超大跨度鐵路橋梁列車加載長(zhǎng)度研究

李桂林

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063)

超大跨度鐵路橋梁列車加載長(zhǎng)度研究

李桂林

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063)

加載長(zhǎng)度對(duì)千米級(jí)超大跨度橋梁截面尺寸及造價(jià)投資起重要作用，需對(duì)主跨或主橋聯(lián)長(zhǎng)大于1 km以上的橋梁列車加載長(zhǎng)度分析。通過(guò)研究，擬找到中-活載及ZK荷載等不同荷載形式下超大跨度橋梁荷載合理加載模式。研究結(jié)論：城際鐵路及客運(yùn)專線可按照450 m加載長(zhǎng)度加載，普通客貨共線鐵路及貨運(yùn)專線加載長(zhǎng)度根據(jù)本線的貨車編組情況，可按所設(shè)計(jì)到發(fā)線有效長(zhǎng)度作為超大跨度橋梁加載長(zhǎng)度；對(duì)于主橋聯(lián)長(zhǎng)小于3 km的橋梁，全橋范圍內(nèi)可僅采用1個(gè)加載長(zhǎng)度加載。

鐵路橋梁；加載長(zhǎng)度；超大跨度；客運(yùn)專線鐵路；客貨共線鐵路

近年來(lái)隨著橋梁設(shè)計(jì)、建造技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路橋梁跨度不斷突破，很多過(guò)江通道在研究超大跨度橋梁。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)小跨度橋梁來(lái)說(shuō)，無(wú)限長(zhǎng)的加載長(zhǎng)度對(duì)橋梁設(shè)計(jì)沒(méi)有影響，但對(duì)于主跨或主橋聯(lián)長(zhǎng)大于1 km以上的橋梁，采用無(wú)限長(zhǎng)的加載長(zhǎng)度，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，且與實(shí)際不符，造成橋梁設(shè)計(jì)尺寸的巨大浪費(fèi)。《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)[1]及《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2009)[2]中對(duì)中-活載及ZK活載荷載模式均為無(wú)限長(zhǎng)的加載長(zhǎng)度，規(guī)范中對(duì)超大跨度橋梁的加載長(zhǎng)度亦沒(méi)有明確規(guī)定，若按照規(guī)范規(guī)定采用無(wú)限長(zhǎng)加載長(zhǎng)度，將人為增加橋梁結(jié)構(gòu)尺寸，這對(duì)超大跨度橋梁來(lái)說(shuō)，是個(gè)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在設(shè)計(jì)超大跨度橋梁時(shí)，需要對(duì)鐵路加載長(zhǎng)度進(jìn)行研究，選用合適的加載長(zhǎng)度。

1 目前規(guī)范規(guī)定荷載形式

《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》[1]對(duì)中-活載荷載模式進(jìn)行了設(shè)定，《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]對(duì)ZK活載進(jìn)行了規(guī)定，同時(shí)，2005年報(bào)批荷載模式中，有ZH活載模式，同時(shí)有城際鐵路ZC荷載模式，各荷載模式匯總?cè)绫?所示[3-4]。

從以上荷載模式可知，目前采用荷載模式均采用幾個(gè)集中荷載代表車頭，其余為無(wú)限長(zhǎng)的均布荷載模式。規(guī)范規(guī)定在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行影響線加載時(shí)，可以按最不利加載位置任意截取加載長(zhǎng)度進(jìn)行加載。

表1 鐵路荷載圖示匯總

2 荷載加載長(zhǎng)度影響分析

從影響列車加載長(zhǎng)度的因素分析，確定以下3個(gè)方面因素，即可確定超大跨度橋梁實(shí)際的加載模式。

2.1 目前實(shí)際最長(zhǎng)列車開(kāi)行長(zhǎng)度

2.1.1 城際鐵路及客運(yùn)專線開(kāi)行長(zhǎng)度

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，旅客站臺(tái)長(zhǎng)度應(yīng)按照450 m設(shè)置，只停留8輛編組動(dòng)車組的車站站臺(tái)長(zhǎng)度按230 m設(shè)置，困難條件下不應(yīng)小于220 m。其長(zhǎng)度確定主要根據(jù)目前客車編組數(shù)16節(jié)車廂來(lái)確定。目前動(dòng)車組分為CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH6共5種類型[5-7]。各類型動(dòng)車組編組長(zhǎng)度如表2所示。

表2 動(dòng)車編組長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)

從表2可知，8輛編組時(shí)列車總長(zhǎng)度最長(zhǎng)的車型為CRH1型，列車總長(zhǎng)度為213.5m，其中旅客列車最大編組輛數(shù)為16 m，列車總長(zhǎng)度為2×213.5 m=427 m，取430 m，另每側(cè)考慮10 m的停車余量，站臺(tái)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為450 m。城際鐵路及客運(yùn)專線站臺(tái)長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

從以上分析，目前實(shí)際的最長(zhǎng)列車編組長(zhǎng)度為430 m，站臺(tái)設(shè)置時(shí)按照450 m。由于列車編組長(zhǎng)度與車站站臺(tái)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度之間僅相差兩側(cè)10 m的停車余量，為方便起見(jiàn)，列車加載長(zhǎng)度可按照車站站臺(tái)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)取值。

表3 城際鐵路及客運(yùn)專線站臺(tái)長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)

2.1.2 普通客車開(kāi)行長(zhǎng)度

普通客車開(kāi)行長(zhǎng)度主要由機(jī)車的牽引力、線路縱坡限制、客流的集結(jié)時(shí)間及客流量、車站站臺(tái)長(zhǎng)度等因素控制。其中車站站臺(tái)長(zhǎng)度為客車開(kāi)行長(zhǎng)度的控制因素，考慮到客流上下行方便，客車開(kāi)行長(zhǎng)度不能大于目前國(guó)內(nèi)車站站臺(tái)的長(zhǎng)度[8-9]。

綜合考慮以上因素，目前規(guī)定長(zhǎng)途客車不超過(guò)18節(jié)車廂，運(yùn)輸高峰期極限不能超過(guò)20節(jié)[10]。因此目前客車最大長(zhǎng)度見(jiàn)表4。

表4 客車長(zhǎng)度計(jì)算

對(duì)目前普通鐵路車站站臺(tái)長(zhǎng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表5所示。

表5 客車車站站臺(tái)長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì) m

2.1.3 貨車長(zhǎng)度(貨運(yùn)列車的編組長(zhǎng)度)

影響貨車編組長(zhǎng)度的因素主要為車站到發(fā)線的長(zhǎng)度。列車的長(zhǎng)度不能超過(guò)車站到發(fā)線長(zhǎng)度，否則在車站待避時(shí)，就會(huì)與其他通過(guò)的列車產(chǎn)生碰撞。

從目前到發(fā)線有效長(zhǎng)度分析，根據(jù)不同機(jī)車牽引噸位，其到發(fā)線長(zhǎng)度匯總?cè)绫?所示。

表6 到發(fā)線有效長(zhǎng)度

站場(chǎng)專業(yè)進(jìn)行列車編組時(shí)，按照到發(fā)線有效長(zhǎng)度來(lái)控制貨車編組長(zhǎng)度。目前建成、在建及正在設(shè)計(jì)的車站到發(fā)線長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。由于線路跨越長(zhǎng)度較大，在不同區(qū)域根據(jù)車站運(yùn)能運(yùn)量不同，車站到發(fā)線長(zhǎng)度不完全一致，表中僅列出線路范圍內(nèi)車站最長(zhǎng)及最短到發(fā)線長(zhǎng)度。

表7 車站到發(fā)線長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì) m

由于鐵路貨運(yùn)量中有很大部分需經(jīng)過(guò)幾次中轉(zhuǎn)才能到達(dá)目的地，相鄰線路到發(fā)線有效長(zhǎng)度不一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生列車的重?fù)Q作業(yè)，增加列車在中轉(zhuǎn)站的作業(yè)和停留時(shí)間。目前我國(guó)東北、華北、中南、華東的幾條主要長(zhǎng)大鐵路，基本形成牽引質(zhì)量為4 000～5 000 t、有效長(zhǎng)為850 m、1050 m的系統(tǒng)。貨運(yùn)專線根據(jù)本線實(shí)際運(yùn)能確定。

2.2 預(yù)測(cè)未來(lái)最長(zhǎng)列車開(kāi)行長(zhǎng)度

從影響列車開(kāi)行長(zhǎng)度的影響因素分析，客車開(kāi)行長(zhǎng)度主要是受車站站臺(tái)長(zhǎng)度控制，貨車編組長(zhǎng)度主要受車站到發(fā)線有效長(zhǎng)度控制，車站建成以后，對(duì)應(yīng)的客車及貨車的最大開(kāi)行長(zhǎng)度基本確定，增加編組長(zhǎng)度的可能性甚微。故未來(lái)的最長(zhǎng)列車開(kāi)行長(zhǎng)度可與目前設(shè)計(jì)的列車開(kāi)行長(zhǎng)度保持一致。

2.3 兩列車的開(kāi)行時(shí)間間隔

采用有限長(zhǎng)的荷載加載長(zhǎng)度時(shí)，需要考慮兩個(gè)荷載加載長(zhǎng)度的長(zhǎng)度間隔。這主要考慮兩列車之間開(kāi)行時(shí)的間距，需要分析兩列車之間的時(shí)間及空間間隔，以確定影響線之間的加載間隔長(zhǎng)度。

目前動(dòng)車有CTCS-2級(jí)、CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)，最小追蹤間隔為3 min，追蹤距離為4.5 km以上。

同一個(gè)閉塞分區(qū)內(nèi)不能同時(shí)運(yùn)行兩列車，列車之間一般間隔2～3個(gè)閉塞分區(qū)，一個(gè)閉塞分區(qū)長(zhǎng)度在2～3 km，因此在該范圍內(nèi)不會(huì)有第二列車存在。

3 加載長(zhǎng)度對(duì)大跨度橋梁影響

對(duì)于跨度或聯(lián)長(zhǎng)小于加載長(zhǎng)度的橋梁，采用無(wú)限長(zhǎng)的加載長(zhǎng)度模式對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)影響。以下對(duì)跨度或聯(lián)長(zhǎng)大于加載長(zhǎng)度的橋梁舉例分析。

以某過(guò)江通道(60+2×1260+60) m三塔四跨公鐵兩用懸索橋設(shè)計(jì)方案為例，分析加載長(zhǎng)度對(duì)超大跨度橋梁的影響。

3.1 結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

(1)高速公路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年；

道路等級(jí)：高速公路；

設(shè)計(jì)行車速度：100 km/h；

主線設(shè)計(jì)車道：雙向6車道+2個(gè)慢車道；

設(shè)計(jì)洪水頻率：300年一遇；

設(shè)計(jì)汽車荷載：公路-Ⅰ級(jí)。

(2)4線鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年；

正線數(shù)目：4線；

正線線間距：4.6 m；

設(shè)計(jì)荷載：北沿江鐵路采用中-活載，巢馬城際采用ZK活載。

(3)結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

主纜跨度：(365+1 260+1 260+365) m=3 250 m；

主梁跨度：(60+1 260+1 260+60) m=2 640 m；

矢跨比：1/11；

加勁梁：鋼箱桁，鋼箱高3 m，采用N形桁架，桁高12 m，節(jié)間長(zhǎng)15 m；

約束體系：連續(xù)支撐體系。

考慮到主橋剛度及中塔頂主纜抗滑移系數(shù)的問(wèn)題，主橋剛度暫按1/250左右控制，主纜抗滑移系數(shù)控制在1.7左右設(shè)計(jì)[11-12]。

荷載見(jiàn)表8、表9。

表8 恒載集度

表9 活載集度

從恒載、活載集度比較來(lái)看，對(duì)于4線鐵路及8車道公路，活載占荷載總重的25.4%。

3.2 中-活載加載長(zhǎng)度影響

對(duì)中-活載采用不同的加載長(zhǎng)度加載，表10中列出不同工況下主纜、鋼箱、結(jié)構(gòu)剛度等參數(shù)。

表10 計(jì)算結(jié)果匯總

不同加載長(zhǎng)度時(shí)主纜內(nèi)力曲線如圖1所示。

圖1 主纜內(nèi)力圖(單位：MN)

由以上結(jié)果分析，當(dāng)ZK活載采用450 m加載長(zhǎng)度不變，中-活載加載長(zhǎng)度由650 m增加至無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度影響較小，主纜內(nèi)力及鋼箱應(yīng)力均相應(yīng)增加，增幅分別為3.9%、19.7%。ZK活載采用450 m、中-活載采用650 m加載長(zhǎng)度工況與 ZK活載及中-活載均采用無(wú)限長(zhǎng)加載長(zhǎng)度工況比，主纜內(nèi)力增加7%，鋼箱應(yīng)力增加38.4%。

3.3 ZK活載加載長(zhǎng)度影響

對(duì)ZK活載采用不同的加載長(zhǎng)度加載，表11中列出不同工況下主纜、鋼箱、結(jié)構(gòu)剛度等參數(shù)。

表11 計(jì)算結(jié)果匯總

不同加載長(zhǎng)度時(shí)主纜內(nèi)力曲線如圖2所示。

圖2 主纜內(nèi)力圖(單位：MN)

由以上結(jié)果分析，當(dāng)中-活載采用1 050 m加載長(zhǎng)度，ZK活載加載長(zhǎng)度由230 m增加至無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度由1/342降低至1/283，剛度影響達(dá)30%，主纜內(nèi)力及鋼箱應(yīng)力均相應(yīng)增加，增幅分別為4.4%、31.7%。中-活載采用1 050 m、ZK活載采用450 m加載長(zhǎng)度工況，與中-活載及ZK活載均采用無(wú)限長(zhǎng)加載長(zhǎng)度工況比，主纜內(nèi)力增加5.6%，鋼箱應(yīng)力增加51.7%。

4 結(jié)論

(1)客運(yùn)專線及城際鐵路采用ZK、ZC荷載模式加載時(shí)，加載長(zhǎng)度宜按照450 m計(jì)算。

(2)普通客貨共線鐵路、貨運(yùn)專線其加載長(zhǎng)度根據(jù)本線的貨車編組情況，可按所設(shè)計(jì)到發(fā)線有效長(zhǎng)度作為超大跨度橋梁加載長(zhǎng)度。

(3)考慮到兩列車之間的時(shí)間間隔，在全長(zhǎng)3 km以內(nèi)的橋，僅需要考慮1個(gè)加載長(zhǎng)度范圍的加載情況。

(4)對(duì)主跨1 260 m的三塔四跨公鐵兩用懸索橋，中-活載加載長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)位移影響較小，對(duì)主纜內(nèi)力、鋼箱應(yīng)力影響較大；ZK活載加載長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)位移、主纜內(nèi)力、鋼箱應(yīng)力均產(chǎn)生較大影響。

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.1—2005 J460—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.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10621—2009 J 971—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[3] 金福海，文望青，許三平.蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道設(shè)計(jì)活載選用初探[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(3)：48-52.

[4] 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(guó)鐵道科學(xué)，2004(4):80-85.

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[9] 鄒少文，陳真.客運(yùn)專線到發(fā)線有效長(zhǎng)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2007(12)：1-4.

[10]鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心.客運(yùn)專線車站到發(fā)線有效長(zhǎng)度優(yōu)化研討會(huì)資料[Z].北京：鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心，2007.

[11]周孟波.懸索橋手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社，2003.

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Research on Train loading Length on Super-long Span Railway Bridge

LI Gui-lin

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

The loading length on super-long span railway bridge plays an important role in determining the cross section and cost of super-long span bridges and it is necessary to analyze the train loading length for bridges of over 1km long. The research aims to find out a suitable loading mode for super-long span bridges under medium-live load and ZK load. The research concludes that the Intercity and passenger dedicated railway lines may use 450 meters loading length. The loading length for railway lines of mixed passenger and freight and freight dedicated railway lines may be determined based on the formation of the freight train， and the effective length of railway station may be taken as the super-long bridge’s loading length. For bridges with the main bridge less than 3km， only one loading length is added.

Railway bridges; Loading length; Super-long span; Passenger dedicated line; Railway line for mixed passenger and freight traffic

2014-12-05；

2014-12-13

鐵四院科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012K29)

李桂林(1983—)，女，工程師，2009年畢業(yè)于中南大學(xué)，工學(xué)碩士，E-mail:1152537392@qq.com。

1004-2954(2015)03-0064-04

U441+.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.015