滬通長江大橋靜載試驗車輛編組及加載輪位分析

蔣凡 劉華 岳青

（中鐵橋隧技術(shù)有限公司，南京 210061）

隨著配套技術(shù)和材料的突破，鐵路橋梁跨入千米級時代。斜拉橋、懸索橋具有跨度大、造價低等特點，逐漸在鐵路工程中得以應(yīng)用。滬通長江大橋、連鎮(zhèn)鐵路五峰山特大橋等已經(jīng)建成，川藏鐵路的部分橋梁也計劃采用特大跨懸索橋的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)鐵路荷載的無限長度加載與橋梁行業(yè)的發(fā)展不匹配，現(xiàn)行規(guī)范的無限長度加載與實際列車荷載存在差異。由于滬通長江大橋主航道橋跨度和影響線長度超過運營列車最大編組的長度，故設(shè)計階段考慮了活載選取的經(jīng)濟性、合理性等因素。本文針對該橋成橋荷載試驗，探討如何優(yōu)化加載列車的編組和輪位布置形式。

1 概述

1.1 工程背景

滬通長江大橋主航道橋為雙塔三索面公鐵兩用斜拉橋，主跨跨度 1 092 m［1］，橋跨布置為（140+462+1 092+462+140）m，見圖1。其跨度遠超同類橋型主跨630 m 的銅陵公鐵兩用斜拉橋。主塔塔身采用C60 混凝土結(jié)構(gòu)，高330 m。采用鐵路鋼箱梁與桁架組合的三主桁結(jié)構(gòu)，主梁橫斷面見圖2。選用沉井基礎(chǔ)，斜拉索采用三索面布置［2］。

圖1 滬通長江大橋主航道橋跨布置（單位：m）

圖2 主梁橫斷面（單位：cm）

1.2 技術(shù)標準

滬通鐵路：雙線I級鐵路，中-活載，限速200 km/h，正線線間距4.6 m。

通蘇嘉城際鐵路：雙線客運專線，ZK 活載，限速250 km/h，正線線間距4.6 m。

錫通高速公路：雙向6 車道+側(cè)應(yīng)急停車帶，公路-I級，限速100 km/h，總寬33.0 m［3］。

1.3 車輛編組及加載輪位研究的必要性

靜載試驗是將輪位加載在結(jié)構(gòu)影響線最不利位置，從而得到橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。為此，要求試驗荷載盡量模擬設(shè)計的標準活載。用試驗荷載效率來表征模擬程度，根據(jù)現(xiàn)行鐵運函〔2004〕120 號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［4］第 11.3.2 條要求，試驗荷載效率須滿足0.8～1.0的區(qū)間要求，不可實施時可以降低標準，但至少大于現(xiàn)行最大運行活載。

針對各個工況的靜載試驗，為了得出合理加載車輛的編組和確定加載輪位，需要對設(shè)計標準活荷載的最不利效應(yīng)進行分析，使試驗荷載的最不利效應(yīng)滿足［4］：

式中：η為靜力試驗荷載效率；Sstat為試驗車輛加載產(chǎn)生的變形或內(nèi)力的計算值；S為設(shè)計選取的理論活載同位置加載產(chǎn)生的變形或內(nèi)力的計算值；（1+μ）為檢定采用的動力系數(shù)。

主橋的跨徑和全橋總長均超過實際列車及到發(fā)線的有效長度，而現(xiàn)行規(guī)范中的活載圖示僅適用跨度168 m 內(nèi)的鋼梁，且中-活載中的車輛均布荷載區(qū)段按無限長度加載。對于設(shè)計的標準活載加載模式和加載長度的選取直接影響式（1）中S的合理性，進一步影響根據(jù)設(shè)計標準活載的選取規(guī)則而選取的車輛編組及其產(chǎn)生的效應(yīng)。

如不考慮理論標準活載的加載長度，則有可能出現(xiàn)車輛編組過小而滿足不了荷載效率的要求，更為嚴重的是有可能出現(xiàn)車輛編組過大，試驗車輛牽引總重超出區(qū)段的牽引定數(shù)，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、支座反力和變位過大，超出設(shè)計的要求。

2 活載加載分析

2.1 活載加載長度

為了使靜載試驗的荷載效率滿足現(xiàn)行規(guī)范［4］要求，且由于各車道的設(shè)計活載類型已經(jīng)確定，故要對設(shè)計階段理論活載加載長度進行分析，進而確定實際選擇的車輛編組及其加載輪位。

中-活載加載長度有3種模式［5］：

①到發(fā)線有效長度1 050 m；

②列車牽引定數(shù)5 000 t；

③無限長加載。

滬通長江大橋主航道橋滬通鐵路側(cè)中-活載采用考慮到發(fā)線有效長度1 050 m 的加載模式?？紤]車站到發(fā)線前后各40 m 的安全長度，列車的總長可以達到970 m［6］，荷載圖示見圖3，設(shè)計列車活載單線總重為78 460 kN。

ZK 活載的加載長度需考慮最長列車的長度和到發(fā)線有效長度等因素［7-8］?？瓦\專線上列車采用動車組，最大編組16 輛，最大長度為427 m。荷載圖示［9］見圖4，設(shè)計列車活載單線總重為27 718.4 kN。

圖3 中-活載加載模式荷載圖示（尺寸單位：m）

圖4 ZK活載加載模式荷載圖示（尺寸單位：m）

2.2 活載總重

橋梁主跨（1 092 m）及總長（2 296 m）都遠超過上述理論所選用的設(shè)計活載加載長度，為了達到試驗荷載的加載效率，選取的試驗車輛的荷載總重不能超過設(shè)計的荷載總重，使之盡可能在設(shè)計荷載的0.8～1.0倍。

確定了活載加載長度，即可確定設(shè)計活載的車輛活載總重。由于本項目為公鐵兩用斜拉橋，需要對公路及鐵路活載進行組合。公路和鐵路均為多車道，按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》［10］第 4.1.4 條、第4.3.2 條和JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》第4.3.1條、第4.3.2條規(guī)定進行活載橫向折減［11］。車輛的橫向分配系數(shù)= 車道數(shù)× 車道數(shù)折減系數(shù)×非線性放大系數(shù)×偏載系數(shù)×大跨折減系數(shù)。

滬通長江大橋主航道橋荷載滿載試驗加載按鐵路（2 線中-活載+2 線ZK 活載）× 0.8+ 公路（6 線 × 橫向折減系數(shù)0.55 × 縱向折減系數(shù) 0.93）× 0.75 進行加載。

3 加載輪位及車輛編組分析

3.1 加載輪位

計算得出主橋結(jié)構(gòu)各控制截面的內(nèi)力及位移影響線，根據(jù)影響線的趨勢，選擇荷載最不利組合位置進行加載，確定該工況下加載輪位的位置和范圍。

以主航道橋中跨跨中撓度加載輪位分析為例，中跨跨中撓度影響線見圖5，加載輪位應(yīng)選擇在中跨撓度影響線同符號區(qū)即最不利處進行加載。

3.2 車輛編組

圖5 主航道橋主跨跨中撓度影響線

為了達到0.8～1.0 的荷載效率，可以先按照設(shè)計活載總重（包括公路面和鐵路面活載）為控制值對車輛編組，加載輪位在最不利荷載位置。以主航道橋中跨跨中撓度車輛編組為例。由于中跨長1 092 m，設(shè)計的中-活載為滿載布置970 m，ZK 活載為滿載布置427 m，公路面公路-I也為跨中滿載。

鐵路列車編組考慮區(qū)間牽引定數(shù)5 000 t。

滬通鐵路外線：2 臺DF4C機車（2×1 380 kN，軸距21.1 m）+30 輛 滿 載 C70貨 車（30×936 kN，軸 距13.976 m）。

滬通鐵路內(nèi)線：2 臺DF4C機車（2×1 380 kN，軸距21.1 m）+35 輛 滿 載 C70貨 車（35×936 kN，軸 距13.976 m）。

公路汽車編組按每車道10 輛，六車道共60 輛，縱向前車后軸與后車前軸按5 m 軸間距布置。按要求分布在鐵路層及公路層。

鐵路層所需 C70貨車 65 輛，DF4C機車 4 輛，編組內(nèi)車輛長度為531 m；公路層需60輛滿載重汽車，編組長95 m。

根據(jù)上述影響線，在主跨跨中布載。將初定的車輛編組和加載輪位以靜力荷載的形式計入結(jié)構(gòu)有限元模型，提出靜力荷載工況下的中跨跨中撓度值，并按式（1）計算出荷載效率，確定其是否在0.8～1.0。考慮實際編組車輛的軸重和軸距與設(shè)計活載的差距，可采用公路面局部配載、微調(diào)車輛數(shù)量及配合移動加載輪位的形式使荷載效率逼近但不超過1.0。加載輪位見圖6。

圖6 主航道橋主跨跨中撓度車輛編組及輪位示意

4 結(jié)論及建議

本文主要對滬通長江大橋設(shè)計活載加載標準進行分析，確定了靜載試驗工況下鐵路車輛編組及加載輪位。結(jié)論如下：

1）主航道橋的中跨跨徑和橋長均超過實際運行列車長度，設(shè)計采用的活載加載標準考慮了實際列車長度、車站到發(fā)線長度、適當安全儲備等因素的影響。

2）為了驗證設(shè)計理念以及橋梁在運營期的工作狀態(tài)，荷載試驗進行車輛編組及加載輪位選取時，必須考慮設(shè)計采用的理論活載。

3）依據(jù)設(shè)計活載加載標準選取加載車輛規(guī)格和數(shù)量并進行編組，按照控制斷面的影響線確定加載輪位，考慮區(qū)間牽引定數(shù)確定所需機車數(shù)量。

4）由選取的車輛編組和加載輪位，得出初始荷載效率。根據(jù)該控制斷面的試驗內(nèi)容進行編組優(yōu)化，使該試驗參數(shù)的荷載效率在0.8～1.0。

本文研究內(nèi)容及思路對于超大跨徑鐵路橋梁、公鐵合建橋梁的靜載試驗具有借鑒意義。大跨、重載是橋梁的研究方向，作為對實橋設(shè)計、施工檢測的靜載試驗顯得越發(fā)重要。應(yīng)理清設(shè)計活載及其加載長度的選擇，與之匹配去進行車輛編組并結(jié)合結(jié)構(gòu)影響線選擇加載輪位，通過適當方法優(yōu)化車輛編組，使靜載試驗的結(jié)果滿足要求。