開(kāi)行27 t軸重列車對(duì)小跨度鋼筋混凝土橋的影響分析

劉吉元，蘇永華

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

開(kāi)行27 t軸重列車對(duì)小跨度鋼筋混凝土橋的影響分析

劉吉元，蘇永華

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

為充分挖掘既有鐵路的貨運(yùn)能力、提高運(yùn)輸效率，在既有線上開(kāi)行 27 t軸重貨車是我國(guó)貨運(yùn)發(fā)展的趨勢(shì)之一。本文在統(tǒng)計(jì)既有線橋梁組成、調(diào)研大軸重機(jī)車和貨車應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了大軸重列車對(duì)橋梁的作用特征，包括27 t軸重各型貨車作用下橋梁的受力情況、不同機(jī)車牽引條件下大軸重列車對(duì)橋梁受力的影響。通過(guò)分析明確了27 t軸重貨車對(duì)跨度16.0 m以下鋼筋混凝土橋梁的影響和對(duì)機(jī)車牽引條件的適應(yīng)性。

27 t軸重 小跨度 鋼筋混凝土橋 參數(shù)分析

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和高速鐵路建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，如何充分挖掘既有鐵路的貨運(yùn)能力、提高運(yùn)輸效率、緩解運(yùn)能與需求之間的矛盾成為我國(guó)既有鐵路發(fā)展面臨的問(wèn)題。我國(guó)2013年起實(shí)施的《鐵路主要技術(shù)政策》中規(guī)定了“客貨共線鐵路貨車軸重研究推廣25 t，研究發(fā)展27 t”，為既有鐵路貨運(yùn)發(fā)展確定了方向。

軸重27 t、載重80 t級(jí)通用貨車的投入使用，可以使單車載重量比既有貨車提高10～20 t，從而可以大幅度提高運(yùn)能。據(jù)測(cè)算，按全路每天通用貨車裝車10萬(wàn)輛計(jì)算，可年增運(yùn)力5.8億t，在貨運(yùn)總量不變的情況下，可少開(kāi)行近1/5的貨運(yùn)列車。

我國(guó)既有鐵路橋梁的建設(shè)年代跨越范圍大，設(shè)計(jì)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)類型多樣，不同橋梁的狀態(tài)差異較大。從實(shí)際情況來(lái)看，既有鐵路橋梁設(shè)備劣化率偏高，目前尚有部分橋梁不滿足運(yùn)營(yíng)要求。隨著列車軸重的增加，列車對(duì)橋梁的作用力增大，尤其是跨度16 m以下的鋼筋混凝土梁，受力性能是否滿足大軸重列車的運(yùn)營(yíng)要求存在不確定性，且既有線上鋼筋混凝土梁數(shù)量眾多，是提高軸重后確定加固改造范圍的重點(diǎn)所在。因此，開(kāi)行27 t軸重列車對(duì)小跨度鋼筋混凝土梁的影響需開(kāi)展深入分析。

1 既有鐵路橋梁狀況

截至 2012年底，全路標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路共有橋梁48 905座、1 263 804 m(延長(zhǎng)米)，其中90%以上的橋梁為混凝土橋。按孔數(shù)統(tǒng)計(jì)，全路共有混凝土橋193 830孔，其中預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋111 451孔，占總孔數(shù)的57.5%;框構(gòu)橋等其它類型結(jié)構(gòu)橋梁30 457孔，占總孔數(shù)的15.7%;鋼筋混凝土梁橋51 922孔，占總孔數(shù)的26.8%，其中跨度＜16.0 m的有33 361孔，占總孔數(shù)的17.2%［1］。

截至2012年底，既有鐵路年運(yùn)量超過(guò)5 000萬(wàn) t的干線客貨共線和貨運(yùn)專線鐵路(國(guó)鐵)共84條，橋梁172 479孔。按跨度統(tǒng)計(jì)，跨度16 m及以下的橋梁占全部橋梁的27.6%，見(jiàn)圖1(a);按結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計(jì)，鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁占全部橋梁的22.8%，見(jiàn)圖1(b)，是橋梁結(jié)構(gòu)中第2大組成部分。

圖1 84條干線鐵路橋梁統(tǒng)計(jì)

在設(shè)計(jì)活載方面，采用中—22活載圖式設(shè)計(jì)的橋梁占全部橋梁的21.2%，采用中—26級(jí)活載圖式設(shè)計(jì)的橋梁占全部橋梁的7.5%，其余主要采用中—活載圖式，部分建于解放前的橋梁采用的活載圖式比較雜亂。

按文獻(xiàn)［2］中規(guī)定的劣化等級(jí)，2003—2012年度全路橋梁劣化為 A級(jí)(AA，A1級(jí))的占全部橋梁的29% ～35%，橋梁結(jié)構(gòu)的劣化比率較高。

2 大軸重機(jī)車車輛現(xiàn)狀

隨著鐵路重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，我國(guó)鐵路機(jī)車裝備制造業(yè)整體水平提升較快。20世紀(jì)80年代，成功研制了DF8，DF8B內(nèi)燃機(jī)車和 SS4，SS4B，SS7等電力機(jī)車。2003年以來(lái)，鐵路線上陸續(xù)運(yùn)用了軸重25 t的HXD1，HXD2和HXD3型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車以及HXN3和HXN5型大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車。目前，我國(guó)機(jī)車制造廠已成功研制了6軸、8軸的27 t軸重大功率機(jī)車［3］。

截至2011年底，我國(guó)擁有貨車約80.6萬(wàn)輛，軸重主要為21 t級(jí)、23 t級(jí)和25 t級(jí)3種，代表車型分別為C64，C70，C80。目前，我國(guó)車輛裝備制造廠已研制生產(chǎn)了26輛27 t軸重、載重80 t級(jí)新型通用貨車(固定軸距1 860 mm)，見(jiàn)圖2，包括敞車、棚車、平車、罐車、漏斗車等鐵路貨車主要車型，車體長(zhǎng)度在 13.136 ～18.566 m，鄰軸距在2.140～3.340 m，其中6種主要車型的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1［4］。

圖2 27t軸重貨車參數(shù)

表1 27 t軸重貨車主要參數(shù)

為掌握新型列車在既有線上的運(yùn)行性能，以及大軸重列車作用下典型橋梁、軌道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，2013年鐵路總公司組織在京廣線古培塘—新開(kāi)鋪上行方向開(kāi)展了“既有線27 t軸重貨車(混編)適應(yīng)性試驗(yàn)”［5］。2014年6月開(kāi)始，先期在太原局管內(nèi)大秦、北同蒲等線路開(kāi)展了5 000輛27 t軸重 C80E貨車的運(yùn)用考核工作，2015年計(jì)劃在部分路局的部分線路開(kāi)展1 000輛27 t軸重油罐車的運(yùn)用考核工作。

3 開(kāi)行27 t軸重列車的影響分析

分析大軸重列車對(duì)小跨度橋梁的作用特征采用的主要參數(shù)如下:

1)機(jī)車。25 t軸重DF8B，25 t軸重HXN3，27 t軸重機(jī)車(軸距參考 HXN3)，27 t軸重機(jī)車(同機(jī)制造)，27 t軸重機(jī)車(株機(jī)制造)。

2)貨車。27 t軸重 C80E敞車、NX80平車、P80棚車、GQ80罐車、KZ80石砟漏斗車、KM80煤炭漏斗車，并考慮不同軸重、型號(hào)機(jī)車牽引條件，同時(shí)計(jì)算了25 t軸重C80貨車作為對(duì)比。

3)從現(xiàn)行鐵路橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨度系列和既有橋梁的實(shí)際跨度(孔徑)方面考慮，橋梁計(jì)算跨度或影響線加載長(zhǎng)度取0.5，1.0，1.5，2.0，2.4，2.5，3.0，3.4，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.7，7.0，8.0，9.0，10.0，12.0，14.0和16.0 m，共計(jì)22種跨度，根據(jù)既有鐵路橋梁的實(shí)際跨度和常用荷載計(jì)算加載長(zhǎng)度。

4)設(shè)計(jì)活載。中—活載(靜活載)，活載圖式見(jiàn)文獻(xiàn)［6］。

3.1 27 t軸重貨車作用

在25 t軸重C80和27 t軸重 C80E等6種貨車作用下，對(duì)跨度或影響線加載長(zhǎng)度在16 m范圍內(nèi)橋梁的靜活載效應(yīng)進(jìn)行了分析，見(jiàn)圖3。圖中橫坐標(biāo)表示橋梁計(jì)算跨度或影響線加載長(zhǎng)度，豎坐標(biāo)表示計(jì)算列車編組與設(shè)計(jì)活載(中—活載)作用下靜活載效應(yīng)比值，該值＞1表示計(jì)算列車編組靜活載效應(yīng)大于設(shè)計(jì)活載，＜1表示計(jì)算列車靜活載效應(yīng)小于設(shè)計(jì)活載。

計(jì)算結(jié)果表明:

1)跨度在3.0 m及以下，結(jié)構(gòu)受力主要受貨車軸重控制，25 t軸重 C80貨車效應(yīng)與設(shè)計(jì)活載一致;27 t軸重貨車效應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)活載。

2)跨度在3.0 m以上、5.0 m及以下，結(jié)構(gòu)受力主要受貨車軸重和轉(zhuǎn)向架固定軸距控制，25 t軸重C80貨車效應(yīng)與設(shè)計(jì)活載相比有5%～10%的儲(chǔ)備;27 t軸重貨車效應(yīng)大于25 t軸重C80貨車，且接近甚至達(dá)到設(shè)計(jì)活載。

圖3 C80及軸重27 t貨車與設(shè)計(jì)活載的靜效應(yīng)比值

3)跨度在5.5 m及以上、16.0 m及以下，結(jié)構(gòu)受力主要受貨車軸重、轉(zhuǎn)向架固定軸距和鄰軸距控制，25 t軸重C80貨車效應(yīng)與設(shè)計(jì)活載相比有5% ～15%的儲(chǔ)備;C80E，NX80，P80三種27 t軸重貨車效應(yīng)均小于25 t軸重C80貨車，與設(shè)計(jì)活載相比有10% ～15%的儲(chǔ)備; GQ80，KZ80，KM80三種27 t軸重貨車效應(yīng)大于 25 t軸重C80貨車，且接近甚至達(dá)到設(shè)計(jì)活載。

3.2 25 t軸重機(jī)車牽引27 t軸重貨車作用

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，選擇6種貨車中荷載效應(yīng)相對(duì)較大的C80E，KM80貨車做為代表貨車車型;結(jié)合既有大軸重機(jī)車運(yùn)營(yíng)情況，選擇25 t軸重6軸DF8B內(nèi)燃機(jī)車、6軸HXN3內(nèi)燃機(jī)車、8軸 HXD2電力機(jī)車作為代表機(jī)車車型。通過(guò)將不同型號(hào)的機(jī)車和貨車進(jìn)行編組組合，對(duì)25 t軸重機(jī)車牽引27 t軸重貨車條件下橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 25 t軸重機(jī)車牽引C80E貨車與設(shè)計(jì)活載的靜效應(yīng)比值

圖5 25 t軸重機(jī)車牽引KM80貨車與設(shè)計(jì)活載的靜效應(yīng)比值

計(jì)算結(jié)果表明:

1)27 t軸重 C80E貨車，在 25 t軸重 6軸機(jī)車(DF8B，HXN3)牽引條件下，由于機(jī)車軸載集度比貨車前后車相鄰轉(zhuǎn)向架的軸載集度大，對(duì)于跨度在5.0 m以上、16.0 m以下的橋梁受力有一定影響，機(jī)車 +貨車作用下的荷載效應(yīng)比貨車大3%左右，其余跨度結(jié)構(gòu)受力不受機(jī)車控制，主要由貨車控制;在25 t軸重8軸機(jī)車(HXD2)牽引條件下，機(jī)車軸載集度小于貨車前后車相鄰轉(zhuǎn)向架的軸載集度，機(jī)車+貨車作用下的荷載效應(yīng)與貨車基本一致，結(jié)構(gòu)受力不受機(jī)車控制，主要由貨車控制。

2)27 t軸重KM80貨車，前后車相鄰轉(zhuǎn)向架的軸載集度大于25 t軸重6軸機(jī)車(DF8B，HXN3)和8軸機(jī)車(HXD2)，對(duì)于跨度在5.0 m以上、16.0 m以下的橋梁，由于機(jī)車軸載比較集中，機(jī)車+貨車作用下的荷載效應(yīng)比貨車大3%左右，其余跨度結(jié)構(gòu)受力不受機(jī)車控制;在25 t軸重8軸機(jī)車牽引條件下，機(jī)車+貨車作用下的荷載效應(yīng)與貨車基本一致，結(jié)構(gòu)受力不受機(jī)車控制，主要由貨車控制。

3.3 27 t軸重機(jī)車牽引27 t軸重貨車作用

考慮到重載運(yùn)輸條件下機(jī)車牽引力和功率要求、大軸重貨車與機(jī)車軸重的匹配性等因素，既有鐵路存在運(yùn)行27 t軸重機(jī)車的可能性，因此對(duì)27 t軸重機(jī)車牽引27 t軸重貨車條件下橋梁受力情況進(jìn)行了分析。

機(jī)車方面，選擇3種27 t軸重機(jī)車做為代表車型，分別為27 t軸重6軸機(jī)車(軸距參考HXN3，簡(jiǎn)稱HXN3機(jī)車)和27 t軸重8軸機(jī)車(大同、株洲機(jī)車車輛有限公司制造，簡(jiǎn)稱同機(jī)機(jī)車、株機(jī)機(jī)車);貨車方面，選擇27 t軸重C80E，KM80貨車做為貨車代表車型。通過(guò)將不同型號(hào)的機(jī)車和貨車進(jìn)行編組組合，對(duì)27 t軸重機(jī)車牽引27 t軸重貨車條件下橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 27 t軸重機(jī)車牽引C80E貨車與設(shè)計(jì)活載的靜效應(yīng)比值

圖7 27 t軸重機(jī)車牽引KM80貨車與設(shè)計(jì)活載的靜效應(yīng)比值

計(jì)算結(jié)果表明:

1)27 t軸重C80E，KM80貨車在27 t軸重6軸機(jī)車牽引條件下，由于機(jī)車軸載集度比貨車大，對(duì)于跨度在3.0 m以上、跨度16.0 m及以下的橋梁，機(jī)車 +貨車作用下的荷載效應(yīng)大于貨車，且接近設(shè)計(jì)活載效應(yīng)，其余跨度結(jié)構(gòu)受力不受機(jī)車控制，主要由貨車控制。

2)27 t軸重C80E，KM80貨車在27 t軸重8軸機(jī)車牽引條件下，機(jī)車+貨車作用下的荷載效應(yīng)與貨車基本一致，結(jié)構(gòu)受力主要由貨車控制。

3)在27 t軸重6軸機(jī)車牽引27 t軸重貨車條件下，對(duì)于部分跨度的橋梁，機(jī)車+貨車作用下的荷載效應(yīng)大于貨車，且接近設(shè)計(jì)活載效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利;在27 t軸重8軸機(jī)車牽引27 t軸重貨車條件下，機(jī)車+貨車作用下的荷載效應(yīng)與貨車基本一致。因此，既有線開(kāi)行27 t軸重貨車時(shí)，具備27 t軸重8軸貨車牽引條件，但應(yīng)避免27 t軸重6軸貨車牽引，以免對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響。

4 結(jié)論

1)27 t軸重通用貨車對(duì)橋梁的作用特征:跨度在3.0 m及以下橋梁受力主要受貨車軸重控制，跨度在3.0 m以上、5.0 m及以下橋梁受力主要受貨車軸重和轉(zhuǎn)向架固定軸距控制，跨度在5.5 m及以上、16.0 m及以下橋梁受力主要受貨車軸重、轉(zhuǎn)向架固定軸距和鄰軸距控制。

2)27 t軸重通用貨車對(duì)于機(jī)車牽引條件的適應(yīng)性:既有鐵路開(kāi)行27 t軸重通用貨車時(shí)，具備25 t軸重6軸、8軸機(jī)車和27 t軸重8軸機(jī)車牽引條件，但應(yīng)限制27 t軸重6軸機(jī)車牽引，以免對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響，增加橋梁加固改造工作量。

［1］胡所亭.鐵路重載運(yùn)輸條件下橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)研究［D］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2013.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 2820.5—1999 鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 混凝土梁［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1999.

［3］胡所亭，牛斌，柯在田.我國(guó)既有鐵路橋涵對(duì)開(kāi)行大功率機(jī)車適應(yīng)性分析［J］.鐵道建筑，2013(2):1-4.

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

［5］王新銳，柯在田.既有線開(kāi)行大軸重列車關(guān)鍵技術(shù)研究——既有線27 t軸重貨車(混編)適應(yīng)性試驗(yàn)報(bào)告［R］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2014.

［6］中華人民共和國(guó)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(guó)鐵道出版社，2005.

Analysis on influence of freight train with 27 t axle load on reinforced concrete small span bridge

LIU Jiyuan，SU Yonghua
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T ruck with 27 t axle load will be operated on the existing railways to improve freight transport capacity and efficiency in our country.Statistics of the composition of existing bridges were conducted in this paper.Also，the current state of the locomotives and trucks with large axle load were investigated.On this basis，the effect of the action characteristics of bridges under large axle train were analyzed，including the stress condition of the bridges under different types of truck with 27 t axle load and locomotive traction.T hrough the analysis of the performance of reinforced concrete bridges with span less than 16.0 m，the suitability of bridges to locomotive traction was assessed.

27 t axle load;Small span;Reinforced concrete bridge;Parametric analysis

U448.34

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.02

(責(zé)任審編 鄭 冰)

2015-07-01;

:2015-09-28

中國(guó)鐵路總公司科技研發(fā)項(xiàng)目(J2014G010);中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2014YJ029)

劉吉元(1983— )，男，助理研究員，碩士。

1003-1995(2015)11-0006-05