我國既有鐵路橋涵對大軸重貨車開行適應性分析

胡所亭，牛 斌，柯在田

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

世界重載運輸發達的國家普遍認為，大軸重的單元或大宗列車具有較好的經濟性。國外重載運輸多是在未對基礎設施進行大規模投資建設情況下，通過對既有鐵路的改造、采用預防性養護維修體制和完善輪軌管理等措施實現的。由于各國鐵路既有線設計標準、工藝水平存在差異，線路改造后運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40 t。我國既有線設計、建設標準相對低且不統一，比國外單一線路情況復雜。目前，我國鐵路開行的普通貨車軸重為21～23 t，運煤專用貨車軸重為25 t，與重載運輸發達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準設計，常用跨度橋梁一般采用鋼筋混凝土或預應力混凝土雙片式T梁結構，兩片T梁間多采用橫隔板聯結，部分20m以下的雙片式T梁無橫向聯結。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;預應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;更大跨度多采用預應力混凝土連續梁橋。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，相應加大了作用在軌道、橋梁和路基等結構上的荷載，需要評估基礎設施的適應性問題，特別是橋梁承載能力。原則上既有線開行的重載列車效應不宜超過結構物的設計活載效應，以避免對基礎設施進行大范圍的改造或大幅增加運營期間養護維修工作量。通過介紹我國鐵路設計活載標準和貨車的發展歷程，對運行不同軸重貨車作用下1～200m跨度的橋梁活載效應進行對比分析，結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鍵問題，并提出了我國既有線開行的貨車軸重和參數建議值。

1 我國鐵路設計活載標準和貨車發展歷程

鐵路列車活載圖式是設計各類鐵路工程結構的技術標準，也是橋梁設計的核心參數。新中國成立以來，我國《鐵路橋涵設計規范》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“規范”統一采用中—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。為適應新時期鐵路運輸發展的需要，鐵道部于2004年立項研究客貨共線和貨運鐵路橋梁活載標準，分析了現行“中—活載圖式”實施30多年的工程實踐效果和鐵路運輸發展趨勢，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為當時主型貨車，軸重分別為10.88 t和11.60 t。20世紀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年全面推廣應用70 t級貨車，并停止生產60 t級貨車;同時針對重載運輸需求，研制了以 C80(H)、C80B(BH)、C80AH、C80C為代表的新型25 t軸重運煤專用敞車。近年來，針對我國重載鐵路領域新的發展需求，鐵道部開展了大軸重貨車技術等相關研究，并提出了《大軸重鐵路貨車總體技術條件(暫行)》。

圖3 鐵路貨車軸式(長度單位:m)

2 C70和C80貨車作用下橋涵結構豎向承載適應性分析

針對既有采用“中—活載”圖式設計的橋涵結構，以設計活載圖式靜效應為基準，分別計算了C70貨車和C80貨車運行條件下(圖3)，1～200m跨度范圍橋涵截面彎矩和剪力靜效應比值(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分別為設計效應的0.67～0.92和0.70～0.92，平均靜效應比值為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與設計效應相同;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超過設計效應;1～200m跨度橋梁截面彎矩和剪力靜效應分別為設計效應的0.82～1.02和0.85～1.00，平均靜效應比值為0.91。

目前，我國鐵路已全面開行了23 t軸重的通用貨車，從理論分析和運營實踐看，橋涵結構在豎向承載能力方面能夠適應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，該貨車單節車體長度為12.0m，均布荷載達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及以下的混凝土結構，中—活載圖式中代表煤水車的均布荷載(92.0 kN/m)更為控制橋涵結構設計，即除小跨度橋涵運營活載效應達到設計效應外，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行強化改造，大秦線橋涵結構豎向承載方面基本適應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(構件)和大跨度橋梁受力問題。

圖4 貨車車輛與設計活載作用下橋涵靜效應對比

表1 貨車與設計活載作用下橋涵靜效應對比

3 大軸重貨車作用下橋涵結構豎向承載適應性分析

我國《大軸重鐵路貨車總體技術條件(暫行)》規定了25 t以上的貨車固定軸距為1.86 m。針對既有采用“中—活載”圖式設計的橋涵結構，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比值，分析車輛鄰軸距、定距和車體長度等參數對橋涵受力產生的影響。從圖6可以看出:①車輛軸距確定、其余參數變化的情況下，跨度5m及以下的橋涵靜效應比值保持不變，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、其余參數變化情況下，跨度20m以下的橋涵靜效應比值基本保持不變，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，車體長度相應增加，對跨度20m以上的橋涵結構影響相應降低。

圖5 鐵路貨車軸式定義

圖6 車輛參數對橋涵結構的影響

3.1 5m及以下跨度橋涵適應性分析

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跨度橋涵的運營活載效應與設計活載效應的比值分別為 1.08，1.08，1.08，0.99，0.97，其中 1 ～3 m跨度橋涵超過設計活載效應的8%。同時，由于重載列車作用下，小跨度橋涵的疲勞次數將進一步增加，其受力更為不利;大秦線運營實踐也表明，25 t貨車開行的條件下，橋涵結構呈現出明顯的不適應性。因此，大軸重貨車開行前，應對該部分橋涵進行評估和強化改造。

3.2 跨度6～20m橋梁適應性分析

跨度6～20m的橋梁受鄰軸距加載控制，不同鄰軸距的27 t軸重貨車與設計靜效應對比結果如圖7，可以看出，隨著鄰軸距加大，運營活載與設計活載靜效應比值相應降低;其中，鄰軸距為1.94 m，2.25m，2.50m，2.94 m時，靜效應比值分別在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橋梁結構，大軸重貨車的開行應以不改造或少量改造該部分橋梁為原則。根據我國《鐵路橋涵設計基本規范》中雙線橋梁設計活載按0.90折減的規定，同時參考C80專用貨車靜效應比值，新型27 t軸重貨車的鄰軸距不宜小于2.94 m。

圖7 鄰軸距參數對跨度6～20m橋梁結構影響

3.3 跨度20m以上橋梁適應性分析

圖8 車體長度參數對跨度20m以上橋梁結構影響

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軸重貨車與設計靜效應對比結果如圖8，可以看出，隨著車體長度的增加，運營活載與設計活載靜效應比值相應降低，車體長度為13.0m，13.5m，14.0m，14.5m和15.0m時，靜效應比值分別在 0.85～1.02，0.84～0.98，0.82～0.95，0.80～0.92和0.78～0.89之間。根據我國《鐵路橋涵設計基本規范》中雙線橋梁設計活載按0.90折減的規定，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梁結構，且原設計加載計算時中—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 大軸重貨車運行條件下橋梁動力系數分析

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

圖9 不同跨度混凝土橋梁動力系數對比

綜上，大軸重貨車各項參數對于橋涵結構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及以下的橋涵進行豎向強化改造和對鋼梁橋桿(構件)進行評估外，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軸重通用貨車參數建議(單位:m)

圖11 27 t軸重通用貨車與設計活載作用下橋涵靜效應對比

4 既有鐵路橋涵開行大軸重貨車需解決的關鍵問題

既有橋涵對重載貨物列車適應性是一個涉及范圍很廣泛的問題，需要綜合考慮橋涵當初的設計荷載和標準、建造年代、材料、制造工藝水平、結構和構造細節設計、設計的安全余量，以及在長期使用中由于列車荷載作用和環境影響及偶發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構的作用表現在豎向、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構為小跨度鋼筋混凝土橋涵(分片式蓋板涵尤為突出)、16～32 m的全預應力混凝土梁(抗裂性控制)及墩臺基礎;疲勞性能受影響較大的結構為小跨度橋涵和鋼梁結構。

2)貨物列車對于橋梁橫向的影響主要表現在引起橋梁結構較大的橫向振動，且影響行車安全。受影響較大的結構為雙片式并置梁、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在橋梁支座和墩臺縱向受力方面。我國既有橋梁下部結構承受的縱向作用力主要考慮列車牽引和制動，在量值上統一按豎向荷載的10%考慮。隨著貨車軸重的提高和同步制動性能改善，列車產生的縱向荷載已達到或超過設計值，橋梁支座及墩臺病害日益突出。

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

5 結語

提高貨車軸重能顯著提高運輸效率，具有良好的經濟性;與國外相比，我國鐵路貨車軸重具有一定的提高空間，通過發展更大軸重貨車以滿足鐵路貨運需求是必要的。根據理論分析結果，結合大秦線運營實踐及我國鐵路橋涵運營現狀，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及以下的橋涵進行豎向強化改造和對鋼梁橋桿(構件)進行評估外，橋涵結構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初的標準、建造情況及使用中結構損傷病害等因素，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測工作。

［1］中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.大秦線年運量2億噸條件下橋梁結構加固和壽命評估試驗研究報告［R］.北京:中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，2011.

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