高 策王凱林周勇政

（1中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司 工程師，北京100038；2中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司 助理工程師，北京100038；3中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司 工程師，北京100038）

0 概述

世界主要發(fā)達國家以及國內(nèi)建筑、公路、水利水電等行業(yè)多采用極限狀態(tài)法進行結(jié)構(gòu)設計，將影響結(jié)構(gòu)安全的各種因素配以相應的分項系數(shù)，明確了結(jié)構(gòu)的可靠性水準，相關(guān)參數(shù)可隨著工程數(shù)據(jù)的積累持續(xù)優(yōu)化。我國現(xiàn)行鐵路路基、橋涵、隧道、軌道等行業(yè)主體設計規(guī)范主要采用容許應力法，將影響結(jié)構(gòu)安全的各種因素籠統(tǒng)采用一個安全系數(shù)K來考慮，雖能滿足結(jié)構(gòu)設計的基本需要，確保工程質(zhì)量安全，但未能將影響結(jié)構(gòu)安全的因素進行合理分類和深入分析，體現(xiàn)影響因素間的不同差異，不利于結(jié)構(gòu)設計的持續(xù)優(yōu)化。由此，鐵路行業(yè)從上世紀80年代即啟動了鐵路工程結(jié)構(gòu)設計由容許應力法向極限狀態(tài)法過渡的轉(zhuǎn)軌工作，先后開展了理論研究、設計檢算、設計暫行規(guī)范編制、試設計、極限狀態(tài)法正式版規(guī)范編制等工作，初步實現(xiàn)將鐵路工程結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為極限狀態(tài)法設計，與國際主流設計方法接軌，進一步提升標準的科學合理性。

1 國外極限狀態(tài)法應用情況

20世紀40年代，美國學者提出了結(jié)構(gòu)失效概率的概念；50年代，前蘇聯(lián)制定了以極限狀態(tài)法為特征的結(jié)構(gòu)設計規(guī)范；70年代，國際標準化組織（ISO）提出了基于結(jié)構(gòu)可靠度理論的設計原則[1]。從20世紀70年代起，世界許多國家開始采用可靠度理論來指導新一輪結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的制定，極限狀態(tài)法逐漸成為世界結(jié)構(gòu)設計理論發(fā)展的主流。

1.1 美國

美國是最早開展結(jié)構(gòu)可靠度理論與應用研究的國家之一，其相關(guān)標準也代表著結(jié)構(gòu)可靠度理論與應用研究的國際水平?；跇O限狀態(tài)法的美國公路運輸協(xié)會AASHTOLRFD橋梁設計規(guī)范，自1994年頒布至2006年止，一直與容許應力法規(guī)范并行使用。自2007起，開始完全采用極限狀態(tài)法規(guī)范。

1.2 歐洲

歐洲標準技術(shù)委員會CEN/TC-250組織編寫了用于歐共體范圍內(nèi)的歐洲結(jié)構(gòu)設計規(guī)范EN1990—1999，全套10卷60余冊。該規(guī)范第一本《結(jié)構(gòu)設計基礎》（EN1990:2002）是其他9本規(guī)范有關(guān)極限狀態(tài)法的基礎規(guī)范，自發(fā)布實施起，與歐洲各國規(guī)范并行使用。2010年開始全面實施歐盟結(jié)構(gòu)規(guī)范，撤銷與歐盟結(jié)構(gòu)規(guī)范相抵觸的各成員國規(guī)范。

1.3 日本

日本1978年將極限狀態(tài)法引入混凝土結(jié)構(gòu)設計，鐵道行業(yè)的結(jié)構(gòu)設計規(guī)范《鐵道構(gòu)造物等設計標準·同解說》從1992年開始逐步采用極限狀態(tài)法，至2002年一直允許極限狀態(tài)法與容許應力法并存使用。2002年以后，混凝土結(jié)構(gòu)設計完全過渡到極限狀態(tài)法。

1.4 韓國

韓國結(jié)構(gòu)標準分為設計標準和附屬技術(shù)標準兩類，多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)采用極限狀態(tài)法，土工結(jié)構(gòu)（如基礎和擋土墻）仍使用容許應力法。目前修訂的《結(jié)構(gòu)基礎設計規(guī)范》采用了極限狀態(tài)法，也允許使用容許應力法。

2 國內(nèi)極限狀態(tài)法應用情況

2.1 建筑行業(yè)

建筑行業(yè)在我國率先將極限狀態(tài)法引入規(guī)范，頒布了我國第一本極限狀態(tài)法設計規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準》（GBJ 68—84）。在此基礎上，1989 年發(fā)布的《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GBJ 10—89）采用極限狀態(tài)法，自1990年1月1日起實施，原規(guī)范《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（TJ 10—74）于1991年6月30日廢止，新舊規(guī)范并行使用了一年半。建筑地基基礎專業(yè)中涉及巖土整體穩(wěn)定性設計計算時，仍采用容許應力法。

2.2 公路行業(yè)

公路行業(yè)中，橋梁結(jié)構(gòu)設計率先開展由容許應力法向極限狀態(tài)法的轉(zhuǎn)軌工作。1978年頒布的《公路預應力混凝土橋梁設計規(guī)范》采用容許應力法設計，1985年頒布的 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》采用半經(jīng)驗半概率的極限狀態(tài)設計方法，新舊規(guī)范并行使用16個月。之后，《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62—2004）等規(guī)范均采用極限狀態(tài)法。公路路基、隧道等專業(yè)目前仍主要使用容許應力法進行結(jié)構(gòu)設計。

2.3 港口、水利水電行業(yè)

上世紀90年代，港口行業(yè)頒布了基于極限狀態(tài)法設計的《港口工程荷載規(guī)范》，與容許應力法規(guī)范并行使用了1年多。水利水電行業(yè)中，《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB 50199—94）頒布前，均采用基于容許應力法的《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（SDJ 20—78）。水利部1996年頒布了基于極限狀態(tài)法的 《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（SL/T 191—96），頒布后與SDJ 20—78并行使用，直到 2008年 《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（SL 191—2008）頒布后，統(tǒng)一采用極限狀態(tài)法規(guī)范。電力部1996年頒布了基于極限狀態(tài)法的 《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（DL/T 5057—1996），直接代替SDJ 20—78。目前，水利行業(yè)仍有部分規(guī)范采用容許應力法，如《混凝土重力壩設計規(guī)范》。

3 鐵路極限狀態(tài)法轉(zhuǎn)軌工作

3.1 早期轉(zhuǎn)軌工作

上世紀80年代，原鐵道部即立項開展了極限狀態(tài)法基礎研究工作，頒布了《鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》。1994版《鐵路主要技術(shù)政策》也明確規(guī)定“結(jié)構(gòu)設計研究采用可靠度理論”[2]。為編制橋梁上部結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)法設計規(guī)范，1987年至1994年，鐵道部組織開展了荷載、抗力、設計方案等方面的研究工作，既有統(tǒng)計分析，也有試驗數(shù)據(jù)分析和理論研究。1994年，鐵路行業(yè)開始編制極限狀態(tài)法橋規(guī)，2000年12月完成規(guī)范報批稿。此外，1998年到2001年，原鐵道部還組織開展了對橋梁下部結(jié)構(gòu)的可靠性設計研究，進行了矩形實體墩、圓端型空心墩的極限狀態(tài)設計檢算，并啟動極限狀態(tài)法設計規(guī)范編制工作。

3.2 相關(guān)科研和暫規(guī)編制工作

2011年以來，根據(jù)《關(guān)于印發(fā)鐵路工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)法設計標準轉(zhuǎn)軌工作實施方案專題會議紀要的通知》（鐵建設函〔2011〕725 號）總體工作安排[3]，原鐵道部和中國鐵路總公司組織科研院所、各設計院進行了國內(nèi)外極限狀態(tài)法調(diào)研和技術(shù)培訓，系統(tǒng)梳理并立項開展了配套科研，并對部分既有梁、墩、基礎等結(jié)構(gòu)采用極限狀態(tài)法進行設計檢算[4]，初步擬定了分項系數(shù)和設計參數(shù)。2014年，中國鐵路總公司正式發(fā)布了《鐵路橋涵極限狀態(tài)法設計暫行規(guī)范》（Q/CR 9300—2014），并于2015年發(fā)布鐵路路基、隧道、軌道等極限狀態(tài)法設計暫行規(guī)范（以下簡稱“暫規(guī)”），主要供相關(guān)單位開展工程試設計工作使用。

3.3 工程試設計工作

2016年以來，中國鐵路總公司組織有關(guān)單位開展了鐵路路基、橋涵、隧道、軌道等專業(yè)典型結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)法工程試設計工作，并邀請了鐵路、建筑、公路、水利等行業(yè)的權(quán)威專家進行咨詢和研討。試設計工作采用極限狀態(tài)法規(guī)范對結(jié)構(gòu)進行正向設計，并按現(xiàn)行容許應力法進行校準，對比分析兩種設計方法的成果，分析差異原因，提出針對“暫規(guī)”中重要設計參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整意見。試設計工作內(nèi)容覆蓋了高速鐵路、客貨共線鐵路等不同速度等級，ZK活載、中活載等不同荷載類型，無砟軌道、有砟軌道等不同軌道型式的路基、橋涵、隧道、軌道典型結(jié)構(gòu)，共計40多個鐵路項目、111處工點。2017年2月，各專業(yè)試設計成果通過了專家驗收，驗證了“暫規(guī)”的科學性和可操作性，結(jié)果表明現(xiàn)階段極限狀態(tài)法與容許應力法設計的安全儲備和工程數(shù)量基本相當。

3.4 極限狀態(tài)法正式版標準編制

2017年3月，中國鐵路總公司組織相關(guān)單位開展了鐵路極限狀態(tài)法正式版標準編制工作。編制過程中，充分吸納前期科研和試設計成果，全面借鑒國內(nèi)外極限狀態(tài)法設計的成熟經(jīng)驗，對“暫規(guī)”進行了全面修訂。2018年6月，中國鐵路總公司發(fā)布了《鐵路路基工程設計規(guī)范（極限狀態(tài)法）》等4項正式版極限狀態(tài)法設計規(guī)范?，F(xiàn)階段，新頒的極限狀態(tài)法規(guī)范除結(jié)構(gòu)設計方法不同外，其余內(nèi)容均與行業(yè)容許應力法設計規(guī)范基本一致[5]，技術(shù)經(jīng)濟相當，滿足行業(yè)安全和性能標準要求。

4 鐵路極限狀態(tài)法規(guī)范主要技術(shù)內(nèi)容

4.1 路基專業(yè)

《鐵路路基工程設計規(guī)范（極限狀態(tài)法）》共16章，內(nèi)容主要包括總則、術(shù)語和符號、基本規(guī)定、作用及作用組合、材料性能及參數(shù)、基床、路堤、路塹、過渡段、地基處理、路基防護、路基支擋、路基防排水、改建與增建第二線路基、?。墸┩翀黾巴潦秸{(diào)配、路基接口設計等。通過對“暫規(guī)”的修訂，修改了填料分類和要求，完善了地基處理的常用作用組合，完善了地基處理穩(wěn)定計算公式和要求，調(diào)整了地基穩(wěn)定性調(diào)整系數(shù)和排水固結(jié)法的工法調(diào)整系數(shù)，優(yōu)化了擋土墻的抗滑動和抗傾覆以及加筋土擋土墻抗滑動穩(wěn)定性承載能力極限狀態(tài)設計分項系數(shù)。

4.2 橋涵專業(yè)

《鐵路橋涵工程設計規(guī)范（極限狀態(tài)法）》共15章，內(nèi)容主要包括總則、術(shù)語和符號、橋涵布置、設計作用、正常使用極限狀態(tài)設計基本限值、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、混凝土及砌體結(jié)構(gòu)、支座、墩臺、涵洞、既有線頂進橋涵、地基基礎及抗震設計等。通過對“暫規(guī)”的修訂，完善了橋涵結(jié)構(gòu)上作用的荷載分類以及不同極限狀態(tài)設計下的荷載組合方式，明確了鋼結(jié)構(gòu)設計的材料要求，完善了鋼-混凝土結(jié)合梁在不同極限狀態(tài)下的設計計算原則和構(gòu)造要求，優(yōu)化了混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設計原則、計算方法和構(gòu)造要求，對鐵路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設計和驗算提出了原則性要求。

4.3 隧道專業(yè)

《鐵路隧道工程設計規(guī)范（極限狀態(tài)法）》共12章，內(nèi)容主要包括總則、術(shù)語和符號、隧道勘測、作用、建筑材料、洞門與洞口段、隧道襯砌和明洞、附屬構(gòu)筑物及軌道、隧道結(jié)構(gòu)設計、輔助坑道、防水與排水、通風與照明等。通過對“暫規(guī)”的修訂，明確了隧道結(jié)構(gòu)設計狀況分別按持久狀況、短暫狀況、偶然狀況和地震狀況進行設計，作用組合設計表達式引入了計算模型不定性系數(shù)以及考慮結(jié)構(gòu)使用年限的荷載調(diào)整系數(shù)，補充了地震設計狀況設計表達式，完善了素混凝土襯砌抗裂、抗壓結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)，洞門結(jié)構(gòu)抗傾覆、滑移穩(wěn)定、地基承載力調(diào)整系數(shù)及計算基底應力的荷載分項系數(shù)。

4.4 軌道專業(yè)

《鐵路軌道工程設計規(guī)范（極限狀態(tài)法）》共12章，內(nèi)容主要包括總則、術(shù)語和符號、基本規(guī)定、作用和抗力、鋼軌及配件、正線有砟軌道、無砟軌道、站線軌道、道岔及鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、無縫線路、有縫線路和軌道附屬設施及常備材料等。通過對“暫規(guī)”的修訂，完善了無砟軌道的作用組合方法和列車荷載分項系數(shù)，修改了正常使用極限狀態(tài)下單元結(jié)構(gòu)的列車荷載組合系數(shù)、分段結(jié)構(gòu)的荷載組合方式及列車荷載組合系數(shù)、連續(xù)結(jié)構(gòu)準永久組合和準永久組合中的整體溫度作用拉力標準值、準永久值系數(shù)，調(diào)整了預應力混凝土軌枕極限狀態(tài)表達式中的部分分項系數(shù)，完善了鋼筋混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度計算方法。

5 存在問題及展望

5.1 存在問題和建議

雖然鐵路行業(yè)針對極限狀態(tài)法設計開展了大量工作，但采用極限狀態(tài)法進行結(jié)構(gòu)設計是鐵路工程結(jié)構(gòu)設計理論的重大轉(zhuǎn)變，要進一步提升規(guī)范的技術(shù)經(jīng)濟性還有很多工作要做。當前鐵路推廣應用極限狀態(tài)法規(guī)范還存在以下幾方面的問題：

1）由于鐵路工程結(jié)構(gòu)類型眾多，涉及多個專業(yè)，許多結(jié)構(gòu)形式尤其是新結(jié)構(gòu)、新材料尚未有專門的設計規(guī)范，其極限狀態(tài)法設計參數(shù)仍需開展進一步研究[6]。如鐵路斜拉橋、懸索橋等結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)法設計，以及地震荷載作用下的軌道、路基等專業(yè)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)法設計等問題。

2）鐵路極限狀態(tài)法轉(zhuǎn)軌過程中，雖然開展了大量的設計檢算，并采用極限狀態(tài)法進行了典型結(jié)構(gòu)形式的正向設計，但未能覆蓋所有結(jié)構(gòu)形式，規(guī)范中的分項系數(shù)、設計參數(shù)是否要結(jié)合相關(guān)結(jié)構(gòu)形式進行適應性調(diào)整，尚需結(jié)合工程設計，積累經(jīng)驗，及時優(yōu)化完善。

3）現(xiàn)階段，鐵路路基、橋涵、隧道、軌道極限狀態(tài)法和容許應力法設計規(guī)范的技術(shù)經(jīng)濟性是大致相當?shù)?。要進一步提升極限狀態(tài)法規(guī)范的技術(shù)經(jīng)濟性，尚需建立數(shù)據(jù)采集及分析平臺，針對結(jié)構(gòu)的作用、抗力以及材料的性能參數(shù)等進行長期采集、統(tǒng)計和分析，為極限狀態(tài)法規(guī)范的設計參數(shù)優(yōu)化提供支撐。

4）采用極限狀態(tài)法是鐵路工程結(jié)構(gòu)設計的重大變革，在全路推廣應用極限狀態(tài)法設計規(guī)范需要開展大量配套工作，一是要加強標準的培訓和宣貫，幫助廣大設計人員熟悉和學習新標準；二是要盡快完善極限狀態(tài)法設計配套軟件，并結(jié)合工程設計經(jīng)驗不斷完善。

5.2 展望

當前，全路正在踐行“交通強國、鐵路先行”奮斗目標，按照“三個世界領(lǐng)先、三個進一步提升”的發(fā)展藍圖，推動鐵路高質(zhì)量發(fā)展。鐵路工程結(jié)構(gòu)也更加突出智能設計和智能建造，這些都對鐵路結(jié)構(gòu)設計提出了更高的要求。同時，鐵路尤其是高鐵已成為國家的黃金名片，設計標準是鐵路關(guān)鍵技術(shù)之一，我們必須要準確把握世界結(jié)構(gòu)設計主流發(fā)展趨勢，體現(xiàn)全壽命周期設計理念，做好極限狀態(tài)法設計規(guī)范的持續(xù)完善工作，進一步優(yōu)化分項系數(shù)和設計參數(shù)，不斷提升規(guī)范的技術(shù)經(jīng)濟性，推動我國鐵路工程結(jié)構(gòu)設計達到世界領(lǐng)先水平，促進國際交流，為“一帶一路”和鐵路走出去提供有力技術(shù)支撐。