貨運(yùn)鐵路擴(kuò)能運(yùn)輸對(duì)橋梁動(dòng)力性能的影響

李鑄珅

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350)

國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，需求大量的資源供給，鐵路作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速大量的提供需求的資源。隨著資源需求的增長(zhǎng)，對(duì)鐵路運(yùn)輸提出了更高的要求，重載鐵路運(yùn)輸因其運(yùn)能大、效率高而在越來(lái)越多的國(guó)家推廣應(yīng)用[1]。目前世界上運(yùn)營(yíng)的最大軸重車已達(dá)40 t，重載貨車的編組一般均在100節(jié)以上，相應(yīng)各國(guó)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)比較高[2]。與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的大軸重、低密度運(yùn)營(yíng)狀態(tài)相比，我國(guó)重載鐵路發(fā)展的戰(zhàn)略方向是重載、高速、高密度[3]，這對(duì)線路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)要求大大提高[4-5]。

朔黃鐵路作為我國(guó)西煤東運(yùn)第二大通道，進(jìn)行了3.5×108t擴(kuò)能改造[6]。對(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)煤炭資源、提高通道整體運(yùn)輸效率、促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義和作用。目前，朔黃鐵路列車軸重多為25 t，并且2×104t重載列車已常態(tài)化開(kāi)行，年運(yùn)量達(dá)3×108t。

朔黃鐵路既有橋梁建設(shè)年代跨越范圍較大，設(shè)計(jì)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)類型多樣，不同橋梁的健康狀態(tài)差異較大。重載運(yùn)輸必將加劇橋梁的損傷，引起橋梁沖擊振動(dòng)加劇、動(dòng)撓度增加、橋梁損傷加劇，影響橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。本文分析重載運(yùn)輸狀態(tài)下橋梁的動(dòng)力性能，以及不同類型橋梁在重載運(yùn)輸狀況下的動(dòng)力響應(yīng)，為后期鐵路橋梁建設(shè)以及加固提供參考。

1 重載運(yùn)輸列車荷載

朔黃鐵路多為簡(jiǎn)支梁橋，列車豎向靜活載采用“中-活載”[7-8](圖1)。目前重載單元列車軸重已提高到25 t(圖2)。

圖1 中-活載圖示

圖2 C80(25t)列車荷載圖示(單位：m)

2 朔黃鐵路橋梁試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)的對(duì)象包括朔黃鐵路中的兩座中小跨度橋梁(151#橋、161#橋)和五座超低高度橋梁(186#橋、208#橋、252#橋、255#橋、271#橋)，各橋梁選取情況如表1所示。

表1 橋梁統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)在橋梁列車正常運(yùn)營(yíng)狀況下進(jìn)行，試驗(yàn)列車均為正常運(yùn)營(yíng)列車，對(duì)橋梁在不同類型列車通行時(shí)運(yùn)營(yíng)性能進(jìn)行試驗(yàn)。主要分析橋梁在列車運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的撓度，豎、橫向振幅以及加速度。運(yùn)營(yíng)列車測(cè)試工況如表2所示。

2.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

圖3為試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)縱向布置圖，圖4為試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置橫截面圖。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表2 橋梁測(cè)試工況統(tǒng)計(jì)

圖3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)縱向布置

圖4 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置截面

3.1 重載運(yùn)輸橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)分析

分析各橋梁試驗(yàn)跨最大動(dòng)撓度數(shù)據(jù)(圖5)。

圖5 測(cè)試梁跨最大動(dòng)撓度值

上行運(yùn)營(yíng)列車作用下，試驗(yàn)橋梁各跨橫向振幅、跨中橫向加速度、支座橫向位移和上行1#墩墩頂橫向振幅等測(cè)試參數(shù)均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的要求。

151#橋梁梁體跨中豎向撓跨比分別約為1/5 324、1/5 381，161#橋梁梁體跨中豎向撓跨比分別約為1/5 614、1/5 414、1/4 425，均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》所規(guī)定的通常值的要求(≤1/1 800)；186#橋梁梁體跨中豎向撓跨比約為1/1 297、1/1 331；252#橋梁梁體跨中豎向撓跨比分別約為1/1 340、1/1 300，接近規(guī)范所規(guī)定的低高度梁豎向撓跨比通常值 (≤1/1 300)；208A#橋梁梁體跨中豎向撓跨比約為1/1 221，255#橋梁梁體跨中豎向撓跨比約為1/1 223，271#橋梁梁體跨中豎向撓跨比分別約為1/1 253、1/1 243，均大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》所規(guī)定的低高度梁豎向撓跨比通常值 (≤1/1 300)。

分析各橋梁跨中撓度以及撓跨比可知，151#、161#橋梁在重載運(yùn)輸荷載下，各項(xiàng)參數(shù)均滿足規(guī)范要求，186#、208A#、252#、255#、271#各超低高度橋梁撓跨比值接近或者大于規(guī)范值，即在重載運(yùn)輸條件下，超低高度橋梁運(yùn)營(yíng)更趨于不利狀態(tài)。超低高度梁突出的特點(diǎn)是“低”，這樣的特點(diǎn)使得梁的高度和重心位置高度都與同跨度普通高度梁相比大幅度下降，使得橋梁可能會(huì)因?yàn)閯偠炔蛔愣绊憳蛄旱陌踩\(yùn)營(yíng)。

3.2 超低高度橋梁動(dòng)撓度分析

針對(duì)超低高度橋梁動(dòng)撓度以及撓跨比不利的情況，整理2010年、2012年、2016年的多坐橋梁的動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的分析。試驗(yàn)橋梁情況如表3所示。

表3 超低高度梁歷次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

24 m超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁共測(cè)試6孔，分別進(jìn)行C64、C70、C80三種類型列車試驗(yàn)。6孔豎向撓跨比平均值為1/1 249，范圍介于1/1 327～1/1 172間，動(dòng)撓度數(shù)據(jù)與列車速度的響應(yīng)關(guān)系如圖6～圖8所示。

圖6 24m超低高度梁C64列車作用下動(dòng)撓度

圖7 24m超低高度梁C70列車作用下動(dòng)撓度

圖8 24m超低高度梁C80列車作用下動(dòng)撓度

32 m超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁共測(cè)試15孔，15孔豎向撓跨比平均值為1/1 266，范圍介于1/1 420～1/1 144之間，動(dòng)撓度數(shù)據(jù)與列車速度的響應(yīng)關(guān)系如圖9～圖12所示。

圖9 32m超低高度梁C64列車作用下動(dòng)撓度

圖10 32m超低高度梁C70列車作用下動(dòng)撓度

圖11 32m超低高度梁C80列車作用下動(dòng)撓度

圖12 32m梁C80列車作用下動(dòng)撓度對(duì)比

分析以上圖標(biāo)可知，隨著列車速度的提高，動(dòng)撓度變化不大，即速度對(duì)動(dòng)撓度影響不大；隨著列車荷載的增加，兩種類型的橋梁跨中動(dòng)撓度呈上升趨勢(shì)，如圖13所示，C80列車荷載下，24 m梁平均動(dòng)撓度達(dá)到16 mm；32 m梁平均動(dòng)撓度達(dá)到20.8 mm。在同種列車荷載下，超低高度橋梁相較于普通高度橋梁，動(dòng)撓度值有提高顯著，32 m橋梁在C80列車荷載作用下，動(dòng)撓度值提高約81 %。

圖13 動(dòng)撓度均值與列車荷載關(guān)系

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)朔黃鐵路橋梁擴(kuò)能運(yùn)輸條件下運(yùn)營(yíng)性能的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)擴(kuò)能運(yùn)輸條件下，超低高度橋梁運(yùn)營(yíng)更趨于不利狀態(tài)。超低高度梁突出的特點(diǎn)是“低”，這樣的特點(diǎn)使得梁的高度和重心位置高度都與同跨度普通高度梁相比大幅度下降，使得橋梁可能會(huì)因?yàn)閯偠炔蛔愣绊憳蛄旱陌踩\(yùn)營(yíng)。

(2)超低高度橋梁中，隨著列車速度的提高，動(dòng)撓度變化不大，即速度對(duì)動(dòng)撓度影響不大。

(3)隨著列車荷載的增加，橋梁跨中動(dòng)撓度呈上升趨勢(shì)，即擴(kuò)能運(yùn)輸會(huì)引起動(dòng)撓度的增大。

(4)在同種列車荷載下，超低高度橋梁相較于普通高度橋梁，動(dòng)撓度值有提高顯著。