胡所亭，牛 斌，柯在田

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

世界重載運(yùn)輸發(fā)達(dá)的國家普遍認(rèn)為，大軸重的單元或大宗列車具有較好的經(jīng)濟(jì)性。國外重載運(yùn)輸多是在未對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模投資建設(shè)情況下，通過對既有鐵路的改造、采用預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修體制和完善輪軌管理等措施實現(xiàn)的。由于各國鐵路既有線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、工藝水平存在差異，線路改造后運(yùn)營的貨車軸重也具有較大的差異。國外重載鐵路開行的貨車軸重大多集中在28.0～32.5 t之間，最大軸重可達(dá)40 t。我國既有線設(shè)計、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相對低且不統(tǒng)一，比國外單一線路情況復(fù)雜。目前，我國鐵路開行的普通貨車軸重為21～23 t，運(yùn)煤專用貨車軸重為25 t，與重載運(yùn)輸發(fā)達(dá)國家相比具有一定差距，重載列車和普通貨車軸重均有一定的提高空間。

我國既有鐵路橋涵大量采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，常用跨度橋梁一般采用鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土雙片式T梁結(jié)構(gòu)，兩片T梁間多采用橫隔板聯(lián)結(jié)，部分20m以下的雙片式T梁無橫向聯(lián)結(jié)。橋梁的類型以混凝土梁為主，6 m及以下跨度一般采用鋼筋混凝土蓋板涵或框架涵;鋼筋混凝土梁跨度多為8～20m;預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨度多為12～40m，其中絕大部分為16 m，24 m和32 m梁;更大跨度多采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。跨度40m及以下的鋼橋多采用簡支鋼板梁橋，40m以上的跨度多采用穿式或半穿式鋼桁梁橋。

貨車軸重的提高，相應(yīng)加大了作用在軌道、橋梁和路基等結(jié)構(gòu)上的荷載，需要評估基礎(chǔ)設(shè)施的適應(yīng)性問題，特別是橋梁承載能力。原則上既有線開行的重載列車效應(yīng)不宜超過結(jié)構(gòu)物的設(shè)計活載效應(yīng)，以避免對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大范圍的改造或大幅增加運(yùn)營期間養(yǎng)護(hù)維修工作量。通過介紹我國鐵路設(shè)計活載標(biāo)準(zhǔn)和貨車的發(fā)展歷程，對運(yùn)行不同軸重貨車作用下1～200m跨度的橋梁活載效應(yīng)進(jìn)行對比分析，結(jié)合既有研究成果分析了既有橋涵開行大軸重貨車需要解決的關(guān)鍵問題，并提出了我國既有線開行的貨車軸重和參數(shù)建議值。

1 我國鐵路設(shè)計活載標(biāo)準(zhǔn)和貨車發(fā)展歷程

鐵路列車活載圖式是設(shè)計各類鐵路工程結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也是橋梁設(shè)計的核心參數(shù)。新中國成立以來，我國《鐵路橋涵設(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“規(guī)范”采用中-Z活載圖式(圖1)，按鐵路不同等級分別采用中-22～中-26級活載圖式;1959年“規(guī)范”沿用中-Z活載圖式，按鐵路不同等級分別采用中-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)。中—活載圖式主要源自中-Z活載圖式系列的中-22級，但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，將特種活載軸重由242 kN提高至250 kN。為適應(yīng)新時期鐵路運(yùn)輸發(fā)展的需要，鐵道部于2004年立項研究客貨共線和貨運(yùn)鐵路橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)，分析了現(xiàn)行“中—活載圖式”實施30多年的工程實踐效果和鐵路運(yùn)輸發(fā)展趨勢，新的圖式選型上與國際UIC圖式接軌，并研究制訂了適用于我國不同線路特征的新中—活載圖式。

圖1 中-Z活載圖式(長度單位:m)

圖2 中-活載圖式(長度單位:m)

在貨車制造技術(shù)方面，新中國成立初期，我國自行研制了第1代鐵路貨物列車，包括 C1、P1、P3、N1和G3等型車，其中C1和P1為當(dāng)時主型貨車，軸重分別為10.88 t和11.60 t。20世紀(jì)50年代，研制了第2代貨車C50和P50，軸重分別為17.5 t和17.9 t。20世紀(jì)60年代—80年代，研制了C62和C64貨車，軸重分別為20.15 t和20.88 t。21世紀(jì)初，研制了軸重23 t、速度120 km/h、載重70 t級的新型通用貨車，并于2006年全面推廣應(yīng)用70 t級貨車，并停止生產(chǎn)60 t級貨車;同時針對重載運(yùn)輸需求，研制了以 C80(H)、C80B(BH)、C80AH、C80C為代表的新型25 t軸重運(yùn)煤專用敞車。近年來，針對我國重載鐵路領(lǐng)域新的發(fā)展需求，鐵道部開展了大軸重貨車技術(shù)等相關(guān)研究，并提出了《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件(暫行)》。

圖3 鐵路貨車軸式(長度單位:m)

2 C70和C80貨車作用下橋涵結(jié)構(gòu)豎向承載適應(yīng)性分析

針對既有采用“中—活載”圖式設(shè)計的橋涵結(jié)構(gòu)，以設(shè)計活載圖式靜效應(yīng)為基準(zhǔn)，分別計算了C70貨車和C80貨車運(yùn)行條件下(圖3)，1～200m跨度范圍橋涵截面彎矩和剪力靜效應(yīng)比值(圖4和表1)。C70貨車作用下，1～200m跨度橋梁截面彎矩和剪力靜效應(yīng)分別為設(shè)計效應(yīng)的0.67～0.92和0.70～0.92，平均靜效應(yīng)比值為0.75。C80貨車作用下，受軸重加載控制，跨度3 m及以下的小跨度橋涵活載效應(yīng)與設(shè)計效應(yīng)相同;受貨車均布荷載加載控制，跨度140m及以上的大跨度橋梁活載效應(yīng)超過設(shè)計效應(yīng);1～200m跨度橋梁截面彎矩和剪力靜效應(yīng)分別為設(shè)計效應(yīng)的0.82～1.02和0.85～1.00，平均靜效應(yīng)比值為0.91。

目前，我國鐵路已全面開行了23 t軸重的通用貨車，從理論分析和運(yùn)營實踐看，橋涵結(jié)構(gòu)在豎向承載能力方面能夠適應(yīng)23 t軸重貨車的開行。大秦線已開行了25 t軸重的專用貨車，該貨車單節(jié)車體長度為12.0m，均布荷載達(dá)83.3 kN/m，超過中—活載圖式中的代表車輛的均布荷載(80.0 kN/m);但由于大秦線橋梁全部為跨度32 m及以下的混凝土結(jié)構(gòu)，中—活載圖式中代表煤水車的均布荷載(92.0 kN/m)更為控制橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計，即除小跨度橋涵運(yùn)營活載效應(yīng)達(dá)到設(shè)計效應(yīng)外，大秦線其余跨度橋涵尚具有少量的活載儲備量。通過逐步對小跨度橋涵進(jìn)行強(qiáng)化改造，大秦線橋涵結(jié)構(gòu)豎向承載方面基本適應(yīng)25 t軸重的專用貨車的開行;但若在既有鐵路全面開行C80貨車，尚需要解決鋼梁橋桿(構(gòu)件)和大跨度橋梁受力問題。

圖4 貨車車輛與設(shè)計活載作用下橋涵靜效應(yīng)對比

表1 貨車與設(shè)計活載作用下橋涵靜效應(yīng)對比

3 大軸重貨車作用下橋涵結(jié)構(gòu)豎向承載適應(yīng)性分析

我國《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件(暫行)》規(guī)定了25 t以上的貨車固定軸距為1.86 m。針對既有采用“中—活載”圖式設(shè)計的橋涵結(jié)構(gòu)，以軸重27 t、軸距1.86 m的貨車為例，分別考慮鄰軸距和車體定距(圖5)變化時，計算1～200m跨度范圍橋涵截面彎矩和剪力靜效應(yīng)比值，分析車輛鄰軸距、定距和車體長度等參數(shù)對橋涵受力產(chǎn)生的影響。從圖6可以看出:①車輛軸距確定、其余參數(shù)變化的情況下，跨度5m及以下的橋涵靜效應(yīng)比值保持不變，即車輛軸距主要影響5m及以下跨度橋涵受力;②鄰軸距確定、其余參數(shù)變化情況下，跨度20m以下的橋涵靜效應(yīng)比值基本保持不變，即車輛鄰軸距主要影響6～20m范圍的橋梁受力;③隨著車輛鄰軸距和定距的增大，車體長度相應(yīng)增加，對跨度20m以上的橋涵結(jié)構(gòu)影響相應(yīng)降低。

圖5 鐵路貨車軸式定義

圖6 車輛參數(shù)對橋涵結(jié)構(gòu)的影響

3.1 5m及以下跨度橋涵適應(yīng)性分析

受軸重、軸距加載控制，大軸重貨車對小跨度橋涵影響最為顯著。在27 t軸重、1.86 m軸距貨車作用下，1～5m跨度橋涵的運(yùn)營活載效應(yīng)與設(shè)計活載效應(yīng)的比值分別為 1.08，1.08，1.08，0.99，0.97，其中 1 ～3 m跨度橋涵超過設(shè)計活載效應(yīng)的8%。同時，由于重載列車作用下，小跨度橋涵的疲勞次數(shù)將進(jìn)一步增加，其受力更為不利;大秦線運(yùn)營實踐也表明，25 t貨車開行的條件下，橋涵結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)性。因此，大軸重貨車開行前，應(yīng)對該部分橋涵進(jìn)行評估和強(qiáng)化改造。

3.2 跨度6～20m橋梁適應(yīng)性分析

跨度6～20m的橋梁受鄰軸距加載控制，不同鄰軸距的27 t軸重貨車與設(shè)計靜效應(yīng)對比結(jié)果如圖7，可以看出，隨著鄰軸距加大，運(yùn)營活載與設(shè)計活載靜效應(yīng)比值相應(yīng)降低;其中，鄰軸距為1.94 m，2.25m，2.50m，2.94 m時，靜效應(yīng)比值分別在0.90～1.03、0.88～0.98，0.87～0.95和0.85～0.91。我國既有鐵路存在大量的跨度6～20m橋梁結(jié)構(gòu)，大軸重貨車的開行應(yīng)以不改造或少量改造該部分橋梁為原則。根據(jù)我國《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》中雙線橋梁設(shè)計活載按0.90折減的規(guī)定，同時參考C80專用貨車靜效應(yīng)比值，新型27 t軸重貨車的鄰軸距不宜小于2.94 m。

圖7 鄰軸距參數(shù)對跨度6～20m橋梁結(jié)構(gòu)影響

3.3 跨度20m以上橋梁適應(yīng)性分析

圖8 車體長度參數(shù)對跨度20m以上橋梁結(jié)構(gòu)影響

跨度20m以上橋梁受貨車均布荷載加載控制，不同車體長度的27 t軸重貨車與設(shè)計靜效應(yīng)對比結(jié)果如圖8，可以看出，隨著車體長度的增加，運(yùn)營活載與設(shè)計活載靜效應(yīng)比值相應(yīng)降低，車體長度為13.0m，13.5m，14.0m，14.5m和15.0m時，靜效應(yīng)比值分別在 0.85～1.02，0.84～0.98，0.82～0.95，0.80～0.92和0.78～0.89之間。根據(jù)我國《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》中雙線橋梁設(shè)計活載按0.90折減的規(guī)定，新型27 t軸重貨車的車體長度不宜小于15.0m;考慮到既有鐵路跨度100.0m以上的橋梁多為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，且原設(shè)計加載計算時中—活載圖式可任意截取，偏于安全，建議新型27 t軸重貨車的車體長度不小于14.0m。

3.4 大軸重貨車運(yùn)行條件下橋梁動力系數(shù)分析

我國鐵路橋梁通過設(shè)計動力系數(shù)(1+μ)考慮活載的動力效應(yīng)，鐵路橋梁規(guī)范規(guī)定的動力系數(shù)是根據(jù)大量實測動力系數(shù)擬合得到的。規(guī)范修訂時，考慮到鐵路機(jī)車類型已由蒸汽機(jī)車向內(nèi)燃和電力機(jī)車過渡，適當(dāng)降低了動力系數(shù)取值。針對各種貨車車型運(yùn)行條件下的橋梁動力系數(shù)進(jìn)行了仿真分析(圖9)，結(jié)果表明，除小跨度橋梁理論計算值明顯大于規(guī)范值以外，其余跨度理論值和規(guī)范值基本吻合，受車輛長度、轉(zhuǎn)向架動力性能影響，不同貨車運(yùn)行條件下動力系數(shù)具有一定的差異。

圖9 不同跨度混凝土橋梁動力系數(shù)對比

綜上，大軸重貨車各項參數(shù)對于橋涵結(jié)構(gòu)受力具有直接的影響，對于27 t軸重的通用貨車(圖10)，除需對跨度5m及以下的橋涵進(jìn)行豎向強(qiáng)化改造和對鋼梁橋桿(構(gòu)件)進(jìn)行評估外，既有鐵路橋涵的豎向承載力理論上能夠滿足27 t軸重的通用貨車開行(圖11)要求。

圖1027 t軸重通用貨車參數(shù)建議(單位:m)

圖11 27 t軸重通用貨車與設(shè)計活載作用下橋涵靜效應(yīng)對比

4 既有鐵路橋涵開行大軸重貨車需解決的關(guān)鍵問題

既有橋涵對重載貨物列車適應(yīng)性是一個涉及范圍很廣泛的問題，需要綜合考慮橋涵當(dāng)初的設(shè)計荷載和標(biāo)準(zhǔn)、建造年代、材料、制造工藝水平、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計、設(shè)計的安全余量，以及在長期使用中由于列車荷載作用和環(huán)境影響及偶發(fā)事件引起的橋梁損傷等諸多因素。貨物列車提高軸重對于橋涵結(jié)構(gòu)的作用表現(xiàn)在豎向、橫向和縱向三個方面，開行大軸重貨車需要解決以下關(guān)鍵問題。

1)貨物列車對于橋梁豎向的影響包括承載能力和疲勞性能兩方面。其中，承載能力受影響較大的結(jié)構(gòu)為小跨度鋼筋混凝土橋涵(分片式蓋板涵尤為突出)、16～32 m的全預(yù)應(yīng)力混凝土梁(抗裂性控制)及墩臺基礎(chǔ);疲勞性能受影響較大的結(jié)構(gòu)為小跨度橋涵和鋼梁結(jié)構(gòu)。

2)貨物列車對于橋梁橫向的影響主要表現(xiàn)在引起橋梁結(jié)構(gòu)較大的橫向振動，且影響行車安全。受影響較大的結(jié)構(gòu)為雙片式并置梁、中高型橋墩及采用橡膠支座的橋梁等。

3)貨物列車對于橋梁縱向的影響主要表現(xiàn)在橋梁支座和墩臺縱向受力方面。我國既有橋梁下部結(jié)構(gòu)承受的縱向作用力主要考慮列車牽引和制動，在量值上統(tǒng)一按豎向荷載的10%考慮。隨著貨車軸重的提高和同步制動性能改善，列車產(chǎn)生的縱向荷載已達(dá)到或超過設(shè)計值，橋梁支座及墩臺病害日益突出。

此外，針對既有鐵路橋梁調(diào)研表明，修建于20世紀(jì)60年代及以前的橋涵結(jié)構(gòu)耐久性病害逐步凸顯，在外觀上主要表現(xiàn)在梁體表面混凝土剝落、鋼筋銹蝕和支座鋼板銹蝕等;既有梁體檢測結(jié)果表明混凝土碳化深度已達(dá)到(部分超過)鋼筋保護(hù)層厚度，需特別予以關(guān)注。

5 結(jié)語

提高貨車軸重能顯著提高運(yùn)輸效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)性;與國外相比，我國鐵路貨車軸重具有一定的提高空間，通過發(fā)展更大軸重貨車以滿足鐵路貨運(yùn)需求是必要的。根據(jù)理論分析結(jié)果，結(jié)合大秦線運(yùn)營實踐及我國鐵路橋涵運(yùn)營現(xiàn)狀，建議我國新型27 t軸重貨車鄰軸距不小于2.94 m、車體長度不小于14.0m。除需對既有鐵路跨度5m及以下的橋涵進(jìn)行豎向強(qiáng)化改造和對鋼梁橋桿(構(gòu)件)進(jìn)行評估外，橋涵結(jié)構(gòu)的豎向承載力理論上能夠滿足27 t軸重的通用貨車開行。由于需要綜合考慮既有鐵路橋涵當(dāng)初的標(biāo)準(zhǔn)、建造情況及使用中結(jié)構(gòu)損傷病害等因素，在既有鐵路提高貨車軸重的過程中還需要開展系列的試驗研究和長期監(jiān)測工作。

［1］中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.大秦線年運(yùn)量2億噸條件下橋梁結(jié)構(gòu)加固和壽命評估試驗研究報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2011.

［2］中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.重載鐵路發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)深化研究報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2011.

［3］中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.新建煤運(yùn)通道設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)參數(shù)研究報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2011.

［4］中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.客貨分線后線橋隧適應(yīng)貨運(yùn)重載關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)運(yùn)輸模式研究報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2011.

［5］耿志修.大秦鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［6］中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，適用于新活載標(biāo)準(zhǔn)的鐵路橋梁設(shè)計動力系數(shù)研究報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2011.

［7］牛斌，胡所亭，魏峰，等.重載鐵路橋梁評估與加固技術(shù)［C］//第十九屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集.上海:人民交通出版社，2010.

［8］中國人民共和國鐵道部.鐵科技［2012］154號 大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2012.

［9］胡所亭，牛斌，柯在田.我國既有鐵路橋涵對開行大功率機(jī)車適應(yīng)性分析［J］.鐵道建筑，2013(2):1-4.