我國鐵路列車荷載圖式的研究與應(yīng)用

胡所亭

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

我國鐵路列車荷載圖式的研究與應(yīng)用

胡所亭1，2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

隨著我國鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，不同類型線路的運營列車在軸重、速度、運輸密度等方面都有較大差異，單一列車荷載圖式難以反映新形勢下的鐵路運輸狀態(tài)。本文回顧了我國鐵路列車荷載圖式的研究和發(fā)展情況，介紹了各種類型荷載圖式的適用范圍和應(yīng)用中需注意的問題，并提出列車豎向動力作用、列車縱向作用力等需要進(jìn)一步研究的問題。

列車荷載圖式 發(fā)展歷程 應(yīng)用

鐵路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(dá)形式，也是鐵路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心參數(shù)。影響列車荷載圖式的因素很多，除與機(jī)車車輛參數(shù)、運輸模式、速度指標(biāo)和不同結(jié)構(gòu)體系加載方式等有關(guān)外，尚需考慮橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)機(jī)車車輛裝備技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。國際鐵路聯(lián)盟(UIC)和世界大部分國家推薦采用能夠代表運營列車并具有一定安全儲備的概化圖式進(jìn)行鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計，如美國的Cooper E系列荷載，UIC的LM71荷載，以及我國的中—活載圖式等［1－3］。需要說明的是，為便于理解和區(qū)分，早期多將“列車荷載”稱為“活載”;本文除對既有圖式等描述外，統(tǒng)一表述為“列車荷載”。

我國鐵路近年來得到了快速發(fā)展，鐵路運輸總體呈現(xiàn)“客運高速、貨運重載”的發(fā)展趨勢。隨著客運鐵路網(wǎng)的逐漸建成，既有客貨共線鐵路將主要承擔(dān)貨物運輸?shù)娜蝿?wù);能源供求較大的區(qū)域還新建大軸重等級的重載鐵路。不同類型線路運營列車在軸重、速度、運輸密度等方面都有較大的差異，單一的列車荷載圖式難以反映新形勢下的鐵路運輸狀態(tài)。根據(jù)鐵路的發(fā)展需求，我國鐵路學(xué)者對列車荷載作用進(jìn)行了深入的研究，提出了新形勢下的列車荷載圖式［4－7］。

1 我國鐵路列車荷載圖式研究和發(fā)展情況

舊中國時代，我國橋梁設(shè)計主要應(yīng)用國外的列車荷載標(biāo)準(zhǔn)，包括美國的Cooper E級荷載、日本的L級荷載等。由于荷載等級較低且不統(tǒng)一，造成橋梁承載能力差別較大。1938年，我國制定了列車荷載標(biāo)準(zhǔn)，為中華活載標(biāo)準(zhǔn)(C級);其中主要鐵路干線采用的是C－20級荷載，次要干線采用的是C－16級荷載。新中國成立后，未制定新的標(biāo)準(zhǔn)前臨時應(yīng)用的是前蘇聯(lián)的H－7，H－8級荷載。

我國“鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范”共正式頒布實施(含修訂)過6次，分別為1951年，1959年，1975年，1985年，2000年和2005年版本。1951年版規(guī)范采用中—Z活載圖式(圖1)，按鐵路不同等級采用中－22～中－26級活載圖式;1959年版規(guī)范沿用中—Z活載圖式，按鐵路不同等級采用中－18～中－26級活載圖式。1975年及以后規(guī)范統(tǒng)一采用中—活載圖式(圖2)，用于客貨共線鐵路橋梁設(shè)計。中—活載圖式主要源自中—Z活載圖式系列的中－22級，上世紀(jì)70年代修訂時考慮到牽引車輛重量的增加、機(jī)車與車輛重量比的降低等因素，將代表車輛的均布荷載66 kN/m提高到80 kN/m，將特種荷載由242 kN提高至250 kN。實踐證明，中—活載圖式基本滿足了該期間鐵路客貨運輸發(fā)展的需要。

圖1 中—Z活載圖式(距離以m計)

圖2 中—活載圖式(距離以m計)

1994年，根據(jù)《鐵路主要技術(shù)政策》(鐵科技［1993］166號)要求，“為進(jìn)一步提高列車重量，積極發(fā)展軸重25 t低動力作用的大型四軸貨車，并相應(yīng)有計劃地強(qiáng)化橋梁、線路結(jié)構(gòu)，提高承載能力”，我國鐵路開展了25 t軸重作用下軌道和橋梁承受狀態(tài)及列車活載圖式的研究工作。研究成果表明，隨著機(jī)車車輛的發(fā)展，采用中—活載圖式設(shè)計的橋梁(跨度1～200 m)平均發(fā)展儲備為9.4% ，與國外相比，活載標(biāo)準(zhǔn)偏低，已不能滿足機(jī)車車輛發(fā)展需求［8］。

1996年，根據(jù)我國高速鐵路發(fā)展需要，結(jié)合國外高速鐵路列車荷載圖式的研究和制定情況，從列車荷載效應(yīng)、強(qiáng)度檢算和豎向剛度檢算等方面，對采用0.6UIC，0.7UIC和0.8UIC進(jìn)行了系統(tǒng)對比分析，研究提出了采用0.8UIC作為普通荷載，同時針對小跨度橋梁提出了特種荷載及適用加載范圍，制定了我國高速鐵路列車荷載圖式，即ZK荷載圖式(圖3)，主要應(yīng)用于250～350 km/h高速鐵路橋梁的設(shè)計［4］。近年來，針對僅考慮動車組開行要求的城際鐵路，研究提出了0.6UIC作為普通荷載配套相應(yīng)特種荷載，作為城際鐵路列車荷載圖式，即ZC荷載圖式(圖4)［9］。

圖3 ZK荷載圖式(距離以m計)

圖4 ZC荷載圖式(距離以m計)

2004年，我國鐵路開展客貨共線和貨運鐵路橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。在總結(jié)歷年研究成果的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)行中—活載圖式實施30年來的工程實踐效果，根據(jù)當(dāng)時機(jī)車和車輛裝備的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展，考慮牽引質(zhì)量的增加、運營速度提高、編組及運輸模式的變化，提出適用于我國客貨共線(ZKH)和貨運專線(ZH)鐵路設(shè)計的中—活載(2005)圖式(見圖5)［5－6］。圖式中4個250 kN的集中荷載代表機(jī)車車輛軸重效應(yīng)和貨車鄰軸距效應(yīng)，85 kN/m的均布荷載代表貨車車輛的延米重效應(yīng)。其中，z為活載等級系數(shù);客貨共線鐵路(ZKH)z按1.0取用。值得注意的是，與既有中—活載圖式相比，中—活載(2005)圖式更符合現(xiàn)有鐵路移動裝備的加載特征，即剪力加載效應(yīng)略低，彎矩加載效應(yīng)適當(dāng)提高。此外，根據(jù)通行長大貨車需求線路的檢算需要，提出了長大貨車檢算圖式。

圖5 中—活載(2005)圖式(距離以m計)

2005年以來，按照國務(wù)院加快我國鐵路運輸裝備現(xiàn)代化的戰(zhàn)略方針，我國鐵路貨運機(jī)車和車輛技術(shù)得到了迅速發(fā)展。2006年，我國鐵路停止生產(chǎn)了軸重21 t、載重60 t級的通用貨車，全路推廣軸重23 t、載重70 t級通用貨車;軸重25 t、載重80 t運煤專用敞車在大秦等重載線路上大量運用;軸重25 t和諧型大功率機(jī)車也在路網(wǎng)中逐步得到運用。裝備部門同時開展了大軸重鐵路機(jī)車、貨車總體技術(shù)研究和軸重27，30 t的樣車試制、試驗和運用考核工作。

2010年以來，根據(jù)鐵路重載運輸新的發(fā)展趨勢，結(jié)合《鐵路主要技術(shù)政策》修訂研究工作，我國鐵路對鐵路重載運輸發(fā)展定位、重載鐵路列車荷載標(biāo)準(zhǔn)、既有鐵路橋涵對于重載運輸適應(yīng)性等方面開展了系列研究工作［10－11］，并對客貨共線鐵路和貨運鐵路列車荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深化研究。從鐵路移動裝備總體發(fā)展趨勢看，鐵路貨車加載效應(yīng)較機(jī)車更為控制;客貨共線鐵路通用貨車向軸重25～27 t、載重80 t級發(fā)展，大軸重等級重載鐵路專用貨車向軸重30～35 t(不含)、載重100 t級發(fā)展;貨車牽引桿技術(shù)的應(yīng)用將較大幅度減小車輛間相鄰車軸的距離(簡稱鄰軸距)，車輛對線路基礎(chǔ)設(shè)施作用效應(yīng)顯著提升。研究認(rèn)為，中—活載(2005)圖式總體上是適用的，但隨著車輛軸重發(fā)展和鄰軸距的降低，存在對于中小跨度橋涵加載效應(yīng)偏低等問題;為提高設(shè)計列車荷載圖式效應(yīng)同時避免z的取值過大，研究提出了修訂方案，即中—活載(2010)圖式(圖6)，客貨共線鐵路z按1.0取用，不同軸重、載重等級的重載鐵路根據(jù)需求選取相應(yīng)等級系數(shù)。

圖6 中—活載(2010)圖式(距離以m計)

2 鐵路列車荷載圖式應(yīng)用建議

ZK，ZC，ZKH和ZH荷載圖式的普通荷載形式相同，均采用中間4個集中荷載來代表機(jī)車車輛軸重效應(yīng)、軸距和鄰軸距效應(yīng)，采用兩側(cè)均布荷載來代表車輛的延米重效應(yīng)，特種荷載主要用于提高小跨度橋涵結(jié)構(gòu)和影響線加載長度較短桿件的加載效應(yīng)。設(shè)計列車荷載效應(yīng)取普通荷載圖式和特種荷載圖式加載效應(yīng)的上限包絡(luò)值，詳見表1。設(shè)計時，可根據(jù)不同類型鐵路運輸特征、運營模式、移動裝備情況等綜合選用。

表1 鐵路列車荷載圖式

3 列車荷載圖式應(yīng)用中相關(guān)問題的說明

3.1 關(guān)于列車荷載圖式發(fā)展和儲備系數(shù)

國際鐵路聯(lián)盟在上世紀(jì)70年代研究制定Load Model71荷載圖式(簡稱UIC荷載)時，需要涵蓋6種類型的機(jī)車車輛，包括六軸機(jī)車(120 km/h，軸重21 t)、四軸貨車(120 km/h，軸重25 t)，六軸貨車(120 km/h、軸重21 t)、四軸客車(250 km/h，軸重15 t)、高速列車(300 km/h、軸重17 t)和特種貨車(80 km/h)。各類機(jī)車車輛在速度和軸重方面差異大，高速列車和客車自重輕、速度高、動力效應(yīng)大，貨車自重大、速度低、動力作用相對小。為避免統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)條件下設(shè)計列車荷載與運營列車荷載偏差大的情況，一方面提出可按照基本圖式的0.75，0.83，0.91，1.00，1.10，1.21，1.33和1.46的分級系數(shù)取用，另一方面提出在圖式選擇方面按照“設(shè)計荷載圖式靜效應(yīng)×設(shè)計動力系數(shù)＞運營車輛靜效應(yīng)×運營動力系數(shù)”的總體原則。值得注意的是，UIC規(guī)定的設(shè)計動力系數(shù)是列車動效應(yīng)的概化，無實際意義。

我國ZK荷載圖式和ZC荷載圖式中的普通荷載分別為0.8UIC和0.6UIC，動力系數(shù)也采用其相應(yīng)的規(guī)定。由于高速動車組運行條件下橋涵結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)與其自身動力特征相關(guān)，因此，在設(shè)計荷載、設(shè)計動力系數(shù)以及運營動車組參數(shù)基本確定的前提下，需通過改變結(jié)構(gòu)的自身動力參數(shù)來降低運營動力系數(shù)，尤其是對于常用跨度橋梁結(jié)構(gòu)。這也是我國《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》［12］和《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》［13］規(guī)定不同速度條件下梁體基頻限值的原因之一。如高速鐵路大量采用的32 m箱梁結(jié)構(gòu)，高速動車組運行條件下，可能達(dá)到的最大動力系數(shù)接近3.0(圖7)，“規(guī)范”采取了增大梁體頻率，提高共振響應(yīng)速度，將運營速度范圍內(nèi)梁體振動響應(yīng)和動力系數(shù)控制在合理范圍。對于客運專線鐵路，因列車荷載圖式還用來控制橋梁的剛度和變形等眾多指標(biāo)［9，14］，故不應(yīng)簡單地通過動車組靜荷載和荷載圖式的對比來說明荷載儲備的問題。設(shè)計應(yīng)用時，雖然可采用效應(yīng)較小的列車荷載圖式，但需要調(diào)整梁體剛度和基頻等參數(shù)與之相適應(yīng)。

圖7 不同基頻條件下梁體動力系數(shù)計算值與實測值對比

我國ZKH荷載圖式和ZH荷載圖式中的普通荷載是在UIC荷載的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國重載車輛特點進(jìn)行局部調(diào)整后提出的，并根據(jù)典型四軸貨車等制定了特種荷載?，F(xiàn)階段動力系數(shù)采用既有中—活載圖式配套動力系數(shù)，該動力系數(shù)是對大量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并按照一定的保證率取其包絡(luò)值制定的，具有實際意義。根據(jù)國內(nèi)外鐵路研究成果和運營實踐經(jīng)驗，設(shè)計選用活載圖式時，宜預(yù)留平均不少于20% 、最小不少于10% 的列車荷載發(fā)展和儲備系數(shù)。

3.2 關(guān)于列車荷載圖式加載長度

我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定荷載圖式加載長度根據(jù)加載需要確定，不限制加載長度，主要考慮既有客貨共線鐵路橋梁跨度一般在200 m以下，而運營列車的長度超過橋跨結(jié)構(gòu)。隨著鐵路運輸特征的變化，高速鐵路動車組一般采用8輛、16輛編組，城際鐵路動車組編組更靈活，列車長度相對較短;客貨共線鐵路和重載鐵路貨物列車牽引質(zhì)量呈增大的趨勢，大秦等重載鐵路大量開行2萬t編組的重載列車，并已完成3萬t編組試驗工作。目前，鐵路橋梁跨度已達(dá)到千米級，在建橋梁最大跨度達(dá)1 092 m。因此，一般情況下，荷載圖式加載長度按檢算項目的最不利工況進(jìn)行加載;對于高速鐵路和城際鐵路大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)橋梁跨度或加載長度超過運營列車的最大編組長度時，宜采用可能開行的最大列車編組長度。

3.3 關(guān)于客貨共線和重載鐵路雙線折減系數(shù)的取用

我國客貨共線鐵路多為單線和雙線鐵路，橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計時，單線按荷載圖式的全部效應(yīng)進(jìn)行計算，雙線采用0.9的折減系數(shù)。制定雙線折減系數(shù)主要考慮了雙線加載效應(yīng)同時達(dá)到最大時的概率問題。既有客貨列車主要是機(jī)車加載控制，雙線鐵路機(jī)車加載同時達(dá)到最大效應(yīng)的概率相對小，加之我國既有客貨共線鐵路橋涵結(jié)構(gòu)數(shù)量相對較少(約占線路總長的5% 以下)，雙線機(jī)車在橋上交會、加載效應(yīng)又同時達(dá)到最大的概率更小。目前，隨著貨運機(jī)車和車輛的發(fā)展，貨車豎向加載效應(yīng)整體大于機(jī)車效應(yīng);新建鐵路橋涵結(jié)構(gòu)占比也大幅提高，雙線鐵路運營列車效應(yīng)同時達(dá)到最大的概率顯著提升，成為常見運營工況。因此，新建客貨共線鐵路設(shè)計時，不宜再沿用既有的折減系數(shù)的規(guī)定，各線均應(yīng)計入列車荷載作用。對于貨物運輸方向固定的雙線重載鐵路，設(shè)計時可根據(jù)實際情況考慮相應(yīng)折減。

4 結(jié)語

鐵路列車對線路基礎(chǔ)設(shè)施的作用體現(xiàn)在豎向、橫向和縱向三個方向，我國既有中—Z活載圖式、中—活載圖式及配套的參數(shù)體系，較好地適應(yīng)了不同時期客貨共線鐵路運輸需要和發(fā)展。現(xiàn)階段，又提出了適用于不同運輸特征的鐵路列車荷載圖式，在后續(xù)工作中，還需進(jìn)一步開展配套豎向動力系數(shù)、橫向搖擺力和離心力、縱向牽引力和制動力的研究工作。

［1］American Railway Engineering and Maintenance－of－Way Association.Manual for rail way engineering［S］.Lanham:AREMA，2010.

［2］UIC.UIC CODE 776－1Load to be Considered in Railway Bridge Design［S］.Paris:UIC，2006.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］鐵道部科學(xué)研究院.高速鐵路活載圖式的研究報告［R］.北京:鐵道部科學(xué)研究院，1996.

［5］中國鐵道科學(xué)研究院.客貨共線和貨運鐵路橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)研究報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2005.

［6］中國鐵道科學(xué)研究院.鐵路中—活載圖式修訂和分級標(biāo)準(zhǔn)研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2005.

［7］胡所亭.鐵路重載條件下橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)研究［D］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2013.

［8］鐵道部科學(xué)研究院.25噸軸重作用下軌道橋梁承受狀態(tài)及列車活載圖式——列車活載圖式研究報告［R］.北京:鐵道部科學(xué)研究院，1994.

［9］中國鐵道科學(xué)研究院.時速250公里以下客運專線鐵路(城際鐵路)設(shè)計活載及橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2010.

［10］中國鐵道科學(xué)研究院.重載鐵路軸重發(fā)展目標(biāo)值及軸重分類［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2010.

［11］中國鐵道科學(xué)研究院.《鐵路主要技術(shù)政策》專題研究之六——鐵路重載運輸發(fā)展研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2012.

［12］國家鐵路局.TB 10621—2014高速鐵路設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2015.

［13］國家鐵路局.TB 10623—2014城際鐵路設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2015.

［14］中國鐵道科學(xué)研究院.客運專線鐵路常用跨度橋梁結(jié)構(gòu)剛度和基頻標(biāo)準(zhǔn)研究報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2009.

Research and application on railway train load pattern in China

HU Suoting1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High－speed Railway，Beijing100081，China)

W ith the development of railway transportation in China，there are great differences in axle load，speed，transport density of the trains on different type of lines，which means single train load pattern cannot correctly reflect the railway transport in such new situation.The research and development history of China railway train load pattern was reviewed in this paper，applicable range of various load pattern and problems that need to be paid attention to in applicationwere introduced，andsome further researchissues including trainvertical dynamic action，train longitudinal force and etc.were proposed.

T rain load pattern;Development history;Application

U441+.2

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.05

(責(zé)任審編 孟慶伶)

1003－1995(2015)10－0026－05

2015－09－11;

2015－09－20

胡所亭(1980—)，男，副研究員，博士。