安全性和舒适性与桥梁刚度、频率等动力学指标相关。在相同速度条件下，桥梁的动力学设计指标与列车荷载图式的选取并无直接关系，无论采用高速铁路还是城际铁路列车荷载图式设计的桥梁，或者是直接采用高速动车组作为设计荷载，在相同速度条件下需要满足高速列车安全、舒适运营的目标、对桥梁的动力学性能要求是相同的。以高速铁路标准梁桥为例，由高速铁路列车荷载图式调整为城际铁路列车荷载图式进行设计时，由于高速列车安全性、舒适性要求没有改变，梁体刚度、频率等指标不应随着列车荷载图式的变化而变化，可优化调整的主要为用于强度设计、长期变形设计的预应力束等［2］。

（3）在《铁路列车荷载图式》中，以ZKH 图式替代“中-活载”图式［3］。前期的研究成果认为，2 种计算图式对桥涵结构、墩台基础等刚度较大结构的作用效果、经济性指标基本相当，但对于中、小跨度梁或杆件，由于图式中重轴换算为均布荷载，ZKH 图式较“中-活载”大一些，因此ZKH 图式在结构局部抗剪、抗弯方面更控制设计。以客货共线铁路预制后张法32 m简支T 梁通用参考图为例，分别按“中-活载”和“ZKH”2 种荷载图式对曲线时的边梁进行结构纵向计算，其结构强度及应力指标计算成果可知，按ZKH 图式计算的边梁控制截面的正截面强度、应力较“中-活载”更为控制。因此，建议设计人员在利用之前设计成果时，如果原设计控制指标已经很经济，那么必须按ZKH 图式重新检算，满足要求方可利用；否则，应严格采用ZKH图式重新对结构进行设计［4］。

3.2 无缝线路纵向力力学性质及组合原则

05《桥规》表4.4.1 中，长钢轨纵向水平力（伸缩力和挠曲力）列在主力活载中［5］；新《桥规》将其列入了特殊荷载，虽然力学性质的规定变了，但长钢轨纵向水平力的计算办法及组合原则与05《桥规》相比没有改变。

长钢轨纵向水平力（伸缩力、挠曲力、断轨力）引自对无缝线路轨道结构的研究。轨道结构在进行强度、稳定性检算时，长钢轨伸缩力和挠曲力作为设计的主要荷载被列为主力是合理的；而对于桥梁墩台结构，在考虑无缝线路对结构的影响时，需结合桥上其他可能同时作用的荷载，综合考虑其叠加效应。在05《桥规》使用中发现，有些设计人员按习惯理解认为：伸缩力和挠曲力既然为主力活载，就可以像其他活载一样，与桥上作用的其他主力、附加力进行任意的组合。导致设计的荷载组合类型数增多、组合后的荷载设计值（纵向水平力、水平弯矩）增大，由此设计出的墩台尺寸会相应增大，特别是对下部桩基础，桩长加桩头配筋都可能增加，无形中错误地提高了设计标准。为避免这个问题，规范修订时将长钢轨纵向水平力（伸缩力和挠曲力）改为特殊荷载。另外，为方便设计者使用，将纵向力组合原则、设计容许值提高系数列于规范表4.3.13中。需要注意的是，无缝线路上的桥梁墩台荷载组合计算时，仅增加表4.3.13的荷载组合，其他的荷载组合仍然采用原传统的荷载组合方式［6］。

3.3 （1+μ）公式中参数α的修订

（1）对于普速铁路钢筋混凝土桥跨结构，如钢筋混凝土、素混凝土、石砌的桥跨结构及涵洞、刚架桥，其动力系数一直沿用1959年版《桥规》（简称59《桥规》）中钢筋混凝土桥跨结构冲击系数（1+μ）的计算办法。本计算办法是根据我国解放初期以来积累的桥梁动载试验资料，经过分析提出的。59《桥规》制定冲击系数计算办法时，对8～32 m 七种跨度（L）的简支梁用各种机车做了38组试验，并进行3 000次以上的运行试验，得到约10 000 余根记录曲线。经过分析整理绘制蒸汽机车作用下梁跨长度与动力系数关系曲线图，经拟合后绘出动力系数计算公式(1+μ) = 1+曲线。75《桥规》修订时，对原动力系数计算公式进行修订，以替代原公式［7］。同时将原公式中的“冲击系数”改为“列车竖向动力作用”。

（2）动力系数是结构或构件最大的动力响应与最大静力响应之比，其数值大小是列车-轨道-桥梁的动力特性和动力相互作用状态的综合反映，“八五”科技攻关项目《高速铁路桥梁动力性能研究》对此进行了专项研究。研究在分析国外研究成果的基础上，通过建立车-桥竖向相互作用的动力学模型编制模拟计算程序，计算各种高速列车（动力分散式及动力集中式）作用下的桥梁动力系数，分析影响的主要因素和变化规律，并对计算成果进行统计分析，给出我国高速列车（ZK荷载图式）桥梁结构动力系数［8］的计算公式：

式中：Lφ为加载长度，m，Lφ＜3.61 m时，应取3.61 m；简支梁应取梁的跨度；连续梁可按平均跨度乘以跨度调整系数（见新《桥规》表4.3.8）确定、且不应小于最大跨度。

对于涵洞及结构顶面有填土的承重结构，《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定》中动力系数制定时，主要参照UIC 776-1 《Loads to be considered in railway bridge design》［9］。根据式（1），当填土厚度不足1.0 m 时，不考虑动力系数折减；当填土厚度超过1.0 m时，每增加1.0 m，动力系数降低0.1；《高速铁路设计规范（试行）》修订时，增加“顶面填土厚度超过3.0 m 时，不计动力系数”的规定［8］。以跨度4.0 m 涵洞为例，不计填土厚度影响时，动力系数为1.62，当填土厚度为2.0、3.0 m 时动力系数分别折减为1.52 和1.42，这与3.0 m 以上填土厚度不计动力系数的规定具有一定偏差。

《高速铁路设计规范》修编时，再次对公式进行修订。通过对秦沈客运专线铁路及其他既有线提速试验中18 座不同填土厚度的涵洞动力系数实测结果进行统计后，分析填土厚度对动力系数的影响规律：随着填土厚度的增加，动力系数呈明显下降规律［10］（见图1）。

图1 不同填土厚度涵洞动力系数实测结果对比

根据实测数据和既有研究成果，拟合曲线后提出下式：

根据式（2），涵洞及结构顶面有填土的承重结构，当顶面填土厚度≤3.0 m时，动力系数（1+μ）为：

式中：μ折减为涵洞动力系数折减系数；hc为涵洞及结构顶面至轨底的填土厚度，m。

以跨度4.5 m 涵洞为例，考虑桥上轨道结构（不含钢轨）高度为0.6 m，填土厚度为0～3.0 m，修订前后的计算结果对比见图2。

图2 跨度L=4.5 m涵洞修订前后动力系数对比

（3）新《桥规》修订时，结合《高速铁路设计规范》的研究成果，以及多年来普速铁路的运维经验，认为05《桥规》对于“顶部填土厚度h≥1.0 m时，不计列车竖向动力作用”是不合适的。对于钢筋混凝土、素混凝土、石砌的桥跨结构及涵洞、刚架桥顶上填土厚度h＜3.0 m 时，均应考虑列车竖向动力作用。因此，本次规范修订时，在维持原动力系数计算公式不变的情况下，根据高速铁路填土厚度对动力系数的影响规律，将原动力公式中的系数α，用拟合二次曲线替换原来的折线（即将“α= 4 (1-h)≤2”修改为“α=0.32(3-h)2≤2，h＜0.5 m 时，取0.5 m”）。以跨度4.0、32.0 m 为例，当填土厚度h=0.5 m 时，α=2 代入（1+μ）计算公式，所得数值与05《桥规》相同；当0.5＜h≤3.0 m 时，α=0～2 代入（1+μ）计算公式计算，所得数值随填土厚度h呈二次曲线变化；当h＞3.0 m时，（1+μ）=1.0（即不计动力系数）。新旧公式中，顶部覆土高度与参数α的关系见图3、图4。

图3 跨度L=4.0 m顶部覆土高度与参数α关系

图4 跨度L=32.0 m顶部覆土高度与参数α的关系

（4）需要设计人员注意的是：①新《桥规》的列车竖向动力系数适用范围为客货共线铁路、重载铁路。②从图3、图4 可以看出，新《桥规》计算得出的列车竖向动力系数较05《桥规》均有增大，特别是对涵洞或杆件等跨径较小的结构影响较大，因此在利用之前的设计成果时，设计者应严格按新《桥规》进行验算，满足要求后方可使用，但设计指标预留的安全储备有所下降［10］。

4 结束语

《铁路桥涵设计规范》作为指导我国铁路桥梁工程设计最基本、最重要的规范，已经走过了近70年的光辉历程。它记录了我国铁路从最初的照搬前苏联规范，到逐步形成一套符合我国国情、路情，具有自主知识产权的适用范围广、成熟可靠、技术先进的技术标准，凝结了几代铁路工程技术人员的智慧和心血，并随着我国铁路建设发展不断完善。由于本次规范修订涵盖内容增加较多、编制时间较紧，规范中尚有一些需要进一步做专项研究后解决的问题。如桥涵结构的动力系数，对于客货共线铁路、重载铁路，本次修订仍延用了05《桥规》中的计算公式，其制定时依据的试验资料还是解放初期的成果；对于高速铁路、城际铁路，则是直接借鉴UIC标准结合我国研究成果提出的，同一设计参数由2套体系制定，期望在以后的规范修订时能够解决这一问题。针对主要设计荷载，如风力、温度荷载、冰压力、墩台船舶撞击力等重要荷载，规范中暂时还没有适宜、可靠的计算办法，需要不断更新、补充和完善，使规范能够与时俱进，更具科学性和先进性。