铁路与公路常规桥梁设计对比分析

邢彩凤

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

在我国，专业划分非常细致，同为桥梁设计人员，市政桥梁和公路桥梁之间相似性程度较高，但是铁路和公路之间差距较大。公路与铁路桥梁目前采用的设计方法不同，高策、薛吉岗[1]的论文中阐述了我国铁路桥梁容许应力法的来源，以及目前正在往极限状态法过渡的发展状况，赵君黎[2]介绍了我国公路桥梁设计规范的变迁，但是少有对于二者的比较。笔者有幸做了多年公路桥梁设计的工作，且有机会参与某客货共线铁路桥梁的设计，以常规桥梁设计的比较，浅薄之见，略作总结，以期对后来从事不同桥梁设计的同行以参考。

1 设计方法和理念比较

1.1 铁路桥梁采用容许应力法

自20世纪50年代我国铁路颁布的第一本行业标准《铁路桥涵设计规范》开始，铁路桥梁采用容许应力法进行结构设计已经将近70年了。容许应力法，是将材料视作理想弹性体，用线弹性理论方法，算出结构在荷载下的应力，并与材料的容许应力相比较，以确定结构的安全性。材料的容许应力主要依赖于各种试验成果和多年的实践经验。

铁三院从20世纪80年代起就开展了极限状态设计法桥梁规范的编纂工作，到2002年已基本完成上、下册初稿。随着大规模铁路工程建设的不断推进，列车荷载、建筑材料、结构形式等都发生了巨大变化，前期成果的局限性逐步凸显。经过研究修编，在2014年，中国铁路总公司颁布《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》，属企业标准。至此，极限状态法在铁路桥梁设计中处于探索、试验阶段。

1.2 公路桥梁采用极限状态法

1954年，我国首部公路工程设计规范《公路工程设计准则》（修订草案）颁布。1961年，首部《公路桥涵设计规范》（草案）颁布实施。1978年之前的桥涵规范均采用容许应力设计方法。

1978年首部预应力设计规范《公路预应力混凝土桥梁设计规范》引入了破损阶段设计理论。1985年开始，混凝土桥涵设计规范进入半经验的极限状态设计阶段。2014年开始，全面采用了概率极限状态设计法。钢结构桥梁设计规范体系转变的比较晚，前期一直参考建筑行业的钢结构设计规范，借鉴国外的钢结构设计法，采用容许应力法进行设计。

2015年，随着《公路钢结构桥梁设计规范》的颁布，钢结构桥梁设计的方法也进入了极限状态法设计阶段。

2 活载比较

铁路和公路荷载有3个方面类似：一是荷载图式分普通荷载和特种荷载两种，普通荷载用于整体结构分析，特种结构用于局部分析；二是根据线路类型不同荷载数值大小不同，铁路分为高速铁路、城际铁路、客货共线铁路、重载铁路，公路分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路和四级公路，根据规范采用公路一级和公路二级两个等级荷载；三是普通荷载由均布荷载和集中荷载组成，特种荷载由几个轴载组成。铁路荷载图式如表1所示，公路荷载图式如表2所示，公路-Ⅰ级荷载数值如表3所示。

表1 铁路荷载图式

表2 公路荷载图式

表3 公路-Ⅰ级荷载数值

针对高速铁路和高速公路荷载，均布荷载，铁路是公路的6.1倍；集中荷载，公路针对中小跨径桥梁是变化的，铁路是公路的2.2～3倍；对于跨径为30m的桥梁而言，按照跨中弯矩最大，进行单车道（线路）最不利加载，总荷载铁路桥是公路桥的3.64倍，分别是2310kN和635kN。

3 典型通用桥梁比较

国内铁路和公路桥梁均有通用图。相比较而言，铁路桥梁全国统一性更高，公路桥梁更加多样化。同一个设计时速，同一种线路类型，铁路上部结构不存在桥梁形式的选择，基本上也不存在经济跨径的选择。常规桥梁以32m简支作为基本跨径，16m和24m作为调整跨径，特殊桥梁多以8m为模数增加跨径，简支梁有铁路总公司统一版本通用图，连续梁（主跨48m、56m、64m、80m等）各铁路设计院有内部通用图。公路桥梁，不同跨径、不同墩高、不同地质类型，可选择的经济跨径不同，同一种跨径也存在不同的桥梁形式的选择，目前有交通部统一版本的空心板、T梁、小箱梁的通用图。省院都有各自的通用图，大体上与部颁通用图相似，但是细节上有差异，其他桥型结构各个设计院的设计都不相同。

因为上部荷载不同，设计控制因素不同，铁路与公路桥梁采用不同的设计，以30m公路桥梁T梁和32m铁路桥T梁做对比。铁路与公路T梁横断面图如图1、图2所示，T梁构造尺寸对比如表4所示，铁路与公路桥梁T梁平米指标对比如表5所示。

图2 公路T梁桥横断面（与铁路桥宽保持一致）(单位：mm）

铁路桥与公路桥相比，梁高更高，横梁个数更多，纵、横向刚度均比公路大很多；每平米混凝土用量，铁路桥是公路桥的1.65倍；预应力用量，铁路桥是公路桥的2.64倍；普通钢筋用量二者相当。结构部分造价，铁路是公路的2倍左右。

表4 铁路与公路桥梁T梁构造尺寸对比

表5 铁路与公路桥梁T梁平米指标对比

4 设计接口及控制因素比较

与公路桥梁相比，铁路桥梁接口复杂，其他专业考虑因素较多。横断面设计，公路考虑车道宽度、车道数、硬路肩宽度、护栏宽度、曲线加宽；铁路考虑线路数、机车类型（牵引类型）、轨道类型（标轨、窄轨、宽轨）、有砟轨道与无砟轨道（是否考虑大机养护）、曲线线间距加宽，另外人行道还需要考虑维修养护车辆、电信电缆槽位置、接触网立柱位置（类型、基础尺寸）等。

无论是公路桥梁还是铁路桥梁设计都需要满足承载力的需求，只是二者使用的设计方法不同。针对常规桥梁刚度的控制，铁路桥梁比公路要求高。公路常规混凝土桥梁，竖向挠度不可＞L/600；铁路针对不同线路类型，要求不同，高铁要求最高，重载铁路要求最低，从L/1600到L/700；除了重载铁路挠度数值跟公路桥梁要求较为接近外，其他均远小于公路桥梁规定，竖向刚度远高于公路桥梁。

对于主梁刚度的要求，除了竖向挠度值外，铁路桥涵设计规范还对梁端竖向转角、横向变形进行限制，这部分公路桥梁并没有规定，主要是由于铁路需要保持轨道平顺，进而保证行车舒适性。另外，铺设无缝钢轨的桥梁，为了减少轨道应力，对下部结构及基础还有最小线刚度的限制。

5 结束语

目前我国铁路桥梁与公路桥梁设计存在诸多不同：（1）采用的设计方法不同：铁路采用容许应力法，公路采用极限状态法；极限状态法在铁路桥梁设计的应用处于研究起步阶段。（2）铁路桥梁荷载与公路桥梁荷载相比，以跨径为30m的桥梁为例，单个车道，高速铁路活载总数值是高速公路的3.64倍。（3）由于轨道的存在，以及行车舒适性的要求，铁路桥梁刚度要求较公路桥梁严格。（4）对于相同跨径桥梁，铁路比公路用材用量多，每平米桥梁混凝土用量铁路是公路的1.65倍，预应力是2.64倍。