重載鐵路超低高度梁安全運營性能研究

張二田

（朔黃鐵路發展有限責任公司 河北肅寧 062350）

1 引言

鐵路承擔著繁重的貨物運輸任務，在大力發展重載運輸的當前，隨著單元列車軸重的加大、列車牽引質量的提升以及行車密度的不斷增加，鐵路運力和經濟效益得到了顯著提高。但是，橋梁作為鐵路線路的重要組成部分，遭受到的沖擊振動、梁體開裂等病害也相對增多，嚴重時將危及鐵路行車安全。

本文以32 m 普通高度梁和超低高度梁為工程背景，研究對比普通高度梁和超低高度梁在重載運輸環境下運營安全性能并得出了一些有意義的結論，可為今后重載運輸下超低高度梁的運營安全提供參考。

圖1 韓村大橋實景圖

圖2 南運河特大橋實景圖

2 研究背景

朔黃鐵路韓村大橋（166#橋）是依照叁橋2005 建立的32 m 超低高度后張梁，梁高2.05 m，位于河北省安國市西側，橋跨布置為5×32 m，全橋位于直線上，大橋實景圖見圖1。

朔黃鐵路南運河特特大橋（243#橋）是采用叁橋2019 建立的32 m 普通高度預應力混凝土梁，梁高2.5 m，位于河北省滄州市北，跨越京杭大運河，上下行分離，實橋圖見圖2。

3 結構有限元分析對比

采用有限元分析計算，施加的荷載類型包括C70 型重載列車荷載、C80 型重載列車荷載和中—活載。歸納不同荷載類型和不同軸重作用下給鐵路橋梁帶來的影響。

圖3 不同活載下的橋梁撓度值對比圖

3.1 橋梁靜撓度分析

對于簡支橋梁來說，跨中撓度是反映橋梁整體剛度的重要參數。通過有限元計算，32 m 超低高度梁在中—活載、C70 型和C80 型重載列車作用下豎向撓度值的對比圖見圖3，超低高度梁跨中撓度值及撓跨比見表1。

表1 不同荷載形式下的跨中撓度值及撓跨比

圖4 不同軸重下橋梁的豎向撓度

從圖3 可以看出，超低高度梁在C70 型和C80 型列車荷載作用下的靜撓度值均小于中—活載（設計荷載）作用下的值。C80 型列車由于載重和軸重均大于C70 型列車，橋梁靜撓度必然較大。

從表1 中的數據可以看出：三種荷載作用下超低高度梁的撓跨比均大于撓跨比設計限值，滿足橋梁設計規范中的相關規定。

通過改變C80型列車活載圖式中均布荷載的數值進行有限元計算，軸重為25 t、28 t、30 t 和33 t 的列車荷載作用下的超低高度梁靜撓度圖見圖4。超低高度梁的跨中撓度最大值及撓跨比見表2。

表2 不同軸重下的豎向撓度及撓跨比

從圖4 可以看出，超低高度梁在不同軸重下的撓度曲線圖形是基本相同的，只是撓度值隨著軸重的增加而增大。

從表2 中的數據可以看出，超低高度梁的撓跨比除了在C80-33 t 作用下不滿足撓跨比設計限值外，其余均滿足滿足橋梁設計規范。

通過有限元計算，32 m 普通高度梁在中—活載、C70 型和C80 型列車荷載作用下的跨中豎向撓度值見表3，與32 m 超低高度梁跨中撓度最大值的對比圖見圖5。

表3 不同荷載形式下的豎向撓度及撓跨比

從表3 中的數據可以看出，三種活載作用下普通高度梁的撓跨比均滿足撓跨比設計限值，滿足橋梁的設計規范的相關規定。與超低高度梁一樣，中—活載下橋梁的撓度最大，軸重為25 t 的C80 次之，軸重為23 t的C70最小。

從圖5 可以看出，32 m 超低高度梁的跨中撓度值比32 m 普通高度梁的跨中撓度值大將近一倍，在橋梁跨度一致的情況下，橋梁剛度明顯是隨著橋梁高度的降低而減小的。

圖5 兩種梁型跨中撓度對比

3.2 橋梁固有振動分析

橋梁的固有振動特性主要指的是固有頻率和振型，反映了橋梁對動荷載的敏感程度，是橋梁動力分析的基礎，對正確分析車輛、風和地震對橋梁的動力響應有著重要的作用。

采用空間有限元法分別對靜力分析的兩種橋梁模型進行周期與振型的計算，由于結構的前幾階振型對橋梁振動形式起控制作用，所以提取兩種梁型的前十階振型對應頻率值進行分析，兩種強度的混凝土（500 號和600 號）計算所得頻率值見表4。

由表4 中的數據可以看出，采用同型號的混凝土時，超低高度梁的第一階橫向頻率高于普通高度梁；而普通高度梁的第一階豎向自振頻率高于超低高度梁。超低高度梁的橫向剛度較大，普通高度梁的豎向剛度較大。

表4 頻率值列表（單位/Hz）

在使用較高強度混凝土時，橋梁的頻率值都有一定程度的增加。所以在梁型受到環境限制時，采用高強度混凝土可以進一步保證鐵路橋梁的運營安全。

3.3 橋梁動力分析

鐵路橋梁結構在運營的過程中，破壞因素主要來自于各種列車荷載引起的橋梁振動，必須對橋梁的動力性能進行評定，以保證重載列車安全的通過鐵路橋梁。進行有限元分析時，分別使C70 型列車荷載和C80 型列車荷載以一定的速度通過鐵路橋梁，提取相關的橋梁動力參數進行分析，結果見表5、表6。

表5 不同速度下跨中撓度最大值（單位/mm）

表6 不同軸重下跨中撓度最大值（單位/mm）

從表5 中的數據可以看出：在65 km/h～80 km/h 的速度范圍內，C70 型列車和C80 型列車通過超低高度梁和普通高度梁時，橋梁動撓度并不是隨著速度的增大而呈線性增加，而是伴隨波動。

從表6 可以看出，隨著列車軸重的增加，橋梁的跨中撓度是不斷增大的。當列車行至橋梁跨中時，橋梁的跨中動撓度變化最大。

4 既有鐵路橋梁運營性能試驗對比

為了確定32 m 超低高度簡支梁的安全運營性能，選定朔黃鐵路的韓村大橋（超低高度梁）、南運河特大橋（普通高度梁）2 座橋梁在C70 型重載列車以現行速度通過橋梁，測試次數為5 次。不同速度的萬噸重載列車作用下的運營性能進行檢測，得到橋梁運營荷載作用下結構的動撓度、梁跨跨中振幅以及梁跨自振頻率等動態性能指標，考察梁跨橫向剛度等運營性能指標。

4.1 超低高度梁試驗結果分析

表7 韓村大橋測試參數實測值（最大值）統計表

表8 振動測試結果統計表（現行速度過路列車）

從表7 和表8 來看，考慮到橋梁模型和列車荷載的簡化，計算值與實測值的誤差是在允許的范圍內。不同速度下的橋梁跨中撓度并不是隨著速度的增大而線性增加的。這一結論與有限元仿真計算時所得出的結論也是一致的。

通過對以上三個超低高度梁運營參數進行仿真計算值和實測值的分析比對，證明了有限元分析的有效性和準確性。

4.2 普通高度梁試驗結果分析

表9 南運河特大橋測試參數實測值（最大值）統計表

表10 振動測試結果統計表（現行速度過路列車）

從表9 和表10 來看，考慮到橋梁模型和列車荷載的簡化，計算值與實測值的誤差是在允許的范圍內。通過對以上三個普通高度梁運營參數進行仿真計算值和實測值的分析比對，證明了有限元分析的有效性和準確性。

5 結論

本文以重載運輸下的32 m 超低高度簡支梁（叁橋2005）和32 m 普通高度簡支梁（叁橋2019）為研究對象，通過有限元仿真分析與實橋試驗相結合的方法，對重載鐵路橋梁進行運營性能的分析。得出如下結論：

（1）在同樣的活載類型下，超低高度梁的跨中靜撓度大于普通高度梁一倍以上，超低高度梁的剛度較差。所以在必須采用超低高度梁的地段，可以通過采用高強度混凝土對橋梁的剛度進行加強。

（2）超低高度梁的一階振型為豎向振動，二階振型為橫向振動，豎向剛度小于橫向剛度。普通高度梁的一階振型為橫向振動，二階振型為豎向振動，豎向剛度大于橫向剛度。采用高強度的混凝土時，橋梁剛度增大。

（3）在一定的速度范圍內，橋梁跨中動撓度并不是隨著速度的增大而增大的，而是伴隨波動；橋梁跨中橫向加速度的振動形式是基本一致的，但加速度的最大值和發生的時刻不同。

（4）將有限元計算結果與實測結果對比分析，兩者在數值和變化規律上都基本一致。驗證了仿真計算與荷載試驗相結合的方法是可行且有效的。

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