大軸重列車對既有線簡支 T梁的靜力影響研究

孔德艷

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

1 概述

鐵路重載運輸指在一定的技術(shù)裝備條件下,采用大功率機車(一臺或幾臺)牽引重載列車的運輸方式。從世界鐵路重載化運輸?shù)陌l(fā)展方向看,提高軸重、降低貨車自重已經(jīng)成為重載化的發(fā)展方向,不失為一種高效的重載化方案。提高軸重可以在現(xiàn)有到發(fā)線有效長度不變的情況下,提高牽引質(zhì)量,從而提高運輸能力。我國重載鐵路與世界先進(jìn)水平的差距,主要體現(xiàn)在提高軸重、降低貨車自重這兩方面存在不足,具體體現(xiàn)在橋梁設(shè)計方面就是荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低,設(shè)計荷載均采用中-活載。隨著重載的發(fā)展,軸重的提高,勢必對既有鐵路橋梁帶來極大的影響。因此在重載作用下,對既有鐵路橋梁的承載能力進(jìn)行適應(yīng)性分析是必要的。

本文以朔黃鐵路為工程背景,朔黃鐵路是一條以運煤為主的重載鐵路,起于山西省朔縣,經(jīng)由山西省、河北省、天津市,終止于河北省黃驊港,正線全長 585 km。朔黃鐵路全線共有橋梁 243座,共55 260延長米,橋梁設(shè)計荷載為中-活載。橋梁主要采用了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的梁和墩臺,個別橋梁采用了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁和鋼桁梁等結(jié)構(gòu)。全線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支 T梁占全線的比重為 85%左右,主要采用兩種梁型,即普通高度標(biāo)準(zhǔn)梁專橋 2059和超低高度梁叁橋 2005,跨度以 24、32m為主,因此本文著重對其進(jìn)行不同軸重重載分析。

2 計算荷載

朔黃鐵路所采用的簡支梁均采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,人行道按最寬的 1.55m設(shè)計,道砟厚度自軌底至梁頂按0.25m設(shè)計,這兩項重力參數(shù)在開行萬噸重載列車時按不會變化考慮。鋼軌和枕木將更換,鋼軌由 75 kg/m軌更換為 PDⅢ型 75 kg/m軌,鋼軌的材質(zhì)變化、重力的變化可忽略不計。朔黃鐵路現(xiàn)鋪設(shè)有Ⅱ型及Ⅲ型預(yù)應(yīng)力混凝土枕,開行萬噸重載列車后將全部更換為Ⅲ型預(yù)應(yīng)力混凝土枕,Ⅲ型枕相比Ⅱ型枕每延米增加重力 0.18 kN,約為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中的 5%,因所占比例較小,所以更換枕木對二期恒載的影響可不考慮[2]。

目前,大秦線運行的萬噸重載列車采用了 C80車,每節(jié)車輛長度 12.00m,軸重 250 kN,車輛活載圖式見圖1。根據(jù)鐵道部科學(xué)研究院研究報告[1],控制橋梁設(shè)計的重載列車活載為兩邊83.4 kN/m無限長均布荷載,中間一臺 DF4內(nèi)燃機車軸式、軸重 250 kN,計算圖式見圖2。顯然,C80重載單元列車已經(jīng)超過了中-活載圖式的 80 kN/m標(biāo)準(zhǔn)。中-活載圖式標(biāo)準(zhǔn)相對250 kN軸重重載列車來講,等級偏低。單一的中-活載圖式已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前鐵路重載列車活載特征。由于目前我國還沒有明確給出重載荷載圖式,本文結(jié)合國內(nèi)既有的科研成果和對未來重載車輛的參數(shù)預(yù)測,擬定出關(guān)于軸重 280、300、330 kN的荷載參數(shù),機車荷載本文仍然采用中間一臺 DF4內(nèi)燃機車軸式、軸重 250 kN,具體參數(shù)見表1。計算荷載圖式類比于 C80車輛荷載圖式,將兩邊無限長的均布荷載針對不同軸重分別提高到 93.4、100、110kN/m。

圖1 C 80車輛荷載圖式(單位:mm)

圖2 C 80控制橋梁設(shè)計的重載列車荷載圖式(單位:m)

3 簡支 T梁強度、抗裂性分析

隨著梁體的荷載加大,應(yīng)對梁體的自身承載能力進(jìn)行檢算,重點分析梁體在軸重 250、280、300、330 kN車輛荷載作用下,其應(yīng)力、抗裂安全系數(shù)、強度安全系數(shù)指標(biāo)的狀況,以評定梁體在重載作用下是否具備正常使用基本條件。

表1 車輛及荷載參數(shù)

本文采用 BSAS結(jié)構(gòu)分析軟件,針對重載 250～330kN工況 ,對專橋 2059、叁橋 2005跨度 24、32m直、曲線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支 T梁強度、抗裂性進(jìn)行了計算,計算結(jié)果見表2、表3。

表2 專橋 2059跨度 24、32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支 T梁強度、抗裂性計算

專橋 2059 32 m直、曲線簡支 T梁在軸重 250～330 kN荷載作用下梁體跨中下翼緣應(yīng)力均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,梁體的抗裂安全系數(shù)及強度安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,即重載作用下 32m簡支 T梁強度、抗裂性均滿足規(guī)范要求。專橋 2059 24m直線簡支 T梁在軸重250～330 kN荷載作用下應(yīng)力、強度及抗裂性安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。24m曲線梁在軸重 330 kN車輛荷載作用下梁體跨中混凝土下翼緣出現(xiàn)了拉應(yīng)力,同時強度安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

表3 叁橋 2005跨度 24、32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支 T梁強度、抗裂性計算

叁橋 2005 32、24 m超低高度直線簡支 T梁在軸重 250～330kN車輛荷載作用下梁體跨中下翼緣應(yīng)力均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,梁體的抗裂安全系數(shù)及強度安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。32、24m超低高度的曲線簡支T梁在軸重 330 kN車輛荷載作用下梁體下翼緣出現(xiàn)了拉應(yīng)力,抗裂安全系數(shù)不能滿足規(guī)范的要求。

4 簡支 T梁剛度分析

列車的軸重由 250 kN加大到 330 kN,隨著列車密度、牽引質(zhì)量的增加,加大了活載對橋梁沖擊頻率[3],首先應(yīng)關(guān)注梁體在靜活載作用下梁體的豎向位移是否滿足設(shè)計要求,本文針對專橋 2059、叁橋 2005中 24、32m單片簡支 T梁進(jìn)行了梁體的豎向位移計算,計算結(jié)果如表4所示。

表4 24、32m單片簡支 T梁豎向撓跨比計算

從上面所列的梁體豎向剛度計算及評定的指標(biāo)可以看出:隨著上部活載的增大,梁體的豎向剛度表現(xiàn)為遞減的趨勢,從計算的結(jié)果來看,對于專橋 2059跨度24、32m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支 T梁在軸重 250、280、300、330 kN車輛荷載作用下梁體的豎向撓跨比均滿足規(guī)范要求限值 L/800,且剛度均有一定的儲備;對于叁橋 2005 24、32m超低高度的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支 T梁在不同噸位靜活載作用下,梁體的豎向剛度儲備均很弱,在軸重 330 kN車輛荷載作用下梁體的豎向剛度不滿足規(guī)范限值要求。因此在既有線提高荷載標(biāo)準(zhǔn)時,對于超低高度梁由于自身剛度較弱應(yīng)慎重。

5 簡支 T梁的橋面板局部承壓分析

簡支 T梁標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中橋面板的列車活載按 3個軸重 250kN的特種活載設(shè)計,因其軸重與 C80車輛荷載250 kN重載列車軸重相同,距離相比更小,因此 250 kN列車活載的變化對簡支梁橋面板無影響[2]。但隨著重載列車軸重的加大,有必要對簡支 T梁的橋面板進(jìn)行局部承壓檢算分析。由于專橋 2059和叁橋 2005簡支 T梁橋面板厚度相近,因此本文僅對專橋 2059的普通高度 T梁的橋面板進(jìn)行了重載計算。

計算恒載考慮了線路設(shè)備道砟等重力、橋面板自重、人行道支架重、人行道板重。計算活載分別考慮了軸重 250、280、300、330 kN車輛荷載,人行道豎向靜活載;檢算部位為內(nèi)懸臂板和外懸臂板,檢算控制截面為位于厚度變化處及懸臂根部,懸臂板的厚度為 12～20.5 cm。計算結(jié)果見表5。

表5 專橋 2059跨度 24、32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋面板應(yīng)力計算

從以上的計算結(jié)果可以看出:檢算軸重 250、280、300、330 kN列車荷載作用下橋面板的混凝土壓應(yīng)力均在規(guī)范容許范圍內(nèi),在軸重 250、280 kN列車荷載作用下鋼筋應(yīng)力及混凝土的裂縫均沒有超過規(guī)范容許值的 5%。在軸重 300、330kN列車荷載作用下曲線梁的外懸臂板根部的鋼筋應(yīng)力及混凝土的裂縫均超限值。在軸重 330 kN列車荷載作用下內(nèi)懸臂板的根部鋼筋應(yīng)力及混凝土的裂縫均超過容許限值,不能達(dá)到局部承壓的要求。

6 結(jié)論

32、24m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支 T梁在重載作用下,梁體的豎向剛度大部分滿足規(guī)范要求;僅 32m超低高度簡支 T梁在軸重 330 kN荷載作用下,曲線梁豎向剛度不滿足規(guī)范要求。從計算結(jié)果來看,超低高度梁的豎向剛度安全儲備較低,因此在既有線提高荷載標(biāo)準(zhǔn)時,對于超低高度梁應(yīng)特別慎重地對待。在重載作用下也僅在軸重 330 kN荷載作用下簡支 T梁體的應(yīng)力及抗裂性不能滿足規(guī)范要求。

在 300、330 kN荷載作用下,梁體的橋面板的鋼筋應(yīng)力及混凝土的裂縫均超出規(guī)范限值,因此既有線重載運輸當(dāng)車輛軸重超過 300 kN時,梁體的橋面板均需要進(jìn)行加固。

當(dāng)車輛的軸重達(dá)到 330 kN時,對于預(yù)應(yīng)力混凝土簡支 T梁,需要全面的加固;車輛的軸重達(dá)到 280 kN時,雖然各項指標(biāo)都滿足規(guī)范要求,但對提高運能的作用不顯著;車輛的軸重達(dá)到 300 kN時,僅需對橋面板進(jìn)行加固,因此既有朔黃鐵路重載運輸?shù)妮S重提高到300 kN是較為適宜的。

另外,開行大軸重重載列車,采用新型機車、車輛和軌道結(jié)構(gòu),機車、車輛在通過橋梁時運行平穩(wěn)性和安全性參數(shù)將發(fā)生變化,尚需對其不同行車速度情況下車線橋動力特性和列車走行性進(jìn)行分析研究。列車軸重越大,應(yīng)力循環(huán)的幅值越大,將直接導(dǎo)致疲勞損傷加劇,降低橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,因此還需研究既有橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

[1] 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)荷載研究鐵路中-活載圖式修訂和分級標(biāo)準(zhǔn)研究[R].北京:2005.

[2] 左家強.大秦鐵路開行 2萬 t級重載列車對既有橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2006(1):43-44.

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[7] 鐵科技函[2006]60號,關(guān)于印發(fā)鐵路橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)的研究科研成果評審意見的通知[S].

[8] TB10002.1—2005,鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].

[9] TB10002.3—2005,鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].