美国规范在沙特麦加轻轨桥梁设计中的应用

邱 冰， 戴 旺， 邓娟红， 谢兵兵， 张美意

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙 410200)

1 工程概述

沙特麦加轻轨是我国企业第一条采用设计、采购、施工+运营管理的总承包模式的海外轻轨铁路项目，政治及宗教意义重大，为我国高速铁路走出去提供了一个很好的范例。它是世界上高峰客流量最大，运营模式最为复杂，有效施工工期最短的轻轨铁路。它采用了国际上使用比较广泛的总承包模式，采用了国际上使用较为广泛工程建设标准体系，先进的设计理念，前沿的设计准则和设计基本理论。下面就一一进行介绍。

2 标准体系

本项目使用的规范都是欧洲或美国规范为主，国际铁路联盟规范与当地规范为辅。美国的AASHTO规范是公路规范，在国际上影响力大，使用广泛，AREMA规范是美国铁路规范，但由于采用容许应立法，并且目前美国铁路发展较为缓慢，对高铁路和客运铁路缺乏实践，目前在国际上使用较少，所以本项目虽然是铁路项目最终采用的是AASHTO规范[1]。欧美规范与国际铁路联盟规范解决的是基础计算方法与理论，当地规范解决是当地温度、气象、地震区划等一些特性方面的问题[2]。本项目采用的桥梁规范如下所示：

(1) 美国桥梁设计规范AASHTO LRFD (4th edition, 2007)。

(2)美国桥梁施工规范AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications (2nd Edition 2004 with 2006, 2007, 2008, and 2009 Interims)。

(3)沙特高速公路结构设计规范 (V3, may 1992)。

(4)国际铁路联盟桥梁轨道相互作用规范UIC 7743 R。

(5)国际铁路联盟桥梁变形规范UIC 776-3。

(6)美国桥梁节段拼装设计规范 (AASHTO-2nd edition-1999)。

(7)美国地震设计规范 (AASHTO-2nd edition-2000)。

(8)美国混凝土收缩徐变设计规范CEB-FIP Model Code 1990。

(9)美国房建混凝土结构设计规范 (ACI 318-95)。

(10)美国测试与材料标准规范(ASTM)。

(11)圣地地区混凝土施工规范 (CIRIA, 1984)。

(12)法国铁路桥梁设计规范 (SNCF-Livret 2.01-1995 and 1999 update)。

本项目材料标准与我国是一样的，都是依据美国ASTM标准而制造生产并应用的[3]。美国标准混凝土等级是按300 mm高，150 mm半径圆柱体抗压强度标准值确定的。而我国是按照150 mm边长的立方体抗压强度标准值确定的[4]。

这些国际上比较常用的规范标准有以下共同的特点，就是注重技术发展方向，标准只规定通用性的理论方法、计算公式和基本原理，避免标准技术指标规定太死而妨碍技术进步，促进工程师知识面扩展和适应能力的提高[5]。铁路工程建设技术标准能适应多种气候条件、地质类型、运输荷载、和运行速度。相比而言，我国的标准大多采用技术描述方法，规定不同工程建设项目工况的具体取值，有利于大规模、工期紧的工程建设，但容易造成工程师不知道具体参数取值来源，容易生搬硬套[6]。

3 设计理念

3.1 以人为本，尊重自然，关爱生命

充分认识地球资源的有限性，公平考虑当代及后代人的需要的基础上考虑以人为本。桥梁与自然关系密切，本项目桥梁的梁体与墩身的造型都充分考虑周围的帐篷景观，与周围帐篷和谐一致[7]。在U梁上设置逃生通道，高架桥超过3 km设置逃生楼梯，高架车站内设置大功率沙漠空调。桥梁是为人的需要而建设，不光是考虑正常人的使用，而且考虑到残疾人通道及电梯等。关爱生命不光是考虑人的通行，同时也考虑到了沙漠之舟骆驼等其它生物的通道要求[8]。

3.2 文化及历史的传承与延续

任何一个国家和民族都应该重视文化的传承与延续。沙特麦加轻轨项目位于穆斯林信徒的心中圣地，宗教政治意义重大，设计充分考虑政治及宗教的信仰要求[9]。

3.3 美观价值论

人们愿意多花钱买一栋漂亮的房子而不是丑陋的房子，说明美是能产生价值的。美丽的拉萨河大桥为青藏铁路增色不少。所以铁路桥梁的美学设计是很有价值很有必要的。本项目注重美学设计，桥梁工程师与建筑师一开始就密切合作，过程中不断交流，共同完成。建筑师虽然是艺术家，美学家，但缺少对桥梁结构的受力状态及建筑技术的理解。而桥梁结构工程师则反之。本项目采用的六面异形体的空间桥梁盖梁的设计，获得了各方好评。

3.4 创新思想

创新是必需的，如果没有创新，怎么会有中国大面积350 km高铁的诞生，使中国高铁成为世界的名片。如果没有创新，怎么会有高原铁路青藏铁路的诞生，怎么会有高寒铁路哈大铁路的诞生。桥梁工程师所有的设计工作的基础都是经过前人积累产生的，不可否认，在桥梁历史长河中，中国古桥奉献了很重要的经验，近代两百年来，欧美及前苏联对桥梁设计的贡献巨大，但改革开放30多年来，中国对世界桥梁经验积累的贡献也是巨大的。但是正如邓文中院士所说，我们对桥梁所不知道的知识比知道的知识还是要多得多。现有的规范都是依据前人经验所总结的，并不是完全对的或者说是很完善的，所以还有很大的改进和完善空间。所以，创新的桥梁正是检验或者完善我们的桥梁经验很重要的而且很必要的[10]。

本项目高架桥的U梁及盖梁，高架车站的雨棚就是世界独一无二的，创新意识非常强。

反观我国国内的地铁高架桥建设，基本可以看到几乎是几个模式的反复应用，梁体大箱梁、小箱梁使用比较多，并且形式几乎一样，照搬照抄现象严重。

3.5 全寿命设计

桥梁的全寿命覆盖周期包括规划、设计、施工、运营/维护、拆除等全过程，与之相对应，桥梁结构全寿命周期成本即所有过程的成本之和。本项目重视桥梁的养护维修成本，养护维修通道设置完整[11]。

以上所说的设计理念，国内也有这方面的先进理念，比如说青藏铁路在藏北高原、可可西里等藏羚羊经常出没的地区，设计方经过摸索，熟悉了藏羚羊的习性、迁徙规律后，在它们的迁徙路线上设置了33处专用通道。大同到西安高铁晋陕黄河特大桥设置了黄河湿地候鸟的飞行通道。但是创新思想，追求美学价值，全寿命周期设计等方面还有进一步研究的空间。

4 设计准则

根据美国桥规AASHTO LRFD 2007提出的设计准则，桥梁的设计目标为实现可施工、安全、使用性，并恰当考虑维修、经济、美观方面的问题。桥梁的设计方法应采用多种极限状态设计方法。

我国GB 50157-2013《地铁设计规范》提出的设计准则为为使地铁工程设计达到安全可靠，功能合理，经济适用，节能环保，技术先进，制定本规范[12]。

我国JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》提出的设计准则为按照安全、耐久、适用、环保、经济、美观。公路桥涵应考虑养护需要，按照可到达、可检查、可维修和可养护的要求设计[13]。

仔细对比可以发现，美国桥规可施工、安全、使用性放在第一层次必须达到的目标，可维修、经济、美观放在了第二层次需认真考虑的目标。并且可施工和可维修分别放在第一，第二层次的首要位置，这是因为可施工和可维修桥梁建设和运营的基本前提保障。我国2015版公路规范已经和美国规范一致了。而我国地铁设计规范并没有分为两个层次，并没有提可施工性与可维修性，多了节能环保与技术先进，少了美观。[14]

美国规范还特地解释了其中的一些条文，比如说，可施工首先表现在桥梁设计不应该使制造和安装，运输施工架设等方面过分困难或者代价太大，应综合考虑气象水文等条件对桥梁施工的影响。经济也是我们工程师经常考虑的一个词，但美国规范给出了经济的一个条文解释说明，使用期间的维护费用也应一并考虑，确是我国工程师考虑较少的。经济有很复杂庞大的的含义，影响范围也极为广阔。虽然在许多经济分析中，大家只关注建造的价格，但是实际上一座桥梁的价格，应该同时考虑桥梁的寿命、维修的频率和价格、维修对周边环境的影响。近年来全寿命价格研究逐渐完善，这样综合考虑的经济性才是比较合理的。我国公路新规范首提耐久性也是朝全寿命周期设计迈进的重要一步。

5 设计基本理论

最早的钢筋混凝土结构设计理论，是采用以弹性理论为基础的容许应力法。20世纪30年代，前苏联首先提出了考虑钢筋混凝土塑性性能的破坏阶段的计算方法，即荷载系数法。随着对荷载和材料强度的进一步研究，前苏联在20世纪50年代又率先提出了极限状态计算法。沙特麦加轻轨项目桥梁结构采用的是美国AASHTO.LRFD规范，设计理论为目前国际上使用最为广泛的极限状态设计法，这种方法综合考虑了三个系数即，荷载系数、材料系数和工作条件系数，而这些系数基本是通过半经验，半概率的方法确定的，并且逐渐发展为概率理论为主导的极限状态设计方法，这种方法能够更加综合准确的考虑结构所处的状态[15]。

美国AASHTO规范目前采用的是多种极限状态设计法，提出了如下四种极限状态：[2]

(1)使用极限状态(Service limit state),即在正常使用条件下，对应力，挠度变形和裂缝宽度的限制。

(2)疲劳和断裂极限状态(fatigue and fracture limit state),反应的是对材料应力幅及韧性等材料在动力荷载的作用下的限制。

(3)强度极限状态(strength limit state),反应的是荷载作用下，对材料强度的限制。

(4)极端事件极限状态(extreme, event limit states),反应的是地震，洪水等极端事件发生时，保证结构不受破坏。

沙特麦加轻轨项目桥梁设计多种极限状态情况下采用的荷载组合见表1、表2。

表1 荷载组合系数一

表2 荷载组合系数二

我国JTG D60-2015 《公路桥涵设计通用规范》提出的极限状态为承载能力极限状态及正常使用极限状态。承载能力极限状态包含了强度极限状态、疲劳极限状态和极端事件极限状态。这说明公路规范基本是朝美国规范靠拢的。

我国铁路建国以来使用的是以弹性理论为基础的容许应力法。直到2018年QCR 9300-2018 《铁路桥涵设计规范(极限状态法)》 正式颁布，但是仍然规定可以采用容许应力法进行校核，可以看出我国铁路也将要从容许应力法向极限状态法转轨，极限设计原则及方法是符合国际标准ISO 2394《结构可靠度的总原则》的，新规范的出台是有利于与国际接轨的。

6 结束语

(1)一般国际工程项目中，使用的规范都是欧洲或美国规范为主，然后是国际铁路联盟规范与当地规范为辅。欧美规范与国际铁路联盟规范解决的是基础计算方法与理论，当地规范解决的是当地温度、气象、地震区划等一些特性方面的问题。

(2)目前我国的设计思想大部分已经紧跟或者引领国际步伐，但是如创新理念、全寿命设计理论等方面有些新思想仍需不断吸收消化，以包容的心态引领国际铁路技术顶端。

(3)我国铁路试用极限状态设计规范建议增加极端事件状态设计。

(4)建议我国工程师在设计过程中重视工程的可实施性与可维修性的设计。