救援起重機和救援列車通行簡支梁荷載特征圖式

楊心怡

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

我國TB/T 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》規(guī)定［1］，列車荷載圖式是鐵路列車對線路基礎(chǔ)設(shè)施靜態(tài)作用的概化表達形式?？v觀我國鐵路列車荷載圖式的發(fā)展歷程，變化的主要依據(jù)是適應機車車輛裝備技術(shù)的發(fā)展［2］。各鐵路局的救援列車有多種排列形式，車輛類別、順序及數(shù)量，起重機型號各不相同。既有鐵路橋梁有多種線路類別、橋梁形式及設(shè)計活載，與救援列車組合起來運行條件十分復雜。救援列車沒有代表荷載圖式，因此過橋適應性檢算評估工作比較繁瑣。陶曉燕等［3］研究了9種既有救援起重機單機過橋的適應性，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前100 t和125 t的5種救援起重機單機均不能全速通行ZK活載設(shè)計的20 m及以下某些跨度，國內(nèi)4種160 t救援起重機單機均不能全速通行ZK活載設(shè)計的35 m及以下某些跨度橋梁?；萑绾＃?］研究了一種新型高鐵救援起重機在ZK活載設(shè)計橋梁上通行時的橋梁承載能力，認為該型救援起重機在DF4或HXD3機車牽引編組回送時均可全速通行。劉振營［5］研究了鐵路起重機軸重、軸距的改變對其過橋速度的影響，認為采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向架軸距能夠改善其回送性能。

在橋梁適應性評估中，下部結(jié)構(gòu)如支座、橋墩、基礎(chǔ)承載能力依據(jù)規(guī)范容許應力可分別提高1.5［6］、1.4［7］、1.6倍［7］。下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全儲備較大。

本文采用調(diào)研分析、荷載列圖式模擬以及最大包絡(luò)的方法研究救援起重機、救援列車通行橋梁上部結(jié)構(gòu)的荷載特征，提出的救援起重機、救援列車通行荷載圖式可作為高速鐵路、客貨共線鐵路橋梁承載能力檢算工作簡易荷載列，從而簡化批量評估工作。

1 擬定原則

1.1 計算思路

考慮2種救援列車編組。①編組方式1：救援起重機編掛在機車后第二節(jié)處，編組形式對50 m以上大跨度更為不利。②編組方式2：依據(jù)管理要求將救援起重機編掛在救援列車尾部。

編組方式1：機車（HXD3）+簡易游車（NX17）+救援起重機+起重機游車+救援車（JY23B）+工具車（XL22）+發(fā)電車（XL22）+餐車（CA23）+宿營車（YW22B）。根據(jù)9種既有救援起重機與編組方式1得到編組1—編組9。

編 組 方 式2：HXN3+宿 營 車（YW22B）+餐 車（CA23）+發(fā) 電 車（XL22）+工 具 車（XL22）+救 援 車（JY23B）+起重機游車+救援起重機+簡易游車（NX17）。根據(jù)9種既有救援起重機與編組方式2得到編組10—編組18。

定型計算原則為通行荷載特征圖式換算均布活載包絡(luò)實際救援列車換算均布活載，按二者動力系數(shù)相同考慮，計算跨度1～144 m的簡支梁端至跨中5個截面。具體步驟如下：

Step1 計算跨度1～144 m簡支梁在編組1—編組9、編組10—編組18作用下的5個截面換算活載。

Step2 跨度為8、10、12、16、20、24、32、40、48、64 m的簡支梁梁端至跨中等5個截面位置匯總Step1得到的不同編組中的換算活載最大值，作出最大值曲線圖命名為曲線1（編組1—編組9最大值）、曲線2（編組10—編組18最大值），橫坐標為跨度、縱坐標為列車最大換算活載。

Step3 根據(jù)救援起重機軸重軸距荷載特征，理論上推算出擬定圖式。將救援起重機擬定圖式編入編組方式1中計算，通過試算調(diào)整參數(shù)得到能夠包絡(luò)曲線1的救援起重機通行荷載特征圖式。然后將該圖式編入編組方式2中檢算是否能夠包絡(luò)曲線2，直至確定救援起重機通行荷載特征圖式。

Step4 在救援起重機通行荷載特征圖式的基礎(chǔ)上，根據(jù)救援列車中其他車輛荷載集度特征與編組方式2確定救援列車通行荷載特征圖式的擬定圖式。通過調(diào)整參數(shù)使之包絡(luò)曲線2，從而確定救援列車通行荷載特征圖式。

1.2 最大值曲線

1.2.1 既有救援起重機軸重軸距

根據(jù)運裝機運〔2008〕82號《鐵路救援列車管理辦法》中“應逐步淘汰固定臂式軌道起重機，配置伸縮臂式軌道起重機”的規(guī)定［8］，本文選擇9種既有伸縮臂式軌道起重機進行救援起重機通行荷載特征研究。其型號分別為國內(nèi)100 t和125 t救援起重機NS1003、NS1251、NS1001、NS1252、NS1253及國內(nèi)160 t和進口160 t救援起重機NS1601、NS1602、NS1600、NS1680。160 t機型的軸重軸距見圖1。國內(nèi)目前最大噸位救援起重機為NS2000型（12軸），其回送時需拆除上車尾部平衡重，因此未予考慮。

圖1 160 t救援起重機軸重軸距（單位：m）

1.2.2 曲線1

按Step1、Step2計算得到編組1—編組9通行32 m跨度簡支梁時的各截面換算活載最大值，見表1。

表1 編組方式1救援列車通行32 m跨度簡支梁各截面換算活載最大值 kN·m-1

按Step2匯總典型跨度換算活載最大值，得到表2并繪制曲線1，見圖2。梁端截面曲線1與某鐵路局實際救援列車靜荷載效應對比見圖3。救援列車后面的數(shù)字用以區(qū)別配備相同型號救援起重機但編組不同的救援列車。

表2 編組方式1典型跨度簡支梁各截面換算活載最大值kN·m-1

圖2 曲線1

圖3 曲線1與實際救援列車靜荷載效應對比（梁端截面）

由表2和圖2可知，梁端截面為換算活載最大值截面。曲線1由梁端截面與跨中截面共同控制。由圖3可見，曲線1能夠包絡(luò)現(xiàn)有救援列車荷載效應。

1.2.3 曲線2

曲線2確定方法同曲線1，編組10—編組18通行32 m跨度簡支梁時各截面換算活載最大值見表3。

曲線2系列換算活載最大值見表4，繪制曲線2，見圖4。梁端截面曲線2與某鐵路局實際救援列車靜荷載效應對比見圖5。

表4 編組方式2典型跨度簡支梁各截面換算活載最大值kN·m-1

由表4和圖4可見，曲線2由梁端截面與跨中截面共同控制。由圖5可見，曲線2能夠包絡(luò)現(xiàn)有救援列車荷載效應。

圖4 曲線2

圖5 曲線2與實際救援列車靜荷載效應對比（梁端截面）

1.2.4 曲線1與曲線2對比

各跨度不同截面曲線1與曲線2換算活載的比值見圖6?？梢?，二者差值在±10%內(nèi)，跨度50 m以下曲線1小于曲線2，跨度50 m以上曲線1大于曲線2。因此，通過包絡(luò)曲線1確定的救援起重機通行荷載特征圖式需檢算是否包絡(luò)曲線2。

圖6 各跨度不同截面曲線1與曲線2換算活載的比值

2 救援起重機通行簡支梁荷載特征

2.1 圖式確定

按Step3確定救援起重機通行荷載特征圖式。

2.1.1 擬定圖式

我國ZKH、ZH荷載圖式中的普通荷載是在UIC荷載的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國重載車輛的特點進行局部調(diào)整后提出的［9］。救援起重機荷載集度在11.4～12.27 kN/m，大于6軸25 t機車的荷載集度6.52～6.85 kN/m。借鑒該思路，根據(jù)救援列車中救援起重機為控制車輛，針對其軸數(shù)多、軸距小、軸重大的構(gòu)造特點，參考TB/T 3466—2016中長大貨物車檢算圖式將起重機輪對等同于均布活載，擬定圖式見圖7。

圖7 救援起重機通行荷載擬定圖式

2.1.2 特征圖式參數(shù)

1）a，q取值。擬定圖式中包含3個變量，分別為q、a、b。既有鐵路起重機轉(zhuǎn)向架輪對距離在2.6～4.3 m，取a=5 m。我國救援起重機軸重在25 t及以下［10］，一般為23 t［11］，單個轉(zhuǎn)向架至多4個軸，合計軸重92 t，取q=184 kN/m。變量b考慮前轉(zhuǎn)向架后輪與后轉(zhuǎn)向架前輪軸距范圍1.9～6.6 m，暫取b=2、4 m。

2）b取值。梁端、跨中截面計算結(jié)果與曲線1對比發(fā)現(xiàn)，b=2、4 m均不能包絡(luò)曲線1。不同b值時試算結(jié)果與曲線1對比見圖8。因此，固定b=2 m不變調(diào)整其他參數(shù)值。

圖8 不同b值時試算結(jié)果與曲線1對比

3）調(diào)整q值。根據(jù)差值比例提高均布活載q進行試算，試算圖式中q=184 kN/m×α，α為活載提高系數(shù)，取α=1.25。

α=1.25時試算圖式與曲線1對比曲線見圖9。由圖9可見，當q=184 kN/m，a=5 m，b=2 m，α=1.25時，擬定的通行荷載特征圖式能夠包絡(luò)曲線1。

圖9 α=1.25時試算圖式與曲線1對比

2.2 圖式檢算

將救援起重機通行荷載特征圖式按編組方式1、編組方式2編入荷載列與曲線2對比見圖10?？芍仍鹬貦C通行荷載特征圖式按兩種編組方式能夠包絡(luò)曲線2。

圖10 救援起重機通行荷載特征圖式按編組方式1、編組方式2編入與曲線2對比

考慮救援起重機編掛在機車后第二節(jié)處及編掛在救援列車尾部兩種編組方式，最后得出救援起重機通行荷載特征圖式見圖11。

圖11 救援起重機通行荷載特征圖式（單位：m）

3 救援列車通行荷載特征

救援列車車輛編組本著出動迅速、工作方便的原則，平時編組出動時不需要改編完整列車。因鐵路救援起重機自重大、制動快，《鐵路技術(shù)管理規(guī)程（普速鐵路部分）》、鐵總運〔2015〕314號《鐵路機車運用管理規(guī)則》規(guī)定回送鐵路救援起重機應掛于列車后部。因此救援列車通行荷載特征圖式通過與曲線2進行包絡(luò)對比來定型圖式。

3.1 圖式確定

按Step4確定救援列車通行荷載特征圖式。

ZKH活載中，中間4個250 kN的集中力代表機車車輛軸重和鄰軸效應，85 kN/m均布活載代表貨車車輛每延米重量效應。參考ZKH活載圖式，將除救援起重機以外的車輛按均布活載表示。根據(jù)某鐵路局實際救援列車編組，救援起重機前方是起重機游車（吊臂平車），后方是型號為NX17簡易游車（或放置配重）。起重機游車最大軸重21 t，長度為19.8～24.2 m，荷載集度為42.4 kN/m；簡易游車最大軸重21 t，長度13.94 m，荷載集度60 kN/m；其他車輛例如工具車、餐車、宿營車等，最大軸重15 t，長度為25.54 m，荷載集度為23.5 kN/m。

實際編組救援列車荷載列見圖12。

圖12 實際編組救援列車荷載列（單位：m）

為簡化荷載列形式，救援列車通行荷載特征擬定圖式在救援起重機通行荷載特征圖式的基礎(chǔ)上，在其前方增加一段均布活載來模擬其余車輛荷載，擬定圖式見圖13。

圖13 救援列車通行荷載擬定圖式（單位：m）

3.2 特征圖式參數(shù)

1）確定p值。擬定圖式中包括均布活載p與長度c，救援列車長度約200 m，由于救援列車中除救援起重機外均為平板車、客車、機車，換算活載小于設(shè)計活載。與ZK活載進行靜力對比發(fā)現(xiàn)在110 m以上救援列車活載小于ZK活載，因此c暫取100 m。根據(jù)救援起重機前后車輛荷載集度范圍并按保守考慮，取p=40，50，55 kN/m時擬定圖式與曲線2對比見圖14。

圖14 p取不同值時擬定圖式與曲線2對比

由圖4可知：對于梁端截面，p=40、50 kN/m時，擬定圖式均能夠包絡(luò)曲線2；對于跨中截面，p=40 kN/m時擬定圖式在32 m以上跨度無法包絡(luò)曲線2。p=50 kN/m時擬定圖式已能夠完全包絡(luò)但十分接近曲線2，跨度48 m僅有余量0.32 kN/m。p=55 kN/m時擬定圖式跨中截面余量提高，但梁端截面隨著跨度增大與曲線2相去甚遠，余量超過50%。

2）調(diào)整c值。為提高擬定圖式跨中截面換算活載應增大p值，為降低擬定圖式在大跨度時梁端截面換算活載應減小c值，因此嘗試p=60 kN/m，c=50、35 m進行試算，擬定圖式與曲線2結(jié)果對比見圖15。可知，當p=60 kN/m，c=35 m時，救援列車通行荷載擬定圖式能夠合理包絡(luò)曲線2。

圖15 p=60 kN/m和c=50、35 m時擬定圖式與曲線2結(jié)果對比

根據(jù)實際救援列車編組規(guī)律，最后得出整列救援列車通行荷載特征圖式見圖16。

圖16 整列救援列車通行荷載特征圖式（單位：m）

4 結(jié)論

本文以包絡(luò)既有9種既有救援起重機、救援列車為原則提出了兩個荷載特征圖式：

1）考慮救援起重機編掛在機車后第二節(jié)處及編掛在救援列車尾部兩種編組方式，提出了救援起重機通行荷載特征圖式。

2）根據(jù)實際救援列車編組規(guī)律提出整列救援列車通行荷載特征圖式。

所提出的荷載圖式可作為高速鐵路、客貨共線鐵路橋梁承載能力檢算的簡易荷載列，簡化批量評估工作。