中俄鐵路鋼桁梁橋設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)對比研究

張海榮

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

同江黑龍江鐵路特大橋是國內(nèi)第一座跨越中、俄界河(黑龍江)的鐵路大橋，橋上采用單線套軌技術(shù)，需要同時(shí)滿足“中－活載”和俄羅斯CK活載通行要求。

我國現(xiàn)行的鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002·1—2005)和《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002·2—2005)仍采用容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)。俄羅斯采用前蘇聯(lián)國家建設(shè)委員會(huì)1984年頒發(fā)的《公路、鐵路、城市道路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(2.05.03—84)，該規(guī)范按極限狀態(tài)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從理論體系、活載標(biāo)準(zhǔn)、材料技術(shù)條件到構(gòu)造要求，兩國規(guī)范都存在較大差異。因此，有必要對中、俄鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行比較、研究，確定橋梁合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，使得同江黑龍江鐵路特大橋設(shè)計(jì)建造既滿足中國規(guī)范的要求，又滿足俄羅斯規(guī)范的要求。

由于俄羅斯規(guī)范給出的活載軸重比“中－活載”大很多，活載標(biāo)準(zhǔn)的差異性影響是本項(xiàng)目需要解決的關(guān)鍵性問題。

2 “中－活載”與俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)活載CK的對比

2.1 列車豎向靜活載

(1)“中－活載”圖示如圖1所示。

圖1 “中-活載”活載圖示(單位:m)

(2)俄羅斯規(guī)范規(guī)定，鐵路列車的標(biāo)準(zhǔn)豎向活載CK，應(yīng)采用線路能采納的最大等代荷載，這種荷載取為24.5K kN以下的各種集中貨物和強(qiáng)度為9.81K kN/m的線路均布荷載。對于永久性結(jié)構(gòu)K為14，這樣最大軸重約為343 kN，均布荷載約為137.3 kN/m。俄羅斯規(guī)范中未給出統(tǒng)一的活載圖示，而是給出了按影響線進(jìn)行加載的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)豎向活載CK的換算均布活載表格。

2.2 列車豎向動(dòng)力作用

(1)采用“中－活載”計(jì)算

強(qiáng)度計(jì)算時(shí):1+μ=1+28/(40+L)

疲勞檢算時(shí):1+μf=1+18/(40+L)

式中，L為除承受局部活載桿件(如縱橫梁、主桁豎桿及其相應(yīng)的連接等)為影響線加載長度外，其余均為橋梁跨度。

(2)采用俄羅斯CK荷載計(jì)算

強(qiáng)度計(jì)算時(shí):1+μ=1+18/(30+λ)，但不得小于1.15;

疲勞檢算時(shí):1+μf=1+2/3μ;

在按俄羅斯規(guī)范進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)必須采用ε乘以CK荷載，系數(shù)ε≤1。

式中，λ應(yīng)按以下規(guī)定采用:

①主桁的主要桿件以及縱梁和橫梁，當(dāng)其參與主桁受力時(shí)，影響線長度等于跨長;當(dāng)影響線的加載長度大于跨長時(shí)，則為加載長度;

②在局部加載計(jì)算時(shí)(即考慮局部荷載作用的這部分影響線加載時(shí)):縱梁為其跨長;橫梁為縱梁在連接節(jié)間內(nèi)的長度之和;吊桿、立柱和只受局部荷載的其他構(gòu)件，應(yīng)為影響線的加載長度;

③當(dāng)影響線考慮同時(shí)有主要荷載和局部荷載加載時(shí)，按每種荷載分別取值。

2.3 中俄換算均布活載對比

從換算均布活載可以看出，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)活載CK比“中-活載”重，直接比較，俄羅斯CK換算均布活載是“中-活載”作用的1.37～1.69倍，詳見圖2、圖3。

圖2 端部換算均布活載K0

圖3 1/2處換算均布活載K1/2

2.4 中俄對活載發(fā)展情況的考慮

按照我國《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.2—2005)進(jìn)行鋼梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)另外考慮預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)影響，而俄羅斯規(guī)范中的鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載已經(jīng)考慮了其發(fā)展。

研究表明，前蘇聯(lián)的機(jī)車和編組有2個(gè)特點(diǎn)，(1)貨車延米重比機(jī)車延米重大，貝－阿鐵路采用的T型油罐車延米重為94.5 kN/m;(2)機(jī)車軸重大，貨車軸重小，BⅡ型機(jī)車軸重最大，為267.8 kN。但從目前了解的俄方實(shí)際運(yùn)營的機(jī)車車輛軸重看，與中方相差不大。所以，按俄羅斯規(guī)范采用標(biāo)準(zhǔn)活載CK進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)預(yù)留了相當(dāng)大的活載發(fā)展系數(shù)。

按本線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的牽引質(zhì)量為5 000 t，由于目前國內(nèi)以貨運(yùn)為主的線路多采用C80貨車，軸重為250 kN，而且機(jī)車車輛還在向300 kN大軸重方向發(fā)展，按目前“中-活載”圖式進(jìn)行設(shè)計(jì)的橋梁預(yù)留的發(fā)展儲(chǔ)備往往偏低。

為預(yù)留“中-活載”的發(fā)展空間，同時(shí)兼顧俄羅斯活載影響，必須研究適應(yīng)本項(xiàng)目的“中-活載”預(yù)留發(fā)展系數(shù)，以達(dá)到合理控制鋼梁技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的目的。

3 中、俄規(guī)范對鋼梁設(shè)計(jì)規(guī)定的比較

3.1 中國規(guī)范的活載發(fā)展系數(shù)和活載發(fā)展均衡系數(shù)

對于鋼橋，處理方法是將鋼材的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力比照實(shí)際容許應(yīng)力適當(dāng)降低，使桿件截面中留有一定的應(yīng)力儲(chǔ)備。設(shè)計(jì)容許應(yīng)力降低多少較為合理，要考慮如下因素:(1)鋼橋的合理使用年限;(2)活載的增長速度;(3)附加投資的有效利用。中國規(guī)范中規(guī)定，鋼材設(shè)計(jì)容許應(yīng)力［σ］較實(shí)際容許應(yīng)力(即檢定容許應(yīng)力［σ］')降低20%，并在設(shè)計(jì)中定義了2個(gè)系數(shù):預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)n和活載發(fā)展均衡系數(shù)η。

預(yù)留活載發(fā)展系數(shù):n=0.2a+1.2

其中，Np為桿件設(shè)計(jì)恒載內(nèi)力;Nk為桿件設(shè)計(jì)活載內(nèi)力;μ為列車活載豎向動(dòng)力系數(shù)。

當(dāng)a為正值時(shí)，活載發(fā)展系數(shù)n要大于［σ］'/［σ］的比值。通常，跨度越大，a越大，n也越大。

活載發(fā)展均衡系數(shù)η的作用，是使所有桿件的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)ni均衡，均等于nmax，因此稱為活載發(fā)展均衡系數(shù)。其計(jì)算公式為

當(dāng)考慮了活載發(fā)展系數(shù)和活載發(fā)展均衡系數(shù)后，實(shí)際桿件截面按下式計(jì)算意義更為明確

式中，A為設(shè)計(jì)桿件有效截面積。

3.2 中、俄鋼梁設(shè)計(jì)比較

為清楚起見，以鋼桁梁的弦桿為例，進(jìn)行說明。把俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)活載CK作為設(shè)計(jì)要求的預(yù)留活載目標(biāo)，則中國規(guī)范的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù) nmax=，但這樣做，因?yàn)闆]有考慮兩國規(guī)范設(shè)計(jì)理論的差異，所以，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全度并不相同。

當(dāng)分別按兩國規(guī)范進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，有

式中，［σ］為按中國規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)鋼材的容許應(yīng)力，［σ］=Ryn/1.7;Ryn為鋼材的屈服強(qiáng)度;m為按俄羅斯規(guī)范計(jì)算時(shí)的工作條件系數(shù)，m=0.9;γf為活載分項(xiàng)系數(shù)，對于144 m 鋼桁梁弦桿，γf=1.121;Ry=Ryn/γm，γm為俄羅斯規(guī)范的材料抗力系數(shù)，γm=1.125。

假設(shè)按上述兩式計(jì)算得到有效截面相同，A中=A俄，變換后，則有

用同樣的方法考察縱、橫梁設(shè)計(jì)。

其中:

變換后，有

對于144 m鋼桁梁的縱梁，γf=1.26;為考慮截面內(nèi)塑性變形的有限增長系數(shù)，根據(jù)計(jì)算確定;其他參數(shù)取值同上。

3.3 同江橋簡支鋼桁梁主要桿件預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)計(jì)算情況

同江橋主橋中方通航孔采用了跨度144 m的下承式簡支鋼桁梁，主桁形式如圖4所示。

圖4 跨度144 m下承式簡支鋼桁梁主桁概圖(單位:mm)

對于該桁梁的上、下弦桿和縱、橫梁的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)進(jìn)行分析，分別按照橋梁檢定規(guī)范和上面推導(dǎo)出的公式(1)、(2)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，給出了滿足俄羅斯CK活載發(fā)展系數(shù)時(shí)的建議預(yù)留活載調(diào)整系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果如表1～表3所示。

表1 上弦桿預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)

表2 下弦桿預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)

表3 縱、橫梁預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)

從表1和表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，按中國規(guī)范設(shè)計(jì)的主桁弦桿預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)可以達(dá)到1.447，并不低于公式(1)的計(jì)算值;而從表3的計(jì)算結(jié)果看，考慮活載發(fā)展均衡系數(shù)時(shí)，縱梁與中間橫梁的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)僅為1.270，不僅低于主桁桿件的1.447，而且遠(yuǎn)低于按公式(2)的計(jì)算值1.567。一方面，說明縱橫梁設(shè)計(jì)的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)應(yīng)隨跨度調(diào)整;另一方面，也說明局部加載時(shí)，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)活載CK的軸重較中國規(guī)范預(yù)留活載影響偏大。

4 結(jié)論和建議

(1)按中國現(xiàn)行容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)規(guī)范對鋼桁梁橋進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)一般大于1.2，且隨跨度增大而增大，具有一定經(jīng)濟(jì)合理性。

(2)對于跨度144 m的簡支下承式鋼桁梁，分別按中、俄規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)，單從強(qiáng)度控制情況來看，主桁桿件具有大體相當(dāng)?shù)念A(yù)留活載儲(chǔ)備能力。

(3)為了使得按中國規(guī)范設(shè)計(jì)的鋼桁梁橋，能夠嚴(yán)格滿足俄羅斯規(guī)范技術(shù)要求，應(yīng)對“中－活載”的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)進(jìn)行考察，尤其對局部加載控制的桿件，如縱、橫梁等，應(yīng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

(4)隨著跨度的增大，采用較大的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)，在常規(guī)跨度梁和當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下是經(jīng)濟(jì)合理的方案;但隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，設(shè)計(jì)使用壽命期的延長，不同跨度鋼橋采用不同的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)，將難于很好地適應(yīng)大跨度橋梁建設(shè)和未來機(jī)車車輛的發(fā)展。建議綜合考慮我國橋梁建設(shè)情況和機(jī)車車輛發(fā)展情況進(jìn)行深入研究，對我國規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)活載圖示和預(yù)留活載發(fā)展規(guī)定進(jìn)一步完善。

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國際間的交流與合作越來越多，鐵路作為節(jié)能環(huán)保的交通方式，也得到世界各國的關(guān)注，國際鐵路項(xiàng)目逐漸增多，不同的列車活載和規(guī)范體系是經(jīng)常會(huì)遇到的問題。本文從中、俄列車活載對144 m簡支下承式鋼桁梁設(shè)計(jì)的影響出發(fā)，得出了強(qiáng)度控制時(shí)，主桁桿件兩國預(yù)留活載儲(chǔ)備能力大體相當(dāng)?shù)慕Y(jié)論;并建議對局部加載控制的桿件，如縱橫梁設(shè)計(jì)的預(yù)留活載發(fā)展系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，對同類橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目有一定參考和借鑒作用。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］鐵運(yùn)函［2004］120號(hào) 鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.

［4］前蘇聯(lián)國家建設(shè)委員會(huì)編.公路、鐵路、城市道路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范2.05.03—84［S］.畢旌揚(yáng)譯.北京:交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院，1991.

［5］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.鐵路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(荷載和抗力系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法)(試用)送審稿［S］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010.

［6］辛學(xué)忠，張玉玲，戴福忠，潘際炎.鐵路列車活載圖式［J］.中國鐵道科學(xué)，2006(3).

［7］戴福忠，陳雅蘭.重載鐵路橋梁設(shè)計(jì)列車標(biāo)準(zhǔn)活載的研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2004(8).

［8］周曉林.套軌線路在國際鐵路建設(shè)中的應(yīng)用［J］.鐵道勘察，2006(3).

［9］項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［10］鐵道專業(yè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(鋼橋)［M］.北京:中國鐵道出版杜，2003.