27 t軸重貨車車—橋耦合響應(yīng)分析*

田光榮，高芒芒，王新銳

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081）

專題研究

27 t軸重貨車車—橋耦合響應(yīng)分析*

田光榮1，高芒芒2，王新銳1

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081）

利用車—橋耦合計(jì)算模型，從靜力和動(dòng)力兩個(gè)方面分析了27 t軸重貨車在既有線運(yùn)行時(shí)車輛和橋梁的耦合響應(yīng)特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明27 t軸重貨車具有較好的動(dòng)力學(xué)性能；在充分考慮車輛運(yùn)行狀態(tài)和橋梁安全儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，需對(duì)既有橋梁，特別是小跨度橋梁等設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行必要的評(píng)估和監(jiān)測，以確保27 t軸重貨車開行的安全性。

車—橋耦合；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；評(píng)估；安全

在重載運(yùn)輸快速發(fā)展的歷程和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)中，通過增加貨車軸重來提高運(yùn)輸效率被公認(rèn)為是最重要的措施之一。目前以美國、加拿大、澳大利亞、南非為代表的重載發(fā)達(dá)國家的軸重基本上是30 t以上，最大達(dá)到40 t左右。目前，我國通用貨車中23 t軸重占主導(dǎo)地位，在諸如大秦線等運(yùn)煤專線上25 t軸重敞車也得到了廣泛的運(yùn)用。要大力發(fā)展重載運(yùn)輸，使我國達(dá)到重載運(yùn)輸發(fā)達(dá)國家的水平，研制和推廣運(yùn)用27 t及以上軸重貨車就顯得極為必要［1］。

目前，相比于大規(guī)模新建專用線等措施，在既有線開行27 t軸重貨車的可行性和經(jīng)濟(jì)性更佳。與既有70 t級(jí)通用貨車和25 t軸重運(yùn)煤專用敞車相比，27 t軸重通用重載貨車的軸重分別增加了17.4%和8.0%，增加的輪軌力通過輪軌相互作用傳遞給鋼軌、路基和橋梁等線下基礎(chǔ)設(shè)施，文獻(xiàn)［2］就探討了軸重增加到25 t的過程中對(duì)鐵路軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)采取的加強(qiáng)與維修措施。因此，在研究和發(fā)展27 t軸重貨車的同時(shí)，不可忽視的重要問題就是軸重提高之后對(duì)既有線路基礎(chǔ)設(shè)施的影響。因此，本文擬從車—橋耦合系統(tǒng)的角度出發(fā)，運(yùn)用數(shù)值仿真計(jì)算方法關(guān)注27 t軸重貨車動(dòng)力學(xué)性能和橋梁動(dòng)力響應(yīng)隨軸重的變化規(guī)律，評(píng)估不同軸重（不同每延米重）及不同橋梁類型等條件下，既有線路和橋梁對(duì)27 t軸重貨車的適應(yīng)性，分析二者耦合條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律。

1 橋梁靜力分析

表1和表2分別給出了25 t軸重C80運(yùn)煤專用敞車和27 t軸重貨車活載與中—活載標(biāo)準(zhǔn)的比較結(jié)果。

根據(jù)25 t、27 t軸重貨車活載作用下的靜力效應(yīng)與中—活載比較的結(jié)果，可知開行21 t軸重貨車，在跨度200 m以內(nèi)橋梁產(chǎn)生的荷載效應(yīng)平均為中—活載的0.71；開行25 t軸重貨車，在跨度200 m以內(nèi)橋梁產(chǎn)生的荷載效應(yīng)平均將達(dá)到中—活載的0.82；開行27 t軸重貨車，在跨度200 m以內(nèi)橋梁產(chǎn)生的荷載效應(yīng)平均將達(dá)到中—活載的0.92，橋梁強(qiáng)度發(fā)展儲(chǔ)備平均僅為8%，對(duì)小跨度橋梁而言，甚至超出了設(shè)計(jì)活載。這個(gè)結(jié)論與車—橋振動(dòng)分析的相關(guān)研究結(jié)論在一定程度上比較一致［3-6］，而且既有線的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)也證明了小跨度橋梁的活載儲(chǔ)備量較其他跨度低，在實(shí)際運(yùn)輸過程中需進(jìn)行監(jiān)測和加固。

因此，在既有線開行27 t軸重貨車，需對(duì)既有橋梁，特別是小跨度橋梁的適應(yīng)性進(jìn)行深入分析，進(jìn)行全面監(jiān)測或者加固等，以確保運(yùn)輸安全性。

2 車—橋耦合計(jì)算模型

對(duì)于車—橋耦合系統(tǒng)，主要由列車系統(tǒng)和橋梁系統(tǒng)構(gòu)成，形成了列車—鋼軌—橋梁耦合系統(tǒng)，在計(jì)算過程中從求解和關(guān)注對(duì)象角度出發(fā)，簡化了輪軌接觸關(guān)系。

列車模型是由機(jī)車和車輛組成，每節(jié)機(jī)車（車輛）都是由車體、轉(zhuǎn)向架以及彈簧、減振器等組成的多自由度空間振動(dòng)系統(tǒng)（質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)）。

我國既有鐵路常用跨度橋梁一般采用鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土雙片式T梁結(jié)構(gòu)，其中絕大部分橋梁跨度為24 m和32 m，以及8 m小跨度梁，故采用有限元軟件針對(duì)類似于這3種典型跨度的橋梁，分別建立有限元模型，然后利用車橋耦合計(jì)算程序建立如圖1所示的車—橋耦合計(jì)算模型。

全橋模型Ⅰ：預(yù)應(yīng)力混凝土低高度T梁，跨度20.6 m，梁高1.35 m，墩高7.6 m；

全橋模型Ⅱ：預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，跨度32.6 m，梁高2.5 m，墩高22 m；

全橋模型Ⅲ：鋼筋混凝土低高度板，跨度8.5 m，梁高0.55 m，墩高4.6 m。

3 車—橋耦合動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算分析

3.1 軸重及每延米重的影響

國外重載運(yùn)輸發(fā)達(dá)國家的貨車每延米重能達(dá)到或超過10 t/m，我國新的2005活載標(biāo)準(zhǔn)將每延米重由8 t/m（1975年的中－活載規(guī)定）提高到了8.67 t/m，增加了8.4%，機(jī)車軸重由22 t提高到25.51 t，提高了16%，特種載荷軸重由25 t提高到28.57 t，提高了14.3%。貨物列車對(duì)橋梁的影響主要體現(xiàn)在軸重（每延米重）方面，有研究認(rèn)為：軸重的提高主要對(duì)小跨度橋梁影響較大，每延米重的提高主要對(duì)中等跨度以上橋梁影響較大［2-6］。因此，通過數(shù)值計(jì)算分析27 t軸重貨車在裝載不同軸重狀態(tài)時(shí)（23，25 t和27 t）通過上述3種結(jié)構(gòu)形式橋梁（涵蓋小跨度和中等跨度以上橋梁）時(shí)的車—橋耦合的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，其中橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖2～圖4所示，車輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)如圖5～圖7所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知：

（1）車輛系統(tǒng)：對(duì)于車輛系統(tǒng)本身而言，由于計(jì)算中簡化了輪軌接觸關(guān)系，因此動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律不甚明顯，但有一點(diǎn)可以說明的是軸重由23 t依次增大到25 t、27 t，在100 km/h及以下速度范圍內(nèi)三者差別有限，當(dāng)速度高于100 km/h時(shí)，軸重越大，輪軸橫向力越大，但脫軌系數(shù)并未隨軸重增大有增大的趨勢，說明27 t軸重貨車轉(zhuǎn)向架在裝載27 t軸重時(shí)表現(xiàn)出不錯(cuò)的低動(dòng)力性能；

（2）橋梁方面：總體而言，跨中垂向動(dòng)撓度隨軸重增大而增大，棚車要低于敞車，跨度由20.6 m增加到32 m，跨中垂向和橫向動(dòng)撓度均增大約60%，而跨度由32 m減小到8 m時(shí)，跨中垂向動(dòng)撓度降低為原來的1/5左右，橫向動(dòng)撓度略有降低，但是對(duì)應(yīng)橋梁模型III而言，在27 t軸重時(shí)敞車和棚車的垂向動(dòng)撓度要略小于25 t軸重的情況，也就是說橋梁的結(jié)構(gòu)形式對(duì)車橋響應(yīng)也有一定的影響；就跨中垂向加速度而言，小跨度（8 m）橋梁明顯要小于20 m和32 m跨度的橋梁，橫向加速度變化不大；對(duì)于同類型車輛，當(dāng)軸重增大之后，橋梁垂向動(dòng)力響應(yīng)的反映最為明顯。因此，每延米重的增大反映在橋梁上最直接的就是跨中垂向動(dòng)撓度的增大；敞車引起的橋梁垂向振動(dòng)加速度大于棚車，棚車引起的橋梁橫向振動(dòng)加速度大于敞車，但所有工況下均小于安全限值。此外，可以看出橋梁的橫向振動(dòng)對(duì)車輛長度較為敏感。

3.2 橋梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果分析

本文的主旨是分析27 t軸重貨車在既有線運(yùn)行的適應(yīng)性問題，因此，線下基礎(chǔ)，特別是橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)就尤為重要。下面以27 t敞車通過時(shí)橋梁跨中動(dòng)撓度為例來分析橋梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，圖8為跨度與跨中動(dòng)撓度的關(guān)系曲線。

由圖8可見跨中動(dòng)撓度隨跨度增大而呈現(xiàn)增大趨勢，但并非為線性關(guān)系，其中32 m跨度橋梁在27 t軸重貨車通過時(shí)的跨中動(dòng)撓度明顯大于其以下跨度橋梁，跨度16～24 m簡支梁的動(dòng)撓度相當(dāng)，8 m簡支梁的跨中動(dòng)撓度明顯小于另外幾個(gè)計(jì)算跨度的對(duì)應(yīng)值。

此外，以橋梁模型II在27 t敞車、美國六級(jí)譜條件下運(yùn)行的動(dòng)力響應(yīng)為例，圖9為車速與跨中動(dòng)撓度的關(guān)系曲線。由圖9可見跨中撓度隨車速增加變化不大，可認(rèn)為無共振發(fā)生。

3.3 列車鄰軸距的影響

針對(duì)鄰軸距對(duì)車—橋響應(yīng)的靜力分析，有研究表明［3］：車輛鄰軸距主要影響6～20 m范圍的橋梁受力，對(duì)跨度20 m以上的橋梁結(jié)構(gòu)影響相應(yīng)降低。本文擬從動(dòng)力角度分析鄰軸距對(duì)車—橋耦合系統(tǒng)響應(yīng)特性。

由圖10的小跨度橋梁（跨度8 m）動(dòng)力響應(yīng)可以看出，在車輛軸距、定距不變的情況下，鄰軸距增加對(duì)小跨度橋的影響較為顯著，主要體現(xiàn)在跨中動(dòng)撓度隨鄰軸距增加而減小，但鄰軸距的改變盡管對(duì)橋梁的橫向動(dòng)力響應(yīng)和橋梁的振動(dòng)加速度有影響，但無顯著規(guī)律。此外，還對(duì)32 m跨度的簡支梁橋進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的計(jì)算，結(jié)果表明鄰軸距的改變對(duì)橋梁的各項(xiàng)動(dòng)力指標(biāo)均無顯著影響，故不再贅述。

此外，根據(jù)車輛動(dòng)力響應(yīng)可知：與橋梁的情況類似，鄰軸距的改變?cè)诳缍? m的情況下對(duì)車輛動(dòng)力響應(yīng)的影響大于32 m的情況，且對(duì)車輛垂向動(dòng)力響應(yīng)的影響大于對(duì)橫向的影響，但在軌道狀態(tài)、橋梁參數(shù)等因素的綜合影響下，難以總結(jié)出明顯規(guī)律。

4 結(jié) 論

利用車—橋耦合模型計(jì)算分析了27 t軸重貨車在不同軸重和每延米重條件下在既有線運(yùn)行時(shí)的車—橋耦合相關(guān)問題研究，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：

（1）27 t軸重貨車軸重由23 t變化到27 t，動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)有增大趨勢，但未出現(xiàn)線性趨勢，每種軸重條件下，隨速度增大，動(dòng)力學(xué)指標(biāo)有增大趨勢，27 t軸重貨車在降低動(dòng)作用力（動(dòng)載荷）方面表現(xiàn)出較好的優(yōu)勢。

（2）既有線小跨度橋梁對(duì)27 t軸重貨車的適應(yīng)性要差于中等以上跨度橋梁，小跨度（8 m）橋梁的跨中垂向加速度明顯小于其他跨度橋梁；此外，橋梁的橫向振動(dòng)對(duì)車輛長度較為敏感。

（3）鄰軸距增加對(duì)小跨度橋的動(dòng)態(tài)影響較為顯著，而且在小跨度情況下，鄰軸距的改變對(duì)車輛垂向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響要大于其對(duì)橫向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響。

綜上可知，既有線開行27 t軸重貨車是一個(gè)復(fù)雜的綜合問題，與車輛和線路、橋梁等密切相關(guān)，為確保運(yùn)行安全性，考慮到既有橋梁對(duì)于27 t軸重貨車運(yùn)行的安全儲(chǔ)備量，建議在保證車輛性能的基礎(chǔ)上還需對(duì)線、橋等設(shè)備進(jìn)行調(diào)研和監(jiān)測，適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行必要的加固。

［1］ 耿志修.大秦鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］ 江成.貨車軸重的增加對(duì)鐵道線路的影響［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，1997，（3）：165-172.

［3］ 胡所亭，牛斌，柯在田.我國既有鐵路橋涵對(duì)大軸重貨車開行適應(yīng)性分析［J］.鐵道建筑，2013，（3）：1-4，24.

［4］ 戴慧敏.適用于新活載標(biāo)準(zhǔn)的鐵路橋梁設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)［D］.長沙：中南大學(xué)，2011.

［5］ 李奇，吳定俊，李俊.混編貨車通過中小跨度橋梁時(shí)車橋振動(dòng)分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（2）：171-175.

［6］ 蘇木標(biāo).不同車輛模型對(duì)車—橋系統(tǒng)動(dòng)力分析的影響［J］.振動(dòng)與沖擊，1991，（1－2）：89-98.

Responses Analysis of Vehicle-Bridge System with 27 t Wagon

TIAN Guangrong1，GAO Mangmang2，WANG Xinrui1
（1 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Railway Science＆Technology Research＆Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The vehicle-bridge coupling response characteristic of the wagon with 27 t axle load running on the existing railway lines was analyzed from two aspects of static and dynamic.The results show that the wagon with 27 t axle load has good dynamics performance；the condition of bridge must be evaluated and monitored based on the running estate of train and safety reserve of bridge in order to ensure the best safety，especially for the small span bridge.

vehicle-bridge coupling；dynamic response；evaluate；safety

U272

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.03

1008－7842（2014）06－0013－05

*鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2012J008－A）

2—）男，助理研究員（

2014－05－28）