铁路隧道概率极限状态设计分项系数标定与讨论

目前，我国结构设计规范中广泛采用以荷载和抗力分项系数代表概率可靠性的概率极限状态设计方法。然而，在Eurocode 7等岩土工程结构的设计规范及相关研究中，对荷载与抗力分项系数方法，即以一组固定分项系数来保证不同工况下工程结构可靠性提出质疑。基于多年来我国铁路隧道衬砌结构概率极限状态设计的研究成果与应用情况，进一步细化不同围岩分级、埋深和衬砌类型的分项系数标定，共标定28种工况下衬砌结构设计的分项系数；分别采用本文、《铁路隧道极限状态法设计暂行规范》和《铁路隧道设计规范》的衬砌结构可靠性与安全性评价指标，对京张高铁八达岭隧道8种工况下设计方案的安全性与可靠性进行对比分析，不同工况下的隧道衬砌结构设计可靠指标与安全系数差异较大，说明荷载与抗力分项系数方法在铁路隧道衬砌可靠性设计中的稳健性较差。建议在隧道设计规范层面应逐步开展基于概率可靠性地勘和计算两阶段的研究，并提出铁路隧道设计方法转轨的部分建议。     

铁路隧道复合式衬砌极限状态设计研究

研究目的:随着我国隧道设计施工技术的不断发展,现行《铁路隧道设计规范》规定的极限状态设计法在实际应用中逐现不足,为更好地将可靠度理论应用于实践,本文以铁路隧道复合衬砌部颁通用图为研究对象,对铁路隧道复合式衬砌极限状态设计进行研究。研究结论:(1)建立了更具实用性的铁路隧道衬砌极限状态设计表达式,表达式中不直接含有基本变量的标准值、作用效应和抗力分项系数,但却体现了结构可靠性要求;(2)提出了新的分项系数优化原则与确定方法,并给出了相应的调整系数;(3)当结构自重分项系数取1.0、围岩压力分项系数取1.4时,各类型复合式衬砌的可靠指标与目标可靠指标取得良好的一致性;(4)该研究成果可直接指导铁路复合衬砌极限状态设计并为《铁路隧道设计规范》的修订提供依据。     

铁路隧道衬砌结构综合分项系数研究

应用可靠度理论制定设计规范是国内外结构设计发展的必然趋势。采用带有分项系数的实用设计表达式,不仅继承了传统结构设计式的形式,而且能体现结构设计对目标可靠指标的要求,还能被设计人员接受。以荷载结构模型为基础,考虑结构抗力的统计特征和荷载效应的不定性,提出铁路隧道衬砌结构设计所采用的实用设计表达式。采用设计验算点法,对不同时速铁路隧道通用参考图二次衬砌结构分析计算综合抗力分项系数和作用效应分项系数,并给出铁路隧道衬砌结构分项系数的推荐值。     

基于概率论的支挡结构极限状态设计方法

研究目的:基于概率论的可靠度理论,是工程研究与工程设计的一种先进方法,但限于相关研究不足,我国现行铁路路基支挡设计规范尚未采用,开展基于概率论的支挡结构极限状态设计方法的研究十分必要。研究结论:(1)采用总安全系数法的传统支挡结构设计的可靠度未知,未考虑变量的不确定性带来的影响,潜在一定安全风险;(2)支挡结构极限状态设计方法研究的思路是建立极限状态方程→分析可靠指标→确定设计表达式中的分项系数;(3)应根据不同的工况确定目标可靠指标和极限状态设计表达式中的分项系数;(4)本文提出的基于概率论的支挡结构极限状态设计方法,可直接用于铁路路基支挡结构设计。     

铁路桥梁钢筋混凝土构件抗弯设计

对我国铁路桥涵设计规范TB10002.3—2005,美国铁路工程协会标准AREMA和欧洲桥梁设计规范EN1992—2:2005中,铁路桥梁钢筋混凝土构件受弯的承载力计算方法进行了比较。分析表明,美国AREMA的使用荷载设计法,与我国铁路规范的容许应力法概念上是相同的,但规定的容许应力小于我国规范。AREMA荷载系数设计法与欧洲规范的设计表达式相近,不同点是荷载系数设计法采用统一的强度折减系数,而欧洲规范分别采用混凝土和钢筋的强度设计值。美国规范使用荷载法较荷载系数法保守。     

铁路隧道衬砌结构分项系数的优化分析研究

研究目的:采用带有分项系数的实用设计表达式,不仅能继承传统结构设计式的形式,而且能体现结构设计对目标可靠指标的要求,是应用可靠指标衡量结构设计安全水平的重要途径。本文根据铁路隧道衬砌结构的受力特点和材料性能,采用混凝土衬砌结构抗压、混凝土衬砌结构抗裂和钢筋混凝土衬砌结构三种极限状态设计式建立"荷载-结构"模型。研究结论:利用Monte-Carlo随机有限元的方法分析铁路隧道衬砌结构作用效应的统计特征,根据材料特性分析抗力的概率统计特征以及计算可靠指标与目标可靠指标差值最小化的原则,分析得到:(1)铁路隧道衬砌结构检算时,围岩压力分项系数为1.4,自重荷载分项系数为1.2;(2)钢筋混凝土、混凝土抗压、混凝土抗裂三种工况下的调整系数分别为1.05、1.85、2.35;(3)该研究结果可为《铁路隧道设计规范》的修订提供理论依据。     

基于瑞典条分法的铁路边坡极限状态设计研究

在参与修编Q/CR9127-2018《铁路路基设计规范(极限状态法)》过程中,发现铁路路基边坡的极限状态设计表达式、分项系数及设计验证校准等方面仍不完善.针对该问题,首先提出铁路路基边坡极限状态设计表达通式;其次,通过考虑变量相关性的方法计算出不同设计速度下的路基边坡分项系数;最后,通过大量的铁路路基边坡(路堤、路堑)...     

津保矮塔斜拉桥空间分析研究

研究目的:拟建津保铁路子牙河特大桥主桥上部结构采用有砟轨道(84+56+32)m矮塔斜拉桥,鉴于该桥的不对称性和受力复杂等特点,本文旨在通过空间静力计算、动力特性分析、稳定性分析、拉索应力幅以及不平衡索力计算、局部应力分析、抗震性能分析等,以验证该桥在整体结构及局部构造上的安全可靠性。研究结论:(1)在列车荷载及温度作用下,主梁横、竖向变形较小,结构具有足够的刚度;(2)主梁各截面的应力及强度安全系数均在设计规范要求的限值之内;(3)斜拉索的强度安全系数为2.75,分丝管索鞍两侧环氧砂浆抗滑移安全系数大于3.0,具有足够的安全性;(4)主体结构弹性屈曲稳定系数大于5,结构稳定性满足规范要求;(5)本桥满足"小震不坏、中震可修、大震不倒"的抗震设计目标。     

海外铁路工程项目人工费算法研究

研究目的:综合工费标准与定额人工消耗量不匹配造成海外铁路工程设计概算人工费占比虚高和概算指标失真,影响设计方案的比选,影响中方总承包企业投标报价。本文研究提出综合工费标准新算法和定额消耗量调整系数算法,以消除影响因素,达到合理确定工程造价的目的。研究结论:(1)依据国内铁路工程项目典型工点劳动组织、施工进度等参数,分别计算各分项工程综合工费标准;(2)区分技术密集型工程和劳动密集型工程,考虑海外工效降低因素分别计算各分项工程定额人工消耗量调整系数;(3)按人工费=Σ各分项工程综合工费标准×定额人工消耗量×定额消耗量调整系数来计算海外铁路工程项目设计概算人工费;(4)该研究成果可应用于海外铁路工程设计概算的编制。     

国内外钢筋混凝土铁路桥梁设计方法比较分析

在介绍了工程结构设计方法的演变历史之后,对我国铁路桥涵设计规范TB 10002.3—2005,美国铁路工程协会标准AREMA和欧洲桥梁设计规范EN 1992-2:2005中,钢筋混凝土铁路桥的设计方法和荷载组合进行了比较。分析表明,各规范考虑的主要设计荷载相同,但采用的荷载组合方法有所不同。我国铁路桥梁设计规范采用的是容许应力法;美国铁路工程协会标准采用两种方法,其中的使用荷载法与我国规范的容许应力法概念上相同;欧洲规范采用以概率论为基础的极限状态设计法,该方法能更合理地反映结构和构件的安全水平。各规范对裂缝和变形的控制和计算方法不同,我国铁路规范TB10002.3—2005裂缝和变形计算均采用荷载的标准值,美国铁路规范AREMA通过限制纵筋应力实现裂缝控制,不具体计算裂缝的宽度,变形计算采用未乘系数的荷载,欧洲规范EN 1991-1-1:2004裂缝和变形计算采用荷载的准永久组合。     

铁路路基浅埋式桩板结构极限状态法荷载组合与配筋设计研究

我国铁路工程设计正从容许应力法向极限状态法转轨,2019年实施的《铁路路基设计规范(极限状态法)》缺少桩板结构极限状态法设计的荷载组合和配筋相关规定。桩板结构作为应用广泛的地基处理方式,有必要研究其极限状态法设计方法,为铁路路基设计全面转轨提供基础。通过系统研究浅埋式桩板结构极限状态法与容许应力法的荷载组合与配筋设计理论,采用有限元方法对瑞九铁路典型浅埋式桩板结构的荷载组合与配筋进行计算分析对比,主要结论为：(1)浅埋式桩板结构采用铁路桥涵极限状态法与铁路桥涵容许应力法荷载组合存在较好对应关系,设计方法转轨衔接流畅;(2)铁路桥涵极限状态法计算正截面承载力控制的板配筋量比铁路桥涵容许应力法计算配筋量多出约23%,安全余度存在较大差别;(3)浅埋式桩板结构采用建筑极限状态法设计存在组合值系数不明确、板抗剪安全余度低和裂缝控制配筋量低的问题,可靠度存疑,不建议采用。     

无砟轨道桩板结构路基设计计算

鉴于无砟轨道桩板结构路基没有相应的设计规范,在分析其结构特点和使用要求的基础上,借鉴相关行业标准和研究成果,将荷载分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载,提出按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合,取各自的最不利组合以分项系数形式的表达式进行桩板结构路基设计计算。对荷载分项系数、组合值系数、准永久值系数以及结构抗力设计值和正常使用规定限值提出建议值。建议:承载板长度宜取20~50 m、厚度宜取0.5~0.8 m,并按一定原则设置;桩间距纵向宜取5~10 m,横向宜与线间距相对应;设置过渡段以满足过渡衔接处差异沉降和竖向转角要求。     

土坡稳定分析中 考虑参数变异水平的分项系数取值

岩土参数变异性大导致可靠指标离散性高,仅用1组分项系数难以保证土工结构可靠性达到目标可靠度。将土体强度参数变异性划分为小、中、大3个水平,以现有规范规定安全系数为控制指标,对常见铁路路堤边坡目标可靠度进行校准,确定目标可靠指标为2.3;运用验算点法计算分项系数,讨论几何和强度参数对分项系数影响规律,通过统计分析及标定得到了对应3种变异水平的分项系数推荐值。研究结果表明:土体强度参数变异性是影响分项系数取值的主导因素,强度参数均值和坡高次之,坡率的影响较为微弱;为使强度参数变异性不同的边坡达到一致的可靠度,提出了分项系数应与参数变异水平相适应的取值原则,给出了小、中、大变异水平对应的抗力项和荷载项分项系数(γR1,γR2,γS)推荐值分别为(0.75, 0.95; 1.02),(0.55, 0.90; 1.06)和(0.40, 0.80; 1.10)。     

超长大直径群桩沉降计算方法探讨

针对苏通长江大桥主塔超长大直径灌注群桩基础,分别采用目前国内铁路桥涵地基和基础设计规范、公路桥涵地基与基础设计规范、建筑桩基技术规范、建筑地基基础设计规范和美国桥梁设计规范中的荷载与抗力系数设计法对其沉降进行计算,然后再与大型离心模型试验沉降值进行比较,提出考虑超长桩的桩身压缩和采用荷载传递系数修正桩端附加应力的沉降计算方法,得到的理论计算值与试验值比较接近,仅相差7.8%;同时用该法所得计算值与内昆线某一大跨刚构连续组合体系特大桥超大规模高墩群桩基础的沉降试验值也比较逼近。最后讨论了现行规范中对群桩沉降计算存在的一些问题并提出一些建议。     

中欧(法)挡土墙设计规范对比研究

研究目的:为明确中欧(法)挡土墙设计规范差异,为开展海外工程设计提供参考,本文结合算例对中欧(法)挡土墙设计规范进行了对比研究。研究结论:(1) Eurocode 7只介绍了岩土工程设计原理和设计中要考虑的主要因素,但较少涉及具体计算方法,难以直接指导实际设计,需要结合各成员国制定的补充规范使用;(2)中法挡土墙设计规范所涉及的抗滑移、抗倾覆、基底承载力、偏心距等验算内容所对应的安全度基本一致;(3)法国规范基底摩擦系数取值较高,依据法国规范进行设计时挡墙底部尺寸可适当减小;(4)在进行结构强度验算时法国规范规定的荷载分项系数取值小于铁路支挡规范,在进行裂缝宽度检算时欧洲规范规定的裂缝宽度限值高于混规,从而导致依据法国规范设计的挡墙配筋量大幅减少;(5)本文得出的结论可应用于海外岩土工程设计。     

基于极限状态法的桩板式挡土墙设计研究

研究目的:桩板式挡土墙是常用的支挡结构,桩板式挡土墙极限状态设计的研究,是为了考察现行规范设计下,该结构的安全度并给出锚固段极限状态设计表达式。本文通过对桩板式挡土墙研究思路的总结和主要计算结果的分析,为桩板式挡土墙极限状态设计提供参考。研究结论:(1)桩板式挡土墙极限状态设计研究步骤:建立极限状态方程→计算可靠指标并确定目标可靠指标→计算分项系数及建立设计表达式;(2)路肩式桩板墙可靠指标分析表明,可靠指标满足或接近公众需求;(3)桩板墙可参照现行《铁路路基支挡结构设计规范》进行设计,但高边坡路堤和路堑墙应采用较大的荷载分项系数,同时设计中应注意采取减小边坡土压力的措施;(4)提出了路肩式桩板墙锚固段计算的设计表达式及分项系数建议取值;(5)该研究结论可供路肩式桩板墙设计参考。     

基于极限状态法的锚杆挡土墙设计研究

研究目的:锚杆挡土墙在高边坡工程中应用广泛,锚杆挡土墙极限状态设计的研究,是为了考察现行规范设计下,该结构的安全度并给出锚固段极限状态设计表达式。研究结论:(1)锚杆挡土墙极限状态设计研究步骤:建立极限状态方程→计算可靠指标并确定目标可靠指标→计算分项系数及建立设计表达式;(2)锚杆挡土墙可靠指标推荐值大部分满足公众需求,但边坡较高时,可靠指标偏低;(3)锚杆挡土墙设计可参照现行《铁路路基支挡结构设计规范》,当边坡较高时,建议适当增大荷载分项系数,并注意对边坡坡形的设计和加固;(4)该研究结论可供锚杆支挡结构设计参考。     

铁路桥梁钢筋混凝土构件抗剪设计方法分析比较

对我国铁路桥涵设计规范TB10002.3—2005,美国铁路工程协会标准AREMA和欧洲桥梁设计规范EN 1992-2:2005中,铁路桥梁钢筋混凝土构件受剪承载力设计方法进行了比较。分析表明,我国规范和AREMA使用荷载法的设计方法与容许应力的规定基本相同。AREMA荷载系数法采用定角桁架模型,剪应力由混凝土和箍筋共同承担,欧洲规范采用变角桁架模型,受剪承载力由箍筋屈服时剪力和混凝土压杆压碎时剪力的较小值确定。按美国AREMA使用荷载设计法和荷载系数设计法计算的构件受剪承载力基本持平。     

盾构隧道地层抗力系数的修正计算方法研究

研究目的:地层抗力系数的合理取值对于盾构隧道管片衬砌结构的设计的合理性、安全性至关重要。鉴于此,本文从既有的盾构隧道地层抗力计算方法出发,通过引入荷载修正和断面不同位置修正的系数ξ,考虑地层中隧道结构与地层的相互作用,推导出基于简化二向不等地应力场假定的地层抗力系数的修正计算公式,并与既有地层抗力系数的计算方法及现场实测数据进行对比分析,对该修正计算方法进行验证。研究结论:(1)采用本文得到的地层抗力系数修正计算方法与Muir Wood方法、Plizzari-Tiberti方法等三种地层抗力理论算法下管片衬砌结构受力分布规律基本相同,但内力的量值有所差异;(2)三种算法下最大正负弯矩对应轴力均与现场实测结果相差不大,采用本文方法管片结构弯矩偏差明显小于其他两种方法;(3)本研究成果可为盾构隧道结构分析中地层抗力系数的合理取值提供有益参考。     

山西中南部铁路桥梁设计活载计算参数研究

研究目的:与设计活载相关的计算参数是进行桥梁设计所考虑的主要因素之一。山西中南部铁路通道通行轴重不低于30 t的货物列车,是我国首条通行大轴重货物列车的国家I级干线,其活载效应超出了现行桥梁设计规范的规定,相关的计算参数也不同于现行规范给出的规定。为了满足通行大轴重货物列车铁路桥梁设计的需求,本文在确定了桥梁设计活载图式的基础上,对动力系数、离心力系数、牵引力和制动力系数、横向摇摆力、列车脱轨荷载等活载计算参数的计算方法或取值进行了研究,提出了适用的计算方法或取值。研究结论:(1)动力系数:采用文献[8](前苏联规范)计算;(2)离心力系数:采用《铁路桥涵设计基本规范》中第4.3.6条计算,但离心力的作用位置取轨顶以上2.2 m;(3)制动力或牵引力系数:采用文献[3]推荐的自定义计算办法;(4)横向摇摆力:沿用文献[5](中国规范),为偏于安全计,摇摆力取120 k N;(5)列车脱轨力:按现荷载图式与中-活载图式中均布荷载的比值进行提高,即提高系数为1.2倍;(6)研究成果可直接用于通行大轴重货物列车的铁路桥梁设计。