关于广珠城际桥梁设计采用极限状态法的探讨

［摘 要］ 本文结合广珠城际轨道交通桥梁设计具有轻轨、地铁和铁路网的特点，分析了国内外桥梁设计规范极限状态法的各项基本技术参数取值，通过实例对不同设计计算方法进行比较，阐明广珠城际桥梁设计不仅可以采用容许应力法，还可以采用极限状态法，并提出广珠城际桥梁荷载分类与组合形式。

［关键词］ 广珠城际 桥梁设计 极限状态法

引言
新建铁路广州至珠海(含中山至江门)城际快速轨道交通桥梁具有类似城市轨道交通桥梁的特点，且在我国刚刚起步，无相应的设计方法与规范。我们有必要对国内外相关规范和设计方法进行充分的研究分析比较，加强对本线的桥梁结构的设计计算方法的认识，才能有利于推进城际快速轨道交通桥梁设计技术的进步与发展。本文着重根据各国极限状态法的一些规定，对相应的技术参数进行分析比较，并与其他计算方法进行荷载效应的对比。
国内自 2000 年上海明珠线一期建成通车以后，北京、广州、武汉等城市也相继进行城市轨道交通建设。目前国内尚无城市高架轨道交通桥梁的设计规范，结构设计参照铁路桥涵设计规范按容许应力法进行计算。
国外的轨道交通在七十年代就得到了发展，且各国相继修订设计规范，纳入了结构设计最新的成果，计算方法也从容许应力法、破坏阶段法发展到极限状态法。国外除了个别规范外，一般都采用极限状态设计，运用荷载分项系数法作为设计表达式。
经过对本线桥梁设计荷载图式的初步研究认为采用 0.6uic 较为合适，其实，本线设计概化的运营车辆荷载对简支梁的跨中换算静活载效应与0.4uic 的作用效应相当，因此，活载相对来说较轻，欧洲联盟的设计方法是完全值得借鉴的；同时本线的桥梁比重占全线 95%以上，在对设计方法进行初步分析比较的基础上，认为采用极限状态法进行桥梁结构设计其经济效益可观，从投资方面考虑也有必要对极限状态法进行论证。
1 极限状态法技术参数比较与分析
极限状态法中各规范技术参数差别较大，但分类基本一致，即：荷载、材料与工作条件等，着重从这三个方面技术参数，综合分析国内外规范取值，寻求适合本线技术参数。国内外规范使用阶段极限状态工况其技术参数取值均为 1，承载能力极限状态工况下的技术参数取值如表 1～表 4。

从表 1 可以明确，恒载参数各种标准的差别很大。同时一个国家不同时期的差别也是很大的(其中带*者为原有规范) 。但是结构自重在桥建成以后，基本是不变的，误差可能性较小，因此取 1.2 作为自重恒载参数。
各国规范的活载参数取值如表 3,活载是桥梁设计中最基本的技术条件。比较各国规范当中的活载参数，根据活载在桥梁设计当中所起的主导作用，在不同的组合方式下，分别取 1.4、1.2、1.0 等不同的值。
按极限状态法设计的桥梁结构设计，根据规定须进行两类极限状态计算，以保证结构安全、适用、耐久。由于城际快速轨道交通在国内刚刚起步，不可能从可靠度理论分析来制订各技术参数取值，主要参考国内外现有设计规范，按荷载的离散程度不同制订相应参数。推荐的技术参数取值如表 5～表 7。

2 荷载分类与组合
2.1 荷载分类
荷载的分类按荷载随着时间变化性能的不同以及出现机率的大小,将作用在城际轨道交通桥梁上的荷载分为下列几类:永久荷载、可变荷载和偶然荷载，如表 7。

2.2 荷载组合
（1）按承载能力极限状态组合:
组合ⅰ：永久荷载的一种或几种与基本可变荷载的一种或几种效应组合；
组合ⅱ：永久荷载的一种或几种与基本可变荷载的一种或几种与其它可变荷载的一种或几种效应组合；
组合ⅲ：永久荷载一种或几种与施工、养护、维修状态荷载的效应组合；
组合ⅴ：永久荷载的一种或几种与基本可变荷载的一种或几种,再加上一种偶然荷载的效应组合。
（2）按正常使用极限状态组合组合 ⅳ: 永久荷载的一种或几种与基本可变荷载的一种或几种效应组合。
3 算例
3.1 基本资料
在不同的活载形式作用下，计算示例一为一轻轨30m 双线预应力混凝土简支梁，梁部采用 c50 混凝土，检算跨中截面进行强度；计算示例二为钢筋混凝土连续刚构，计算跨度为(10.28+2×12.56+10.28)m，梁部采用 c50 混凝土，墩身采用 c35混凝土，检算其墩顶梁截面与墩顶墩身截面。轻轨活载图式如图 1，广珠城际运营车辆荷载图式如图 2，动车组荷载图式与图 2 相同，轴重≤150kn。

3.2 计算结果
计算结果如表 8～表 10。从表 8 可以看出，轻轨与汽—超 20 活载效应相当，采用按极限状态法，在轻轨活载作用下，可节约钢材约 24%，在广珠城际快速轨道车辆荷载作用下节省钢材14%。表 9 的计算结果表明，要满足规范要求，截面钢筋的最小根数，采用容许应力法计算需60φ25ⅱ级钢筋,极限状态法需 53φ25ⅱ级钢筋。表 10 的计算结果均满足规范要求，截面有足够的安全储备。

3.3 计算分析及结论
以上示例，分别对钢筋混凝土的受弯构件、偏心受压构件以及预应力混凝土构件进行了检算，包含了桥梁结构设计的大部分内容。经过以上计算，可以看出：
(1)对推荐的各项技术参数进行的极限状态法与容许应力法、破坏内力法进行了计算比较，结果表明满足规范要求。
(2)采用极限状态法比采用容许应力法、破坏内力法要节省材料。当然，在实际的工程设计当中，不仅仅是按截面的最大承载能力去进行桥梁结构设计，还要考虑截面砼和钢索应力以及位移等要求。
(3)推荐的技术参数虽然是在参照各国结构设计规范或桥梁设计规范的基础之上选取，但是荷载与材料的分项安全系数、工作条件系数的取值，在安全度方面的保证率比较明确，较之容许应力法、破坏内力法对内力凭经验取安全系数设计，要科学、明确。
(4）将结构的受力区分为两类极限状态来计算，既保证了结构的安全，又保证了它的使用功能和耐久性，概念清楚，计算目标明确，兼有按容许应力法和按破坏内力法设计的优点。

4 结语
广珠城际快速轨道交通工程桥梁设计采用采用极限状态法的计算方法，通过上面的计算，无论是对广珠城际快速轨道交通工程运营车辆荷载还是对动车组荷载，结果表明都是可行的。随着结构设计理论不断发展以及极限状态设计法的日趋成熟，对于高架轨道交通桥跨结构来说，荷载和结构抗力的变异性小，计算模式确定性好，更适合采用极限状态的设计方法。

参考文献
[1] ｂｓ5400—1980,英国标准钢桥、混凝土桥及结合桥.西南交通大学译.
[2] 黄黎丽译、严国敏校.台湾高速铁路桥梁设计规范（有关桥梁部分）.铁道部大桥设计院内部资料,1997.10
[3] 苏联混凝土和钢筋混凝土结构设计规范(снип2.03.01-84).冶金建筑研究总院钢筋混凝土结构技术情报研究室,1986.7
[4] 日本铁路结构设计标准和解释———混凝土结构[ｒ].铁道部第三勘测设计院译.东京:日本混凝土结构设计标准委员会,1996
[5] ｊｔｊ023—85,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.
[6] gb50157—2003 地铁设计规范
[7] 国外高速铁路标准及规程汇编.第七册.铁道部标准计算研究所,1995.11
[8] ａａｓｈｔｏｌｒｆｄ—1994,美国公路桥梁设计规范———荷载和抗力系数法.交通部公路规划设计研究院译.
[9] 国际铁路联盟规范(有关桥梁部分)(uiccode international union of railways)铁道部大桥工程局桥梁科学研究所.1981.10
[10] 袁国干.筋混凝土结构设计原理.同济大学出版社,1998.10
[11] 关于国外混凝土结构设计方法的动态.国外桥梁.桥梁建设 1976 年第 1 期增刊:28
[12] 倪章军、曹雪琴、朱金龙.城市轨道交通桥梁按极限状态法设计的建议.同济大学学报,2003（10）:1173

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