開行27 t軸重列車對小跨度鋼筋混凝土橋的影響分析

劉吉元，蘇永華

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

開行27 t軸重列車對小跨度鋼筋混凝土橋的影響分析

劉吉元，蘇永華

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

為充分挖掘既有鐵路的貨運能力、提高運輸效率，在既有線上開行 27 t軸重貨車是我國貨運發展的趨勢之一。本文在統計既有線橋梁組成、調研大軸重機車和貨車應用現狀的基礎上，分析了大軸重列車對橋梁的作用特征，包括27 t軸重各型貨車作用下橋梁的受力情況、不同機車牽引條件下大軸重列車對橋梁受力的影響。通過分析明確了27 t軸重貨車對跨度16.0 m以下鋼筋混凝土橋梁的影響和對機車牽引條件的適應性。

27 t軸重 小跨度 鋼筋混凝土橋 參數分析

隨著我國經濟的快速發展和高速鐵路建設的穩步推進，如何充分挖掘既有鐵路的貨運能力、提高運輸效率、緩解運能與需求之間的矛盾成為我國既有鐵路發展面臨的問題。我國2013年起實施的《鐵路主要技術政策》中規定了“客貨共線鐵路貨車軸重研究推廣25 t，研究發展27 t”，為既有鐵路貨運發展確定了方向。

軸重27 t、載重80 t級通用貨車的投入使用，可以使單車載重量比既有貨車提高10～20 t，從而可以大幅度提高運能。據測算，按全路每天通用貨車裝車10萬輛計算，可年增運力5.8億t，在貨運總量不變的情況下，可少開行近1/5的貨運列車。

我國既有鐵路橋梁的建設年代跨越范圍大，設計、建設標準不統一，結構類型多樣，不同橋梁的狀態差異較大。從實際情況來看，既有鐵路橋梁設備劣化率偏高，目前尚有部分橋梁不滿足運營要求。隨著列車軸重的增加，列車對橋梁的作用力增大，尤其是跨度16 m以下的鋼筋混凝土梁，受力性能是否滿足大軸重列車的運營要求存在不確定性，且既有線上鋼筋混凝土梁數量眾多，是提高軸重后確定加固改造范圍的重點所在。因此，開行27 t軸重列車對小跨度鋼筋混凝土梁的影響需開展深入分析。

1 既有鐵路橋梁狀況

截至 2012年底，全路標準軌距鐵路共有橋梁48 905座、1 263 804 m(延長米)，其中90%以上的橋梁為混凝土橋。按孔數統計，全路共有混凝土橋193 830孔，其中預應力混凝土梁橋111 451孔，占總孔數的57.5%;框構橋等其它類型結構橋梁30 457孔，占總孔數的15.7%;鋼筋混凝土梁橋51 922孔，占總孔數的26.8%，其中跨度＜16.0 m的有33 361孔，占總孔數的17.2%［1］。

截至2012年底，既有鐵路年運量超過5 000萬 t的干線客貨共線和貨運專線鐵路(國鐵)共84條，橋梁172 479孔。按跨度統計，跨度16 m及以下的橋梁占全部橋梁的27.6%，見圖1(a);按結構類型統計，鋼筋混凝土簡支梁占全部橋梁的22.8%，見圖1(b)，是橋梁結構中第2大組成部分。

圖1 84條干線鐵路橋梁統計

在設計活載方面，采用中—22活載圖式設計的橋梁占全部橋梁的21.2%，采用中—26級活載圖式設計的橋梁占全部橋梁的7.5%，其余主要采用中—活載圖式，部分建于解放前的橋梁采用的活載圖式比較雜亂。

按文獻［2］中規定的劣化等級，2003—2012年度全路橋梁劣化為 A級(AA，A1級)的占全部橋梁的29% ～35%，橋梁結構的劣化比率較高。

2 大軸重機車車輛現狀

隨著鐵路重載運輸的發展，我國鐵路機車裝備制造業整體水平提升較快。20世紀80年代，成功研制了DF8，DF8B內燃機車和 SS4，SS4B，SS7等電力機車。2003年以來，鐵路線上陸續運用了軸重25 t的HXD1，HXD2和HXD3型大功率交流傳動電力機車以及HXN3和HXN5型大功率交流傳動內燃機車。目前，我國機車制造廠已成功研制了6軸、8軸的27 t軸重大功率機車［3］。

截至2011年底，我國擁有貨車約80.6萬輛，軸重主要為21 t級、23 t級和25 t級3種，代表車型分別為C64，C70，C80。目前，我國車輛裝備制造廠已研制生產了26輛27 t軸重、載重80 t級新型通用貨車(固定軸距1 860 mm)，見圖2，包括敞車、棚車、平車、罐車、漏斗車等鐵路貨車主要車型，車體長度在 13.136 ～18.566 m，鄰軸距在2.140～3.340 m，其中6種主要車型的設計參數見表1［4］。

圖2 27t軸重貨車參數

表1 27 t軸重貨車主要參數

為掌握新型列車在既有線上的運行性能，以及大軸重列車作用下典型橋梁、軌道結構的受力狀態，2013年鐵路總公司組織在京廣線古培塘—新開鋪上行方向開展了“既有線27 t軸重貨車(混編)適應性試驗”［5］。2014年6月開始，先期在太原局管內大秦、北同蒲等線路開展了5 000輛27 t軸重 C80E貨車的運用考核工作，2015年計劃在部分路局的部分線路開展1 000輛27 t軸重油罐車的運用考核工作。

3 開行27 t軸重列車的影響分析

分析大軸重列車對小跨度橋梁的作用特征采用的主要參數如下:

1)機車。25 t軸重DF8B，25 t軸重HXN3，27 t軸重機車(軸距參考 HXN3)，27 t軸重機車(同機制造)，27 t軸重機車(株機制造)。

2)貨車。27 t軸重 C80E敞車、NX80平車、P80棚車、GQ80罐車、KZ80石砟漏斗車、KM80煤炭漏斗車，并考慮不同軸重、型號機車牽引條件，同時計算了25 t軸重C80貨車作為對比。

3)從現行鐵路橋梁標準跨度系列和既有橋梁的實際跨度(孔徑)方面考慮，橋梁計算跨度或影響線加載長度取0.5，1.0，1.5，2.0，2.4，2.5，3.0，3.4，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.7，7.0，8.0，9.0，10.0，12.0，14.0和16.0 m，共計22種跨度，根據既有鐵路橋梁的實際跨度和常用荷載計算加載長度。

4)設計活載。中—活載(靜活載)，活載圖式見文獻［6］。

3.1 27 t軸重貨車作用

在25 t軸重C80和27 t軸重 C80E等6種貨車作用下，對跨度或影響線加載長度在16 m范圍內橋梁的靜活載效應進行了分析，見圖3。圖中橫坐標表示橋梁計算跨度或影響線加載長度，豎坐標表示計算列車編組與設計活載(中—活載)作用下靜活載效應比值，該值＞1表示計算列車編組靜活載效應大于設計活載，＜1表示計算列車靜活載效應小于設計活載。

計算結果表明:

1)跨度在3.0 m及以下，結構受力主要受貨車軸重控制，25 t軸重 C80貨車效應與設計活載一致;27 t軸重貨車效應超過設計活載。

2)跨度在3.0 m以上、5.0 m及以下，結構受力主要受貨車軸重和轉向架固定軸距控制，25 t軸重C80貨車效應與設計活載相比有5%～10%的儲備;27 t軸重貨車效應大于25 t軸重C80貨車，且接近甚至達到設計活載。

圖3 C80及軸重27 t貨車與設計活載的靜效應比值

3)跨度在5.5 m及以上、16.0 m及以下，結構受力主要受貨車軸重、轉向架固定軸距和鄰軸距控制，25 t軸重C80貨車效應與設計活載相比有5% ～15%的儲備;C80E，NX80，P80三種27 t軸重貨車效應均小于25 t軸重C80貨車，與設計活載相比有10% ～15%的儲備; GQ80，KZ80，KM80三種27 t軸重貨車效應大于 25 t軸重C80貨車，且接近甚至達到設計活載。

3.2 25 t軸重機車牽引27 t軸重貨車作用

根據前述計算結果，選擇6種貨車中荷載效應相對較大的C80E，KM80貨車做為代表貨車車型;結合既有大軸重機車運營情況，選擇25 t軸重6軸DF8B內燃機車、6軸HXN3內燃機車、8軸 HXD2電力機車作為代表機車車型。通過將不同型號的機車和貨車進行編組組合，對25 t軸重機車牽引27 t軸重貨車條件下橋梁結構的受力情況進行分析，見圖4、圖5。

圖4 25 t軸重機車牽引C80E貨車與設計活載的靜效應比值

圖5 25 t軸重機車牽引KM80貨車與設計活載的靜效應比值

計算結果表明:

1)27 t軸重 C80E貨車，在 25 t軸重 6軸機車(DF8B，HXN3)牽引條件下，由于機車軸載集度比貨車前后車相鄰轉向架的軸載集度大，對于跨度在5.0 m以上、16.0 m以下的橋梁受力有一定影響，機車 +貨車作用下的荷載效應比貨車大3%左右，其余跨度結構受力不受機車控制，主要由貨車控制;在25 t軸重8軸機車(HXD2)牽引條件下，機車軸載集度小于貨車前后車相鄰轉向架的軸載集度，機車+貨車作用下的荷載效應與貨車基本一致，結構受力不受機車控制，主要由貨車控制。

2)27 t軸重KM80貨車，前后車相鄰轉向架的軸載集度大于25 t軸重6軸機車(DF8B，HXN3)和8軸機車(HXD2)，對于跨度在5.0 m以上、16.0 m以下的橋梁，由于機車軸載比較集中，機車+貨車作用下的荷載效應比貨車大3%左右，其余跨度結構受力不受機車控制;在25 t軸重8軸機車牽引條件下，機車+貨車作用下的荷載效應與貨車基本一致，結構受力不受機車控制，主要由貨車控制。

3.3 27 t軸重機車牽引27 t軸重貨車作用

考慮到重載運輸條件下機車牽引力和功率要求、大軸重貨車與機車軸重的匹配性等因素，既有鐵路存在運行27 t軸重機車的可能性，因此對27 t軸重機車牽引27 t軸重貨車條件下橋梁受力情況進行了分析。

機車方面，選擇3種27 t軸重機車做為代表車型，分別為27 t軸重6軸機車(軸距參考HXN3，簡稱HXN3機車)和27 t軸重8軸機車(大同、株洲機車車輛有限公司制造，簡稱同機機車、株機機車);貨車方面，選擇27 t軸重C80E，KM80貨車做為貨車代表車型。通過將不同型號的機車和貨車進行編組組合，對27 t軸重機車牽引27 t軸重貨車條件下橋梁結構的受力情況進行分析，見圖6、圖7。

圖6 27 t軸重機車牽引C80E貨車與設計活載的靜效應比值

圖7 27 t軸重機車牽引KM80貨車與設計活載的靜效應比值

計算結果表明:

1)27 t軸重C80E，KM80貨車在27 t軸重6軸機車牽引條件下，由于機車軸載集度比貨車大，對于跨度在3.0 m以上、跨度16.0 m及以下的橋梁，機車 +貨車作用下的荷載效應大于貨車，且接近設計活載效應，其余跨度結構受力不受機車控制，主要由貨車控制。

2)27 t軸重C80E，KM80貨車在27 t軸重8軸機車牽引條件下，機車+貨車作用下的荷載效應與貨車基本一致，結構受力主要由貨車控制。

3)在27 t軸重6軸機車牽引27 t軸重貨車條件下，對于部分跨度的橋梁，機車+貨車作用下的荷載效應大于貨車，且接近設計活載效應，對結構受力不利;在27 t軸重8軸機車牽引27 t軸重貨車條件下，機車+貨車作用下的荷載效應與貨車基本一致。因此，既有線開行27 t軸重貨車時，具備27 t軸重8軸貨車牽引條件，但應避免27 t軸重6軸貨車牽引，以免對結構造成不利影響。

4 結論

1)27 t軸重通用貨車對橋梁的作用特征:跨度在3.0 m及以下橋梁受力主要受貨車軸重控制，跨度在3.0 m以上、5.0 m及以下橋梁受力主要受貨車軸重和轉向架固定軸距控制，跨度在5.5 m及以上、16.0 m及以下橋梁受力主要受貨車軸重、轉向架固定軸距和鄰軸距控制。

2)27 t軸重通用貨車對于機車牽引條件的適應性:既有鐵路開行27 t軸重通用貨車時，具備25 t軸重6軸、8軸機車和27 t軸重8軸機車牽引條件，但應限制27 t軸重6軸機車牽引，以免對結構造成不利影響，增加橋梁加固改造工作量。

［1］胡所亭.鐵路重載運輸條件下橋梁活載標準研究［D］.北京:中國鐵道科學研究院，2013.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB/T 2820.5—1999 鐵路橋隧建筑物劣化評定標準 混凝土梁［S］.北京:中國鐵道出版社，1999.

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

［4］胡所亭，牛斌，柯在田.我國既有鐵路橋涵對開行大軸重貨車開行適應性分析［J］.鐵道建筑，2013(3):1-4.

［5］王新銳，柯在田.既有線開行大軸重列車關鍵技術研究——既有線27 t軸重貨車(混編)適應性試驗報告［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2014.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

Analysis on influence of freight train with 27 t axle load on reinforced concrete small span bridge

LIU Jiyuan，SU Yonghua
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T ruck with 27 t axle load will be operated on the existing railways to improve freight transport capacity and efficiency in our country.Statistics of the composition of existing bridges were conducted in this paper.Also，the current state of the locomotives and trucks with large axle load were investigated.On this basis，the effect of the action characteristics of bridges under large axle train were analyzed，including the stress condition of the bridges under different types of truck with 27 t axle load and locomotive traction.T hrough the analysis of the performance of reinforced concrete bridges with span less than 16.0 m，the suitability of bridges to locomotive traction was assessed.

27 t axle load;Small span;Reinforced concrete bridge;Parametric analysis

U448.34

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.02

(責任審編 鄭 冰)

2015-07-01;

:2015-09-28

中國鐵路總公司科技研發項目(J2014G010);中國鐵道科學研究院基金項目(2014YJ029)

劉吉元(1983— )，男，助理研究員，碩士。

1003-1995(2015)11-0006-05