我国铁路工程结构设计方法转轨的认识与思考

周诗广 张玉玲

（1铁道部经济规划研究院 工学博士，北京 100038；2中国铁道科学研究院 研究员，北京 100081）

1 关于工程结构设计方法

一般而言，目前工程结构比较成熟且广泛使用的设计方法主要有容许应力设计法和极限状态设计法两种。简而言之，容许应力设计法（Allowable Stress Design Method）是指按照结构或构件在荷载作用下产生的断面应力不超过其材料的容许应力的原则来决定结构物断面尺寸的方法;而极限状态设计法（Limit State Design Method）则是首先明确定义结构或构件在其施工和使用期内丧失其预期功能的特定状态（即该功能的极限状态），为了降低出现该极限状态的几率而借助可靠性理论进行结构设计的方法。

1.1 我国铁路工程结构设计方法的现状

长期以来，我国铁路工程结构设计规范主要沿用前苏联规范体系，采用的是容许应力设计方法，在设计中将材料强度、荷载的不确定性等影响安全的各种因素采用笼统的单一安全系数来解决。这种处理方法的数学表达和计算方法简单明了，积累了多年的设计经验，现已形成稳定可靠的设计模式和安全度。容许应力法的设计流程如图1所示。

随着现代化铁路建设的不断发展，容许应力法逐渐显露出其不适应性，主要体现在以下方面：

1）采用线性分析方法和完全弹性的材料力学特性，结构所具有的真实性能和安全度不明确。

2）通过对材料强度采用一定的安全率折减方法来同时保证结构的安全性和使用性，技术经济性相对较差。

3）结构变形、混凝土开裂等应力之外的性状不能直接控制，影响设计质量。

4）随着铁路“走出去”战略的实施，由于设计平台不同，与国外发达国家基于极限状态法的设计规范无法沟通和分析比较，阻碍铁路技术的国际交流。

因此，容许应力法设计规范已不能很好地满足当前形势下铁路工程的结构设计和国际化需求，非常有必要向极限状态法设计规范转轨。

1.2 国内外工程结构设计方法的现状

当前美国、欧洲、日本、俄罗斯等主要国家的结构设计规范都采用了极限状态设计方法。世界上148个国家组成的国际标准化组织 （ISO）出台的ISO 2394[1]（有关构造物可靠性的一般原则）即为关于结构极限状态设计的国际标准，为各国编制规范起到引领作用。

美国公路运输协会的AASHTO LRFD规范是基于概率极限状态设计法的桥梁设计规范，1994—2006年与容许应力法规范并行使用，2007年开始完全采用极限状态法规范。

欧洲规范是由欧洲标准技术委员会CEN/TC-250[2]组织编写的一套用于欧共体范围的结构设计规范，是以EN1990为基础的全套10卷60余册欧洲规范EN1990—1999。2010年取代欧共体国家的规范而成为统一的规范。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性规范。

日本土木学会于1986年正式导入极限状态法[3]，铁路行业的结构设计规范从1992年[4]开始逐步采用，至2007年《铁道构造物等设计标准·同解说》系列标准已基本过渡到与性能设计相结合的极限状态法。

前苏联铁道部科学研究院于1984年颁发 《苏联公路、铁路、城市道路桥涵设计规范》，采用了可靠度理论，按极限状态法进行计算。

20世纪80年代起，我国在可靠性理论研究并吸收国外成果的基础上，编制并颁布了《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-92），2008年又进行了全面修订。目前建筑、港口、水利水电和公路部门的结构设计规范已采用了极限状态法，各部门正在对各自行业的可靠性设计统一标准进行修订，并开启针对三层次设计标准的修编工作。其中，建筑结构是我国率先采用以概率统计数据为基础的极限状态设计法规范的部门，目前已能从可靠度指标的角度与国内外相关领域进行类比。

上述世界主要国家的规范编制和修订情况表明，极限状态设计是国际上工程结构设计规范发展的趋势。从国内工程结构设计规范发展情况看，铁路之外的各行业都在朝极限状态法设计规范方向发展，而且大部分已付诸实施且过渡平稳。

2 推行铁路工程结构极限状态法设计的必要性

极限状态设计方法是根据结构失去应有功能的破坏极限状态，考虑影响结构安全的各种因素，通过概率统计方法和可靠性理论将各种影响因素形成多个分项安全系数进行显性表达，满足达到指定的可接受的可靠度指标，克服了容许应力法单一安全系数无法反映复杂设计因素的不足。由于该方法能够通过设计参数跟踪反映影响结构安全的各种因素，明确结构的可靠性水准，量化施工和制造质量指标，并随着工程数据的积累可持续优化相应系数，具有安全、经济、合理并能指导结构建造和使用等特点，代表着我国现阶段工程结构设计的发展方向。极限状态法的设计流程如图2所示。

铁路工程结构采用极限状态设计方法，具有如下重要意义：

1）可以明确各专业的可靠性水准，有明显的量化指标便于提高施工和制造质量。

2）通过细化后分别设定安全系数，因此各专业领域的技术进步可以在设计中得到更好的反映。

3）设计阶段就能掌握构筑物在何种状态下存在多大程度的危险，从薄弱点控制的角度便于运营维护，还可用于结构的安全性和可靠性评价。

4）条件成熟时，可以调整各专业可靠度指标，提高控制项点水平，降低保守项点指标，使整个铁路工程结构体系协调、经济、科学。

5）便于和国内外先进规范接轨，有利于我国铁路标准在国际上的推广应用。

因此，开展对铁路工程结构极限状态设计方法研究，对解决当前运输多元化条件下的安全设计及均衡控制、提高整体设计水平和实现中国铁路“走出去”战略意义重大。

3 铁路工程结构设计方法转轨的工作基础及存在的问题

20世纪80年代，铁道部就开展了设计标准转轨的基础研究工作，对铁路桥梁、隧道、路基、轨道专业等40余项配套课题进行了研究，颁布了《铁路工程结构可靠度设计统一标准》(GB50126—1994)，编制了基于极限状态法的 《铁路桥涵设计规范》上册（报批稿）、下册（送审稿）；现行《铁路隧道设计规范》中的单线整体式衬砌、《铁路路基支挡结构设计规范》中的部分结构也采用了极限状态设计方法。

现将目前桥梁、隧道、路基和轨道4大结构专业有关极限状态设计法的研究进展总结如下。

3.1 桥梁专业工作基础

为编制桥梁上部结构设计规范，1987—1994年，对以可靠性理论为基础的极限状态设计方法进行了系统研究，科研项目大体分为荷载研究、抗力研究、桥梁设计方案研究。这些研究中有的是基于统计分析，还有的是基于试验数据或理论分析。作为研究成果，2000年编制完成了 《铁路桥涵设计规范》（荷载和抗力系数极限状态设计法）上册。

此后，1998—2001年，展开了桥梁下部结构的可靠性设计研究工作。对矩形实体桥墩、圆端形空心桥墩按极限状态法进行了检算，并与容许应力法的计算结果进行了离散分析。研究结果为《铁路桥涵设计规范》（下册）的编制提供了可靠的依据。

3.2 隧道专业工作基础

1989年，铁道部建设司立项开展了“以结构可靠性理论为基础修订铁路隧道设计规范的可行性研究”，提出应使隧道设计方法由半概率向近似概率法发展，提出开展以“荷载－结构”模型为基础的专题研究。

为了实现隧道衬砌可靠度设计，找出设计中几个主要随机变量的统计特征，建设司在20世纪90年代初立项开展了5项基础性研究:（1）深埋隧道荷载统计特征的研究；（2）浅埋（含偏压）隧道荷载统计特征及结构可靠度分析研究；（3）铁路明洞荷载统计特征研究；（4）隧道衬砌混凝土偏压构件强度统计特征及抗力计算公式的试验研究；（5）铁路隧道衬砌几何尺寸变异性的结构可靠度分析。1997年，又进行了“洞门可靠性设计的转轨研究”和“喷锚及复合衬砌可靠性设计方法及参数研究”。

基于上述各项基础性研究成果和对现行单线隧道衬砌标准图的可靠度指标的校准计算，铁路隧道单线整体式衬砌的可靠性设计在隧道设计规范中体现出来。双线和喷锚复合衬砌由于荷载以及围岩物性参数等统计特征尚未掌握，在设计规范中暂时还未能实现极限状态设计。

3.3 路基专业工作基础

我国在铁路路基方面进行过可靠度研究工作的有铁科院、西南交通大学和中铁二院。铁科院进行了重力式挡土墙、路堤边坡等方面的可靠度研究，得出了一些有意义的结论。西南交通大学和中铁二院重点进行了重力式挡土墙可靠度的研究。这些研究主要是对铁路路基可靠度研究的探索，对铁路路基极限状态设计研究起到了示范作用。

2004—2007年，中铁二院开展了关于“支挡结构可靠度研究”的科研。主要针对铁路支挡结构中广泛使用的重力式挡土墙、预加固桩和抗滑桩的可靠度指标进行研究，确定了重力式挡土墙和预加固桩抗滑桩的目标可靠度指标，并提出荷载分项系数和抗力分项系数，建立了重力式挡土墙、预加固桩和抗滑桩的可靠性理论设计验算表达式。研究确定了极限状态设计原则和方法，提出了极限状态设计的结构功能要求和标准。

3.4 轨道专业工作基础

目前我国轨道结构设计理论主要基于容许应力法，现阶段客运专线无砟轨道的设计方法是以适当拓展检算内容的容许应力法为基础，参照铁路桥规等进行设计检算，极限状态法设计尚未应用。轨道结构可靠性设计理论在上世纪做过少量研究，后来因为研究中出现无法解释的结果而终止。无砟轨道方面，德国桥上雷达无砟轨道，依据DIN1045（1988）规范的最新版 DIN1045－1（2001）采用了极限状态设计法，日本板式无砟轨道也采用了基于极限状态法的结构设计。

3.5 转轨工作存在的问题

综上所述，铁路桥梁、隧道、路基、轨道工程结构自20世纪80年代至今，都不同程度地开展了基于可靠性理论的极限状态设计方法研究，为即将开展的结构设计转轨工作提供了宝贵的研究经验并奠定了理论基础，但距离真正实施还有相当的距离。其主要原因是铁路工程结构建设发展很快，从列车荷载到新型材料、结构形式都发生了巨大变化。具体表现如下。

1）桥梁研究的列车荷载主要是按照蒸汽机车考虑，动力系数以运营内燃/电力机车为背景，按照客车时速120 km、货车时速80 km制定。没有客运专线 （高速铁路）、城际轨道交通和重载铁路的概念。

2）桥梁可靠度分析中的材料统计结果，仅限于20世纪80年代建造桥梁所采用的材料技术数据。一方面，这些年材料生产工艺水平发生变化，所以现有统计数据不能体现目前桥梁的实际情况；另一方面，近年来广泛使用的高性能混凝土、新型低合金钢等新型材料没有包括进去。

3）桥梁结构校准是以20世纪80年代建造的标准桥梁为主，当时的生产特征与现在完全不同，得到的桥梁可靠度指标分析结果已经完全不能代表现在桥梁结构真正的可靠度指标，而对新型桥梁结构形式则没有任何研究数据。

4）铁路隧道的研究，仅限于20世纪80年代普遍使用的时速小于140 km的单线隧道。而近年隧道主要采用双线10 m以上宽度隧道，尤其是高速铁路隧道宽度达15 m，其荷载情况完全不同；已进行过的单线隧道研究不包含目前列车运营的各种速度情况。

5）铁路路基和支挡结构，有关可靠性理论极限状态设计方法研究相对薄弱，仅从理论上作了一些探讨，设计参数基本没有统计数据。其原因是取得铁路路基实际工程参数难度大，数据离散大，规律性不强，造成分析难度也大；进而使得相应设计分析方法不够完善。

6）铁路轨道结构在可靠性理论极限状态设计方法研究方面进展最慢，上世纪仅对混凝土轨枕做过一些计算分析，没有形成成果。由于直接承受列车轮载，加之新型无砟轨道结构的引入和研发，轨道结构情况变得更为复杂。

7）关注重点发生了变化。上世纪进行可靠性理论极限状态研究时，比较关注强度方面的承载能力极限状态，指标相对单一。没有考虑目前铁路采用的高速铁路等客运专线所强调的平稳性、耐久性等检算项目。

鉴于此，2008—2010年，铁道部建设司立项开展了“铁路工程结构极限状态设计通用方法及专业参数处理分析研究”。2009年和2010年，为分析开展极限状态法规范转轨的研究框架，部科技司分别立项进行了“铁路工程结构基于极限状态理论设计体系的研究”和“铁路工程结构正常使用极限状态设计方法研究”。

4 转轨工作的推进思路

容许应力法设计规范向极限状态规范转轨，实际上是先建立一个极限状态法的概念体系和设计体系。极限状态设计的核心，是将庞大的实际工程数据定量地在设计表达式中通过参数的形式表达出来，具有自下而上（工程支持设计）和自上而下（设计指导工程）的可循环的功能。鉴于铁道行业已具备一定的工作基础，国内建筑、公路等其他行业已积累丰富的先行经验，国外发达国家已奠定了先进的理念和研究成果，在此基础上结合我国集中力量办大事的体制优势，在相对较短的时间内应能成功实施转轨工作。

为此，转轨工作应依据可靠度校准法原理，通过保证现行设计的安全水准，首先实现转轨的平稳过渡；在此基础上，通过数据积累、工程经验以及技术进步的不断完善，建立基于极限状态法的新的结构设计标准体系。具体而言，可采取以下的“两步走”工作思路。

4.1 第一步——形式转轨阶段

规范最初的转轨采用校准法。校准法就是在极限状态设计方法的制定过程中，以目前规范的容许应力法设计水平为基准，对各专业主要设计参数通过研究进行转轨，对统计条件不成熟者则直接转换，并保证采用新设计规范设计的结构与原规范设计的结构水平相当，形成总体一步到位的有效、平稳的工作框架。

本阶段的工作重点，一是在梳理既有极限状态法相关研究成果的同时，大力开展各专业通用的基础研究工作；二是确定桥梁、隧道、路基、轨道各专业的转轨具体方案并开展相关试设计等准备工作，为完成形式转轨的标准制定奠定基础。

本阶段的工作目标是完成现行《铁路工程结构可靠度设计统一标准》的全面修订工作，该标准是构建铁路工程结构极限状态设计统一的概念体系和方法体系的基础标准，对指导各专业的结构设计规范编制工作具有重要意义。在此基础上，完成铁路桥梁、隧道、路基、轨道极限状态法设计暂行规定的编制工作。

4.2 第二步——优化校准阶段

在形式转轨的基础上，对于形式一步到位部分，则采取后期积累经验、逐步完善的做法。在各专业设计暂行规定发布后与容许应力法并行使用的一定期间内，全面开展各专业的基础科研工作。对设计暂行规定中的参数予以修正和优化。

本阶段的工作重点，一是广泛开展荷载、抗力等的数据采集工作，为参数修正提供依据；二是各专业进行建立计算模型和完善结构设计的理论研究工作；三是通过试设计（设计验证）考察和确认新规范的适应性，完成相对实质性的极限状态法设计标准转轨。在各项科研和暂行规定实践的成果基础上，对设计暂行规定进行优化完善。

本阶段的工作目标是编制完成铁路桥梁、隧道、路基、轨道各专业的极限状态法设计规范并建立工程数据统计分析平台，形成正式的基于极限状态法的铁路工程结构设计标准体系。

5 转轨工作的相关建议

铁路工程结构设计方法转轨，横向涉及桥梁、隧道、路基、轨道各专业，纵向涵盖研究、设计、试验、数据统计等系列工作，是一项牵涉面广、工作量大且影响深远的系统工程。为实现顺利完成转轨的工作目标，转轨应整合行政资源，集中科研、设计单位的精兵强将，举全路之力高质量、高效率地开展相关课题研究和标准编制等相关工作。基于作者的工作经验和体会，特提出如下建议，以资参考。

1）转轨工作的系统性和技术性很强，建议铁道部成立专门的领导小组以统筹、协调转轨的相关工作；各单位遴选技术骨干，成立桥梁、隧道、路基、轨道各专业的工作小组，具体承担转轨科研和规范编制工作，从组织上为转轨工作的顺利实施提供保证。

2）制定极限状态设计法转轨工作的总体推进计划，明确各相关部门的工作职责和各专业的节点工作目标，相关单位各司其责，有计划、有步骤地开展各项工作。

3）规范转轨离不开科研的支撑，而极限状态方法研究难度较大，建议在前期研究成果的基础上，铁道部安排专项资金根据需要开展有关可靠性理论应用等的深化研究工作。

4）转轨工作的总体指导思想及各专业实施技术方案，应在积极吸纳国内其他行业转轨的成功经验和借鉴欧洲、日本等国的先进理念和技术路线的基础上再行审定，充分发挥后发优势，以少走弯路并立足高起点。比如安全度表达是采用分项安全系数还是可靠度指标β等，国内外存在争论，因此有必要重视和加强标准转轨的国内外专题调研工作。

5）由于极限状态法设计计算远较容许应力法复杂而多样，为了方便工程设计人员使用并避免结构计算出现可能的混乱局面，作为转轨工作的附带成果，桥梁、隧道、路基、轨道各专业基于极限状态法的结构设计软件应统一研发并编制典型算例，软件与算例应与设计规范同时推出。

6）长期以来，我国铁路采用容许应力法结构设计体系，熟谙极限状态设计法的技术人员相对匮乏。因此，转轨过程中应以前述工作小组为核心，加强规范编制成员和相关研究人员极限状态设计基本原理、转轨总体规划、研究技术路径等相关知识的学习和培训，并使得这支队伍在转轨工作完成后，成为今后规范宣贯的主力和各院开展工程设计的中坚。

7）极限状态设计法是未来可能导入的性能检算设计、可靠性设计等的基础和手段，因此，完成极限状态法转轨工作还只是我国铁路工程结构设计朝着国际接轨方向所迈出的第一步。为了及时跟踪国外先进技术发展趋势、妥善解答国内相关设计单位的技术疑难问题，建议铁道部成立以极限状态法为主要研究对象的常设咨询机构，处理与此相关的日常技术事宜。

6 结语

长期以来，我国铁路系统一直沿袭自前苏联引进的容许应力法进行结构设计。其间1985—1997年，铁道部开展过一次以结构可靠度理论为指导的铁路桥梁设计规范的修订工作，但因种种原因未能取得预期效果。

本文从阐述国内外工程结构设计方法的现状入手，在铁路工程结构极限状态法设计转轨的必要性说明基础上，详细分析了铁路行业桥梁、隧道、路基、轨道各结构专业转轨的工作基础及存在的问题，借鉴国内外的经验提出了转轨工作的推进思路，最后结合作者的思考和体会给出了转轨工作的相关建议。希望能为今后相关政策和方案的制定提供有益的参考。

[1]ISO/TC98/SC2：General Principles on Reliability for Structures[S]，ISO/FDIS 2394，1998

[2]CEN：Eurocode 1，Basis of Design and Actions on Structure-Part 1：Basis of Design[S]，ENV1991-1，1994

[3]日本土木学会.コンクリート標準示方書[S]，1986

[4]日本鉄道総合技術研究所.鉄道構造物等設計標準·同解説 コンクリート構造物[S]，1992