重載鐵路跨度12 m鋼筋混凝土簡支T梁靜動力適應性分析與試驗研究

羅慧剛

(朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司,河北肅寧 062350)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對原材料和礦產(chǎn)資源等大宗貨物需求量不斷提高，既有鐵路擴能改造已變得尤為迫切。既有鐵路線路擴能運輸改造可采用增建新線、增加列車行車密度及提高列車軸重等技術措施來實現(xiàn)[1-3]，增建新線投資大、周期長、見效慢、且征地難度大；而單純依靠增加行車密度，提高運輸能力有限，因此提高列車軸重就成為必然選擇。

從國外重載運輸發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，大軸重重載運輸可以兼顧低成本和高效率。國外重載運輸貨車軸重已達到400 kN[4]，而重載鐵路貨車軸重集中在230～250 kN，向上提升空間十分巨大，結合重載鐵路實際情況，采用大軸重重載運輸模式是最為經(jīng)濟高效的手段[5]。

隨著既有鐵路線路的擴能改造與重載鐵路的快速發(fā)展，列車軸重、行車密度及牽引總質量均大幅度提高。列車軸重的不斷提高，使得橋梁承受的豎向荷載增大，梁端剪力及跨中彎矩也隨之增加；同時列車對橋梁的橫向沖擊作用也相應增大，導致橋梁跨中橫向加速度和橫向振幅增大甚至超限；行車密度提高使得列車荷載對橋梁的疲勞作用次數(shù)增多。綜上可知，開行大軸重列車導致部分既有橋梁在強度、剛度和穩(wěn)定性等方面的安全儲備大大降低[6-8]。

孫穎等[9]對既有鐵路鋼桁梁橋由于貨車軸重增大和車輛運行速度提高引起的橋梁橫向振幅過大的問題進行了研究，分析了不同鋼橋結構的受力特征；潘際炎等[10]對發(fā)展250 kN軸重的重載列車對既有鐵路線路橋梁的影響進行了評估。一條鐵路運輸線路上不同跨徑梁形很多，既有研究只針對部分梁形，不夠全面，沒有得出普遍性規(guī)律，且以往對既有橋梁的靜力適應性研究較多，尚未考慮提高軸重對既有橋梁動力性能方面的研究，尤其是對小跨徑橋梁的橫向振動問題重視不足。

以某重載鐵路線3～32 m跨度的橋涵為研究對象，對運行不同軸重貨車作用下橋涵活載儲備量進行對比分析，并且對跨度12 m鋼筋混凝土T形梁進行梁體跨中主筋應力、梁體跨中截面上翼緣混凝土壓應力及梁體跨中下緣裂縫寬度進行檢算；動力適應性分析以某12 m鋼筋混凝土T形梁為研究對象，分析軸重提高對橋梁跨中橫向加速度和橫向振幅的影響規(guī)律，并通過運營性能試驗進行驗證。

2 靜力適應性分析

2.1 擴能運輸對橋梁荷載的影響

橋梁荷載包括橋梁恒載和活載，擴能運輸條件下橋梁恒載基本不變，活載主要以列車荷載為主。

目前既有鐵路線重載鐵路橋梁的設計荷載為中-活載[11-12]，如圖1所示，而列車運營荷載主要為C64(210 kN)、C70(230 kN)和C80(250 kN)，軸重為270 kN的重載列車也逐步開通，軸重300 kN的C96列車和KM96列車也曾試驗運營。

圖1 設計中-活載(單位：m)

C64型敞車適用于裝運煤、礦石、機械設備、木材、成包貨物及集裝箱等，是能適應翻車機作業(yè)及載重組合列車要求的通用敞車；C70型敞車是供中國標準軌鐵路使用的重載運輸通用敞車，是主要用于裝運煤炭、礦石、建材、機械設備、鋼材及木材等貨物的通用鐵路車輛；C80型煤礦專用敞車是我國專門為大秦線(大同—秦皇島)而設計制造的專用敞車，其主要職能是運載煤炭；同時其也是為貨車提高運量而設計的重載型貨車，車體具有自重輕，容積大的優(yōu)點[13]。KM98型敞車重載列車為我國載重最大的運營重載貨車，車體采用鋁合金材質，具有運量大，安全可靠性高的優(yōu)點。各列車車型參數(shù)如表1所示。

表1 貨車車輛參數(shù)

在鐵路橋梁荷載中，列車活載所占的比重較大。首先以設計活載“中-活載”產(chǎn)生的橋涵結構跨中彎矩和梁端剪力為對比參數(shù)[14-15]，分析C64、C70、C80、C96型以及KM96型重載列車荷載等該線路上運營列車作用下朔黃鐵路全線3～32 m跨徑既有橋涵結構的活載儲備量，其中活載儲備量為“正值”表示未超出設計中-活載效應量值，“負值”表示超出設計中-活載效應的量值，“0”表示與設計活載效應大致相等。

(1)

圖2給出了不同軸重列車作用下橋涵結構活載儲備量統(tǒng)計。由圖2可知：軸重210，230，250 kN貨車作用下，除了3 m跨徑的涵洞外，4～32 m跨徑橋涵跨中彎矩效應和梁端剪力效應均未超過設計中-活載效應，且隨著跨徑的增加，活載儲備逐漸增加；在270 kN軸重貨車作用下，12 m跨徑以下橋涵跨中彎矩效應和梁端剪力效應超過設計活載效應，12 m及以上跨徑橋梁活載效應未超過設計中-活載效應[16]；在300 kN軸重貨車作用下，活載儲備量隨跨徑變化趨勢基本相同，16 m跨度以下橋涵運營活載效應超過設計活載效應，16～32 m跨徑橋梁均未超過設計中-活載效應，同時可以看出，KM96車型活載儲備量高于C96車型。

圖2 不同車輛形式作用下橋涵活載儲備量統(tǒng)計

2.2 12 m跨徑簡支梁靜力適應性分析

基于圖2分析結果，對于運營重載貨車作用下超過設計活載效應的跨徑12 m T梁進行靜力適應性分析。

簡支T梁約束條件為一邊滑動，一邊鉸接。12 m跨徑的普通高度和低高度混凝土簡支T梁截面如圖3所示。

圖3 12 m普通高度、低高度梁體截面(單位：cm)

不同列車的長度不同，但對于12 m簡支梁加載位置基本相同，圖4為軸重250 kN列車加載位置示意。

圖4 加載位置布置 (單位：cm)

圖5給出了12 m跨徑的普通高度和低高度混凝土簡支梁跨中截面主筋應力、跨中截面上翼緣混凝土壓應力及跨中下緣裂縫寬度檢算結果。由圖5可知：12 m跨徑鋼筋混凝土T梁的跨中截面壓應力及裂縫寬度均能滿足運營要求，但在270 kN和300 kN軸重重載車輛活載作用下，梁體受拉鋼筋最底部主筋應力均超過規(guī)范容許值，不滿足長期開行要求，需要對梁體進行加固或改造[17-18]。

圖5 靜力適應性分析

3 動力適應性分析

3.1 有限元模型建立

12 m跨徑普通高度混凝土簡支梁模型(圖6(a))依據(jù)專橋(88)1023圖紙進行建立，12 m跨徑低高度混凝土簡支梁模型(圖6(b))依據(jù)專橋(88)1024鋼筋混凝土簡支梁圖紙建立，分別考慮荷載C80列車(250 kN)、C80列車(270 kN)和C96列車(300 kN)[19-20]。

圖6 12 m跨徑普通高度與低高度鋼筋混凝土簡支梁模型

模型截面均通過截面特性計算器來導入，兩片T梁通過橫隔板連接，約束條件為一邊滑動，一邊鉸接。

對橋梁進行有限元分析時施加的移動列車活載軸重分別為250，270 kN以及300 kN，每種工況各編制了5列貨車，共計20個軸，模擬重載貨車編組示意如圖7所示。

圖7 模擬重載貨車編組示意(單位：cm)

動力模型車輛移動荷載通過施加節(jié)點動力荷載實現(xiàn)，豎向節(jié)點動力荷載按照圖7所示的編組建立，按實際貨車軸重沿Z軸負方向建立豎向荷載時程函數(shù)。

關于列車橫向搖擺力，我國《重載鐵路設計規(guī)范》(TB10625.1—2017)將橫向搖擺力大小規(guī)定為100zkN，z為荷載系數(shù)，其值大小隨列車軸重變化而變化，當列車軸重為250 kN和270 kN時，z取1.1，列車軸重為300 kN時，z取1.3。

本文有限元模型建立過程中結構所施加的恒載包括橋梁結構自重和二期荷載。自重荷載通過直接定義材料的密度來施加沿Z軸負向的自重荷載實現(xiàn)，二期荷載通過施加梁單元荷載來實現(xiàn)，二期荷載包括道砟、軌道、軌枕和人行踏板等。

3.2 12 m跨徑簡支梁動力適應性分析

圖8給出了不同軸重貨車不同速度工況下簡支梁跨中截面橫向加速度對比折線。由圖8可知：對于12 m跨徑普通高度混凝土簡支梁，不同軸重重載貨車作用下梁體跨中橫向加速度隨貨車的行車速度變化趨勢大致相似。梁體跨中橫向加速度均在50 km/h速度工況下達到峰值，其中300 kN軸重重載貨車所對應的梁體跨中橫向加速度最大；對于12 m跨徑低高度混凝土簡支梁，不同軸重重載貨車隨著速度的提升，梁體跨中橫向加速度隨之增大，梁體跨中橫向加速度均在60 km/h速度工況下達到峰值，其中300 kN軸重重載貨車所對應的梁體跨中橫向加速度最大。

對比可知，由于低高度簡支梁的橫向剛度大于普通高度簡支梁，所以在相同工況下低高度梁跨中橫向加速度明顯低于普通高度簡支梁。

圖8 不同軸重貨車不同速度工況下簡支梁梁體跨中橫向加速度對比折線

圖9給出了不同軸重貨車不同速度工況下簡支梁跨中橫向振幅峰值對比折線。由圖9可知：對于12 m跨徑普通高度混凝土簡支梁，在10～50 km/h速度工況范圍內，隨著速度的提升，梁體跨中橫向振幅先增大后減小，梁體跨中橫向振幅均在50 km/h速度工況下達到峰值。其中300 kN軸重重載貨車所對應的梁體跨中橫向振幅最大，為0.604 mm；此后，在50～80 km/h速度工況范圍內，梁體跨中橫向振幅隨速度增大而減??；針對重載貨車軸重的差異對橫向加速度的影響，在相同速度工況下，大體上為軸重越大，橫向振幅越大。

圖9 不同軸重貨車不同速度工況下簡支梁梁體跨中橫向振幅對比折線

對于12 m跨徑低高度混凝土簡支梁，規(guī)律與普通高度簡支梁相似，不同的是峰值拐點出現(xiàn)在60 km/h速度工況附近。

4 運營性能試驗驗證

以重載鐵路某1孔12 m跨徑普通高度鋼筋混凝土梁橋和1孔12 m跨徑低高度鋼筋混凝土梁橋為試驗對象(圖10)，將測試結果與有限元模擬結果進行對比分析。

圖10 動載試驗測點布置(單位：m)

圖11給出了12 m跨徑普通高度混凝土簡支梁跨中橫向加速度實測值與模擬值對比。由圖11可知：跨中橫向加速度與橫向振幅的數(shù)值和增加趨勢大致與實測數(shù)值一致，但是由于試驗過程中環(huán)境因素、列車車型以及轉向架等因素導致振幅的模擬數(shù)值和實測數(shù)值有所差別。

圖11 模擬值、實測值對比

圖12給出了12 m跨徑低高度混凝土簡支梁跨中橫向加速度實測值與模擬值對比。由圖12可知：跨中橫向加速度與橫向振幅的數(shù)值和增加趨勢大致與實測數(shù)值一致，但是由于試驗過程中環(huán)境因素、列車車型以及轉向架等因素導致振幅的模擬數(shù)值和實測數(shù)值有所差別。

圖12 模擬值與實測值對比

5 結論

通過對重載鐵路3～32 m跨徑的橋涵活載儲備量分析，并針對某12 m跨徑普通高度、低高度簡支梁進行靜動力性能分析及運營性能試驗研究，得出以下結論。

(1)210、230、250 kN軸重貨車作用下，鐵路全線各跨徑簡支梁橋除了跨徑3 m的涵洞外，活載儲備量均為正值，且隨著橋梁跨徑的增加，活載儲備量有所增加；在270 kN軸重貨車作用下，12 m跨徑以下的橋涵活載儲備量為負值，最大為-25%，12 m跨徑及以上跨徑橋梁均剩余活載儲備；300 kN軸重貨車作用下，16 m跨徑以下橋涵運營活載效應超過設計活載效應，16～32 m跨徑的橋梁均未超過設計活載效應，KM96車型活載儲備量高于C96車型。

(2)12 m跨徑鋼筋混凝土簡支T梁的混凝土壓應力及裂縫寬度均能滿足要求，但在270 kN和300 kN軸重重載車輛活載作用下，梁體受拉鋼筋最底部主筋應力均超過容許值，不滿足長期開行要求，需要對梁體進行加固或改造。

(3)12 m跨徑鋼筋混凝土簡支T梁對于不同運營列車的通行速度敏感性不一樣，在一定速度范圍內橋梁動力響應隨速度增加而增大，在一定速度范圍內隨速度增加而減小，不同動力響應參數(shù)隨速度變化的臨界值不相同；車輛軸重增大，結構動力響應隨之增大，但在某些速度工況下并不明顯；12 m低高度簡支梁橫向動力適應性優(yōu)于普通高度簡支梁，兩者均滿足開行大軸重重載貨車要求。