铁路桥梁正常使用极限状态可靠度校准研究

朱志营,齐成龙

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津　300142)



铁路桥梁正常使用极限状态可靠度校准研究

朱志营,齐成龙

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津300142)

摘要：分别以现行容许应力法规范、试行极限状态法规范和欧洲规范为依据,对某铁路工程预制后张法简支T梁的正截面抗裂性和桥梁刚度进行验算,从而对3种规范在正常使用极限状态下的可靠度进行比较,得出3种情况下的安全储备大小顺序：欧洲规范>现行容许应力法规范>试行极限状态法规范,并对试行极限状态法规范提出建议。

关键词：铁路桥梁 ;可靠度；容许应力法；极限状态法

1概述

现行铁路工程设计规范是以容许应力法为基础的，基于可靠度理论的极限状态设计方法研究在20世纪80年代末就开始了，但这些研究重点放在了承载能力极限状态设计方法上，这样一方面解决了结构极限状态设计的最基础问题，使极限状态设计方法研究迈出了关键的一步。另一方面，当时由于列车速度不高，对刚度等项目的检算不像现在高速铁路和客运专线那么受控制，所以对正常使用极限状态的研究不够深入。为满足铁路运输新形势和规范向极限状态设计方法转轨的需要，需要专门对铁路工程结构的正常使用极限状态进行系统研究。

本次研究主要是开展裂缝、桥梁刚度(挠度限值、变形变位、频率)等在3种规范下正常使用极限状态限值的设计对比分析研究。具体就是分别以现行容许应力法规范、试行极限状态法规范和欧洲规范为依据，对某铁路预制后张法简支T梁的正截面抗裂性和桥梁刚度进行验算，从而对不同规范在正常使用极限状态下的可靠度进行比较，为试行规范的修订提供建议。

2工程背景

以某客货共线铁路预制后张法简支T梁为分析对象，跨度32 m，铁路设计行车速度200 km/h，有砟轨道。

单线边梁跨中断面如图1所示，其中，左侧阴影区不受力，右侧阴影区为现浇块，在本计算中只考虑非阴影区的受力。

图1　单线边梁跨中断面(单位：mm)

容许应力法规范和试行极限状态法规范的设计活载都是“中-活载”，欧洲规范为UIC活载。在计算过程中，为了得出更加准确的对比结果，3种规范都采用“中-活载”计算。

33种规范比较

3.1荷载组合对比

容许应力法规范并未规定荷载组合系数，荷载效应采用标准值组合，它通过在不同工况下，规定不同的安全系数来体现可靠度的差别。而极限状态法规范，包括铁路试行规范和欧洲规范，对不同的荷载效应赋予不同的组合系数，并未规定安全系数。荷载组合情况如表1所示。

表1　荷载组合情况对比

表1中，MG1表示永久荷载，MG2表示附加荷载，MQ1表示活荷载。可以看出，3种规范对恒荷载的组合系数相同，对活荷载的组合系数不同，欧洲规范对标准值有1个0.8的组合系数。

3.2预应力损失对比

正截面抗裂性验算当中，需要计算出荷载产生的截面正拉应力和预应力筋产生的截面正压应力，3种规范对预应力损失的规定是不同的，这会导致截面预压应力的差别，从而影响正截面抗裂性的计算结果。

铁路试行极限状态法规范延续了容许应力法规范的规定。文献[9]5.10.3介绍了欧洲规范中后张法预应力损失的计算过程。欧洲规范将预应力损失分为直接损失和随时间变化的损失两种。直接损失包括：由混凝土弹性变形引起的损失ΔPel；由短期松弛引起的损失ΔPr；由摩擦引起的损失ΔPμ(x)；由锚件滑动引起的损失ΔPsl。随时间变化的损失指由于混凝土徐变和收缩以及预应力钢筋的长期松弛而产生的损失。3种规范的最终计算结果如表2所示。

表2　预应力损失对比　MPa

由表2可以看出，与容许应力法规范和试行极限状态规范相比，使用欧洲规范进行预应力损失计算时，摩擦损失及收缩徐变损失与另外2种规范不同。

2.2 两组免疫功能比较 两组干预后CD3+、CD4+、CD4+/CD8+较干预前显著提高(P<0.05)。干预前组间CD3+、CD4+、CD4+/CD8+比较，差异无统计学意义(P>0.05)。观察组干预后CD3+、CD4+、CD4+/CD8+显著高于对照组(P<0.05)。见表2。

3.3变形计算结果分析

在正常使用极限状态可靠度校准当中，本文对结构的竖向挠度、梁端转角和自振频率进行了检算。首先得出3种规范对变形限值和自振频率范围的要求，如表3所示。

表3　变形限值对比

注：L为梁跨度。

各规范对梁端转角的规定分为2种，包括路基与桥梁过渡段处的梁端转角和两梁之间的转角，表3所示梁端转角是两梁之间转角限值的1/2。可以看出，容许应力法规范和试行极限状态法规范对挠度限值的规定相同，均小于欧洲规范的限值，3种规范中自振频率的最低限值相同，但是与欧洲规范不同，容许应力法规范和试行极限状态法规范没有上限要求，因为，中国规范认为：梁体刚度与频率的平方成正比，频率高的梁体其刚度会大大增强，没有必要限制其频率上限。而欧洲规范认为：n0的上限受轨道不规则引起的动力放大系数控制，n0的下限受动力冲击标准控制。

依据3种规范，分别计算出梁体跨中挠度、梁端转角和结构自振频率，在已知结构变形限值的基础上，得出3种规范对结构变形的安全储备，如表4所示。

表4中，安全储备=(限值-结果)/限值，可以看出，无论对于挠度、转角还是最低频率，欧洲规范的安全储备都是最高的，容许应力法的安全储备大于试行极限状态法。

表4　变形计算结果汇总

3种规范所得变形计算结果不同，究其原因，当材料、截面特性相同时，在于荷载取值和刚度取值方面。容许应力法采用中-活载(不考虑动力系数)，且不考虑截面刚度折减；试行极限状态法规范同样采用中-活载(不考虑动力系数)，但是考虑0.95的截面刚度折减系数；欧洲规范在荷载取值方面基于UIC活载，而且考虑了频遇值系数0.8、动力系数和横桥向偏心。

3.4抗裂性计算结果分析

在进行正截面抗裂性验算时，容许应力法和试行极限状态法的计算方法基本相同，而欧洲规范仅为一指导性文件，并未对验算方法做出明确规定，在此使用试行极限状态法规范的计算方法。首先计算出外荷载在跨中截面上缘产生的正压应力和在跨中截面下缘产生的正拉应力，然后扣除相应阶段的预应力损失，计算预应力产生的跨中截面上缘正拉应力和跨中截面下缘正压应力，最后依据相应规范计算得出正截面抗裂安全系数，同时还可得出上下缘最不利应力。最终得出正截面抗裂安全储备如表5所示。

表5　正截面安全系数计算结果汇总

由表5结果可以看出，正截面抗裂安全储备值由大到小依次为：“欧洲规范”>“容许应力法规范”>“试行极限状态法”。

在预应力效应一定的情况下，对于简支梁桥跨中截面来说，外荷载最大的时候，上缘正压应力值最大，下缘正压应力值最小。此时上下缘即达到最不利应力状态。应力计算结果如表6所示。

表6所示为正截面抗裂性验算中，上下缘正应力的计算过程，同时也表示了正截面最不利应力状态。

欧洲规范与容许应力法和试行极限状态法规范相比，下缘最小正压应力显著增大，这种显著差别主要是由两方面因素引起的：欧洲规范计算得到的预应力摩阻损失偏小，使预压应力偏大；同时，在欧洲规范的正常使用极限状态下，活荷载需要与0.8的组合系数相乘，使正拉应力偏小。

表6　正截面上下缘应力计算结果汇总　MPa

4结论

通过本文的对比分析过程可以看出，在正常使用极限状态下，无论对于挠度、转角、结构最低频率，还是正截面抗裂性，欧洲规范的安全储备都是最高的，容许应力法规范的安全储备大于试行极限状态法规范。

现行容许应力法规范和欧洲规范已经过多年检验，其可靠度标准可以满足工程实践要求，这说明试行极限状态法规范的可靠度偏低，为了使此试行规范满足铁路工程设计的要求，还需进一步改进。

参考文献：

[1]中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2]中华人民共和国铁道部.TB10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[3]中华人民共和国铁道部.TB10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[4]中华人民共和国铁道部.TBJ24—1989铁路结合梁设计规定[S].北京：中国铁道出版社，1989.

[5]铁道第三勘察设计院集团有限公司.铁路桥涵结构设计规范(荷载和抗力系数极限状态设计法)(试用)送审稿(文中简称为“可靠度规范”)[S].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2012.

[6]Eurocode— Basis of structural design. BS EN 1990：2002[S]．

[7]Eurocode: Basis Of Structural Design Annex A2: Application for bridges (Normative). EN 1990-Annex A2[S]．

[8]Eurocode 1: Actions onstructures —Part 1-1: General actions — Densities， self-weight， imposed loads for buildings. BS EN 1991-1-1[S]．

[9]Eurocode 1: Actions on structures —Part 1-4: General actions — Wind actions. BS EN 1991-1-4[S]．

[10]Eurocode 1: Actions on structures —Part 1-5: General actions — Thermal actions. BS EN 1991-1-5[S]．

[11]Eurocode 1: Actions on structures —Part 2: Traffic loads on bridges. BS EN 1991-2[S]．

[12]Eurocode 3: Design of steel structures — Part 1-1: General rules and rules for buildings. BS EN 1993-1-1[S]．

[13]Eurocode 3 — Design of steel structures —Part 1-3: General rules —Supplementary rules for cold-formed members and sheeting. BS EN 1993-1-3[S]．

[15]Eurocode 3: Design of steel structures —Part 1-8: Design of joints. BS EN 1993-1-8[S]．

[16]Eurocode 3: Design of steel structures —Part 1-9: Fatigue. BS EN 1993-1-9[S]．

[17]Eurocode 3: Design of steel structures —Part 1-10: Material toughness and through-thickness properties. BS EN 1993-1-10[S]．

[18]Eurocode 3 — Design of steel structures —Part 1-11: Design of structures with tension components[S]．

[19]Eurocode 2: Design of concrete structures —Part 1-1: General rules and rules for buildings[S]．

[20]Eurocode 4: Design of Composite steel and Concrete Structures. ENV 1994-2: 1997[S]．

[21]Eurocode 3 — Design of steel structures —Part 2: Steel bridges. BS EN 1993-2[S].

Research on Reliability Adjustment of Railway Bridge Serviceability in Limit StateZHU Zhi-ying, QI Cheng-long

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin. 300142, China)

Abstract：On the basis of the current allowable stress specification, preliminary limit state specification and the European specification, normal section crack resistance and bridge rigidity of one railway post-stressed simple supported T beam are calculated, and the reliabilities of serviceability limit state of the three specifications are compared with the safety stock sequence: Euro code> allowable stresses method code> limit state method code. Finally, some suggestions are put forward on the preliminary limit state specification.

Key words：Railway bridge; Reliability; Allowable stresses method; Limit state method

中图分类号：U442.5+1

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.020

文章编号：1004-2954(2015)01-0080-03

作者简介：朱志营(1962—)男,高级工程师，E-mail：zhuzhiying@tsdig.com。

收稿日期：2014-10-30