中俄铁路钢桁梁桥设计活载标准对比研究

张海荣

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 概述

同江黑龙江铁路特大桥是国内第一座跨越中、俄界河(黑龙江)的铁路大桥，桥上采用单线套轨技术，需要同时满足“中－活载”和俄罗斯CK活载通行要求。

我国现行的铁路桥涵设计规范《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002·1—2005)和《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002·2—2005)仍采用容许应力法进行设计。俄罗斯采用前苏联国家建设委员会1984年颁发的《公路、铁路、城市道路桥涵设计规范》(2.05.03—84)，该规范按极限状态法进行结构设计。从理论体系、活载标准、材料技术条件到构造要求，两国规范都存在较大差异。因此，有必要对中、俄铁路桥涵设计规范进行比较、研究，确定桥梁合理的设计参数，使得同江黑龙江铁路特大桥设计建造既满足中国规范的要求，又满足俄罗斯规范的要求。

由于俄罗斯规范给出的活载轴重比“中－活载”大很多，活载标准的差异性影响是本项目需要解决的关键性问题。

2 “中－活载”与俄罗斯标准活载CK的对比

2.1 列车竖向静活载

(1)“中－活载”图示如图1所示。

图1 “中-活载”活载图示(单位:m)

(2)俄罗斯规范规定，铁路列车的标准竖向活载CK，应采用线路能采纳的最大等代荷载，这种荷载取为24.5K kN以下的各种集中货物和强度为9.81K kN/m的线路均布荷载。对于永久性结构K为14，这样最大轴重约为343 kN，均布荷载约为137.3 kN/m。俄罗斯规范中未给出统一的活载图示，而是给出了按影响线进行加载的规定和标准竖向活载CK的换算均布活载表格。

2.2 列车竖向动力作用

(1)采用“中－活载”计算

强度计算时:1+μ=1+28/(40+L)

疲劳检算时:1+μf=1+18/(40+L)

式中，L为除承受局部活载杆件(如纵横梁、主桁竖杆及其相应的连接等)为影响线加载长度外，其余均为桥梁跨度。

(2)采用俄罗斯CK荷载计算

强度计算时:1+μ=1+18/(30+λ)，但不得小于1.15;

疲劳检算时:1+μf=1+2/3μ;

在按俄罗斯规范进行疲劳计算时必须采用ε乘以CK荷载，系数ε≤1。

式中，λ应按以下规定采用:

①主桁的主要杆件以及纵梁和横梁，当其参与主桁受力时，影响线长度等于跨长;当影响线的加载长度大于跨长时，则为加载长度;

②在局部加载计算时(即考虑局部荷载作用的这部分影响线加载时):纵梁为其跨长;横梁为纵梁在连接节间内的长度之和;吊杆、立柱和只受局部荷载的其他构件，应为影响线的加载长度;

③当影响线考虑同时有主要荷载和局部荷载加载时，按每种荷载分别取值。

2.3 中俄换算均布活载对比

从换算均布活载可以看出，俄罗斯标准活载CK比“中-活载”重，直接比较，俄罗斯CK换算均布活载是“中-活载”作用的1.37～1.69倍，详见图2、图3。

图2 端部换算均布活载K0

图3 1/2处换算均布活载K1/2

2.4 中俄对活载发展情况的考虑

按照我国《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2—2005)进行钢梁设计时，应另外考虑预留活载发展系数影响，而俄罗斯规范中的铁路标准活载已经考虑了其发展。

研究表明，前苏联的机车和编组有2个特点，(1)货车延米重比机车延米重大，贝－阿铁路采用的T型油罐车延米重为94.5 kN/m;(2)机车轴重大，货车轴重小，BⅡ型机车轴重最大，为267.8 kN。但从目前了解的俄方实际运营的机车车辆轴重看，与中方相差不大。所以，按俄罗斯规范采用标准活载CK进行设计时，已经预留了相当大的活载发展系数。

按本线技术标准，设计的牵引质量为5 000 t，由于目前国内以货运为主的线路多采用C80货车，轴重为250 kN，而且机车车辆还在向300 kN大轴重方向发展，按目前“中-活载”图式进行设计的桥梁预留的发展储备往往偏低。

为预留“中-活载”的发展空间，同时兼顾俄罗斯活载影响，必须研究适应本项目的“中-活载”预留发展系数，以达到合理控制钢梁技术经济指标的目的。

3 中、俄规范对钢梁设计规定的比较

3.1 中国规范的活载发展系数和活载发展均衡系数

对于钢桥，处理方法是将钢材的设计容许应力比照实际容许应力适当降低，使杆件截面中留有一定的应力储备。设计容许应力降低多少较为合理，要考虑如下因素:(1)钢桥的合理使用年限;(2)活载的增长速度;(3)附加投资的有效利用。中国规范中规定，钢材设计容许应力［σ］较实际容许应力(即检定容许应力［σ］')降低20%，并在设计中定义了2个系数:预留活载发展系数n和活载发展均衡系数η。

预留活载发展系数:n=0.2a+1.2

其中，Np为杆件设计恒载内力;Nk为杆件设计活载内力;μ为列车活载竖向动力系数。

当a为正值时，活载发展系数n要大于［σ］'/［σ］的比值。通常，跨度越大，a越大，n也越大。

活载发展均衡系数η的作用，是使所有杆件的预留活载发展系数ni均衡，均等于nmax，因此称为活载发展均衡系数。其计算公式为

当考虑了活载发展系数和活载发展均衡系数后，实际杆件截面按下式计算意义更为明确

式中，A为设计杆件有效截面积。

3.2 中、俄钢梁设计比较

为清楚起见，以钢桁梁的弦杆为例，进行说明。把俄罗斯标准活载CK作为设计要求的预留活载目标，则中国规范的预留活载发展系数 nmax=，但这样做，因为没有考虑两国规范设计理论的差异，所以，结构的设计安全度并不相同。

当分别按两国规范进行优化设计时，有

式中，［σ］为按中国规范设计时钢材的容许应力，［σ］=Ryn/1.7;Ryn为钢材的屈服强度;m为按俄罗斯规范计算时的工作条件系数，m=0.9;γf为活载分项系数，对于144 m 钢桁梁弦杆，γf=1.121;Ry=Ryn/γm，γm为俄罗斯规范的材料抗力系数，γm=1.125。

假设按上述两式计算得到有效截面相同，A中=A俄，变换后，则有

用同样的方法考察纵、横梁设计。

其中:

变换后，有

对于144 m钢桁梁的纵梁，γf=1.26;为考虑截面内塑性变形的有限增长系数，根据计算确定;其他参数取值同上。

3.3 同江桥简支钢桁梁主要杆件预留活载发展系数计算情况

同江桥主桥中方通航孔采用了跨度144 m的下承式简支钢桁梁，主桁形式如图4所示。

图4 跨度144 m下承式简支钢桁梁主桁概图(单位:mm)

对于该桁梁的上、下弦杆和纵、横梁的预留活载发展系数进行分析，分别按照桥梁检定规范和上面推导出的公式(1)、(2)进行计算，同时，给出了满足俄罗斯CK活载发展系数时的建议预留活载调整系数。

计算结果如表1～表3所示。

表1 上弦杆预留活载发展系数

表2 下弦杆预留活载发展系数

表3 纵、横梁预留活载发展系数

从表1和表2的计算结果可以看出，按中国规范设计的主桁弦杆预留活载发展系数可以达到1.447，并不低于公式(1)的计算值;而从表3的计算结果看，考虑活载发展均衡系数时，纵梁与中间横梁的预留活载发展系数仅为1.270，不仅低于主桁杆件的1.447，而且远低于按公式(2)的计算值1.567。一方面，说明纵横梁设计的预留活载发展系数应随跨度调整;另一方面，也说明局部加载时，俄罗斯标准活载CK的轴重较中国规范预留活载影响偏大。

4 结论和建议

(1)按中国现行容许应力法设计规范对钢桁梁桥进行设计时，预留活载发展系数一般大于1.2，且随跨度增大而增大，具有一定经济合理性。

(2)对于跨度144 m的简支下承式钢桁梁，分别按中、俄规范设计时，单从强度控制情况来看，主桁杆件具有大体相当的预留活载储备能力。

(3)为了使得按中国规范设计的钢桁梁桥，能够严格满足俄罗斯规范技术要求，应对“中－活载”的预留活载发展系数进行考察，尤其对局部加载控制的杆件，如纵、横梁等，应做适当的调整。

(4)随着跨度的增大，采用较大的预留活载发展系数，在常规跨度梁和当时的经济发展水平下是经济合理的方案;但随着技术经济的发展，设计使用寿命期的延长，不同跨度钢桥采用不同的预留活载发展系数，将难于很好地适应大跨度桥梁建设和未来机车车辆的发展。建议综合考虑我国桥梁建设情况和机车车辆发展情况进行深入研究，对我国规范的标准活载图示和预留活载发展规定进一步完善。

5 结语

随着经济的快速发展，国际间的交流与合作越来越多，铁路作为节能环保的交通方式，也得到世界各国的关注，国际铁路项目逐渐增多，不同的列车活载和规范体系是经常会遇到的问题。本文从中、俄列车活载对144 m简支下承式钢桁梁设计的影响出发，得出了强度控制时，主桁杆件两国预留活载储备能力大体相当的结论;并建议对局部加载控制的杆件，如纵横梁设计的预留活载发展系数进行适当调整，对同类桥梁设计项目有一定参考和借鉴作用。

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