重載列車編組次序對橋梁疲勞損傷的影響

王麗，趙欣欣，程建中，劉英偉

(1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2．朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司原平分公司，山西原平034000)

重載列車編組次序對橋梁疲勞損傷的影響

王麗1，趙欣欣1，程建中2，劉英偉2

(1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2．朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司原平分公司，山西原平034000)

針對我國既有客貨共線鐵路開行27 t軸重重載列車的情況，就不同編組次序的重載列車對于典型跨度橋梁的損傷度進行研究，以期得到使橋梁疲勞損傷達到最小的合理編組方式。采用STAAD/ PRO有限元軟件建立典型跨度簡支梁模型，將不同編組次序的重載列車通過簡支梁，計算得到跨中彎矩歷程，然后采用雨流法對彎矩歷程進行分析，計算得到不同編組次序的列車通過橋梁時產生的損傷度。通過研究，掌握了編組次序對于不同跨度橋梁疲勞損傷的影響程度，并對合理的重載列車編組方式提出建議。

重載列車;編組次序;簡支梁;彎矩;損傷度;疲勞

20世紀50年代以來，重載鐵路運輸以顯著增加運量、提高運輸效率并且降低運輸成本，受到世界各國鐵路部門的廣泛重視［1-3］。2005年國際重載協(xié)會(IHHA)在巴西年會上規(guī)定重載運輸應滿足下列3項條件中的兩項:①列車重量至少達到8 000 t;②軸重(計劃軸重)在27 t及以上;③在至少150 km線路區(qū)段上單線年運量超過4 000萬t。

在我國作為重載鐵路專線的大秦線，目前主要采用的是25 t的C80貨車，通過增加車輛的節(jié)數(shù)和運營密度來實現(xiàn)重載運輸;雖在列車重量和年運量上達到了IHHA所規(guī)定的重載運輸，但在軸重發(fā)展上卻小于IHHA的規(guī)定，與其它重載技術發(fā)達國家的列車軸重相比，相差較大。

通過增大列車軸重來實現(xiàn)重載運輸是我國繼高速鐵路客運專線之后鐵路建設發(fā)展的重要方向。與客運專線不同，重載鐵路主要是在既有鐵路上通過挖掘潛力、強化改造來實現(xiàn)重載運輸。結合我國機車車輛的發(fā)展和既有鐵路基礎設施的情況，我國鐵路對機車車輛發(fā)展的合理軸重定位進行了研究，結果表明在合理確定貨車參數(shù)、適當強化部分基礎設施的前提下，既有線路基本可滿足軸重27 t通用貨車的開行，因此我國客貨共線鐵路可在現(xiàn)有軸重23 t、載重70 t級通用貨車基礎上研究發(fā)展軸重27 t、載重80 t級通用貨車［4］。

由于我國客貨共線鐵路貨物運輸存在多樣化的特點，車輛編組和載重也不可能統(tǒng)一均勻。為了掌握不同編組和載重條件下，重載列車對于橋梁疲勞損傷的影響，選擇幾種重載機車、車輛，研究不同編組次序下的損傷度，提出能使橋梁損傷度達到最小的合理編組方式，為我國重載列車的開行提供技術支持。

1　計算方法

采用STAAD/PRO計算軟件建立有限元模型，將不同編組條件下的疲勞列車轉化為移動荷載列通過典型跨度簡支梁，計算跨中靜彎矩歷程，再采用雨流法統(tǒng)計得到彎矩譜，即彎矩幅值與次數(shù)的關系。然后依據(jù)公式(1)計算得到不同編組條件下疲勞列車對于橋梁的損傷度［5］

式中:D為損傷度;Mi為橋梁跨中彎矩幅值;ni為對應于橋梁跨中彎矩幅值Mi的循環(huán)次數(shù)。

2　計算工況的確定

橋梁的計算跨度選擇4，8，16，32，64，128 m 6種常見跨度。機車選擇HXD2和諧機車，貨車選擇軸重27 t的C80DH敞車和P80型棚車，它們的圖式如圖1、圖2、圖3所示。

圖1　HXD2型重載機車(長度單位:m)

圖2　C80DH型敞車(自重26 t，載重80 t;長度單位:m)

圖3　P80型棚車(自重27 t，載重80 t;長度單位:m)

共制定了6種計算工況如下:

工況1，機車+敞重+敞輕+敞空+棚重+棚輕+棚空;

工況2，機車+敞空+敞輕+敞重+棚空+棚輕+棚重;

工況3，機車+敞重+敞空+敞輕+棚重+棚空+棚輕;

工況4，機車+敞重+棚重+敞輕+棚輕+敞空+棚空;

工況5，機車+敞空+棚空+敞輕+棚輕+敞重+棚重;

工況6，機車+敞重+棚重+敞空+棚空+敞輕+棚輕。

工況1—工況6下，列車的編組方式見表1。

表1　不同計算工況下的列車編組

3　損傷度分析

采用STAAD/PRO計算得到了不同工況下各種跨度梁的跨中彎矩歷程，32 m梁在不同列車編組條件下的跨中彎矩歷程見圖4。采用雨流法統(tǒng)計得到了彎矩幅值與循環(huán)次數(shù)的關系，并對損傷度進行計算，見表2。

4，8，16，32，64，128 m幾種跨度的最大最小損傷度和相應列車編組見表3。

從表3中可以看出:

1)損傷度最大的工況是在車輛軸重前后變化差異較大的情況下，如工況2和工況3;損傷度最小的工況是車輛軸重前后變化差異較小的情況下，如工況4和工況5。

2)小跨度(4 m)和大跨度(128 m)橋梁受編組次序的影響較小，中等跨度(32 m)橋梁受編組次序的影響較大。原因是由于小跨度橋梁的損傷度受車輛軸重和軸距影響較大，即每個軸或者每個轉向架經過就會引起一次疲勞損傷;大跨度橋梁的損傷度受列車總重和列車全長影響較大，即一列車經過才會引起一次疲勞損傷，而車輛編組次序對這幾個參數(shù)幾乎沒有影響。而對于中等跨度橋梁，其損傷度不僅與車輛軸重、軸距有關，還與車輛長度、重量相關，即大致1～2節(jié)車經過時會引起一次疲勞損傷，因此編組次序對其影響較大。

圖4　32 m梁跨中彎矩歷程

表2　32 m梁在不同工況下的損傷度

表3　各種跨度在不同工況下的損傷度比較

3)在實際車輛編組時，建議盡量采用工況4或工況5的編組方式，將重車、輕車、空車統(tǒng)一編組，并按照由重到輕或者由輕到重，重量漸變的方式排序，避免由重到空的突變，導致對橋梁產生較大的疲勞損傷。

4　結論

針對我國既有客貨共線鐵路開行27 t軸重重載列車的情況，就重載貨物列車不同編組情況，對于典型跨度橋梁的損傷度進行了研究分析。結果表明:編組次序對小跨度和大跨度橋梁損傷的影響較小，對中等跨度橋梁的影響較大;車輛軸重前后變化差異較小時，橋梁的損傷度較小。因此建議將重車、輕車、空車統(tǒng)一編組，并按照由重到輕或者由輕到重，即以重量漸變的方式排序，避免由重到空的突變，導致對橋梁產生較大的疲勞損傷。

［1］錢立新．世界重載鐵路運輸技術的最新進展［J］．機車電傳動，2010(1):3-7．

［2］錢立新．國際鐵路重載運輸發(fā)展概況［J］．國外鐵路，2002，24(12):55-56．

［3］I．Korpanec，等．歐洲增加軸重的現(xiàn)狀及展望［J］．國外鐵道車輛，2007，44(6):1-6．

［4］胡所亭．鐵路重載運輸條件下橋梁活載標準研究［D］．北京:中國鐵道科學研究院，2013．

［5］潘際炎．鐵路鋼橋疲勞可靠度設計及鐵路橋梁疲勞荷載譜研究［R］．北京:鐵道部科學研究院，1990．

(責任審編 孟慶伶)

Inf luence of M arshalling Sequence of Heavy Haul Train on Fatigue Damage of Bridge

WANG Li1，ZHAO Xinxin1，CHENG Jianzhong2，LIU Yingwei2
(1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Yuanping Branch，Shuohuang Railway Development Co．，Ltd．，Yuanping Shanxi 034000，China)

The heavy haul train with 27 taxil loads may be operated on rail ways for both freights and passengers in China．Them arshalling sequence has asignificant effect on bridges with typical span lengths．In this paper，this influence was studied to optimizem arshalling sequence leading to am inimum fatigue damage．A simply supported beam model with typical span lengths was set up by ST AAD/PRO finite element software．The moment history at the mid-span was calculated under load cases with different marshalling sequences．The rain flow method was used to analyze the moment history to obtain damage degrees of each load case．In this way，the influence of marshalling sequence of heavy haul train on bridge fatigue damage was investigated，and corresponding suggesting on marshalling mode was proposed．

Heavy haul train;Marshalling sequence;Sim ply supported beam;Mom ent;Dam age degree;Fatigue

U441+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．01

1003-1995(2016)11-0001-04

2016-07-06;

2016-09-02

王麗(1981—)，女，助理研究員，博士。