27 t軸重混編貨車作用下既有線鋼筋混凝土梁受力特性試驗研究

蘇永華，胡所亭，谷 牧，劉吉元，劉文薦，朱希同

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

27 t軸重混編貨車作用下既有線鋼筋混凝土梁受力特性試驗研究

蘇永華，胡所亭，谷 牧，劉吉元，劉文薦，朱希同

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國研究發展27 t軸重通用貨車意義重大，不但可滿足鐵路貨運發展的迫切需要，還能使我國鐵路貨運全面達到國際重載要求。通過在京廣線試驗區段內選擇跨度3.4，6.7，13.06 m鋼筋混凝土梁進行實車試驗，獲得了27 t軸重貨車不同裝載等級、不同速度級工況下梁體的鋼筋應力、混凝土應力、撓度和撓度動力系數，以及應力和撓度與貨車鄰軸距的關系等實測數據。初步掌握了27 t軸重貨車對小跨度鋼筋混凝土梁的作用特征，為27 t軸重貨車在既有線的試運行提供了技術支撐。針對試驗過程中發現的問題和既有線橋涵實際情況，提出了既有線開行27 t軸重貨車時需開展的工作建議。

既有線 27 t軸重 通用貨車 鋼筋混凝土梁

1 試驗背景

重載鐵路運輸是國際公認的鐵路貨運主要發展方向之一。提高貨車軸重、增加載重能顯著提高運輸能力、降低運輸成本、提高經濟效益，是提高運輸效率的重要措施。目前以美國、加拿大、澳大利亞、南非為代表的重載運輸發達國家的貨車軸重基本上在30 t以上，最大達到40 t［1］。

按照國際重載運輸標準的要求，我國在牽引重量、運行里程和年運量方面均屬世界前列，但在貨車軸重方面還未達到國際重載標準要求(27 t)，并與國際重載運輸發達國家存在較大差距［2］。通過研究將我國既有線通用貨車軸重提高到27 t，不但可滿足鐵路貨運發展的迫切需要，還能使我國鐵路貨運全面達到國際重載要求［3］。從國外重載運輸成熟經驗來看，主要是通過改造既有線和改變運營、養護維修模式來實現鐵路重載運輸。因此，提高我國既有線通用貨車的軸重非常迫切［4］。

2 列車編組

開展既有線27 t軸重貨車(混編)適應性試驗研究的主要目的是:掌握27 t軸重通用貨車對既有線基礎設施的影響，分析既有線基礎設施對27 t軸重貨車靜動力作用的適應性，為27 t軸重貨車設計改進和完善提供科學依據，為既有鐵路工務設備開展重載改造提供技術支持。綜合考慮線路條件、組織難度、行車密度等因素，選擇廣鐵(集團)公司管內京廣線古培塘—新開鋪上行方向(K1501+312—K1575+845)為試驗區段，現場試驗于2013年7月至10完成［5］。

試驗列車采用混編編組，共52輛(機車除外)，牽引質量最大約5 000 t，長度約753 m，換長總計68.6，具體為HXD1C機車+12輛C64K貨車(21 t軸重)+試驗車+26輛試驗貨車(27 t軸重敞、平、棚、罐、漏斗等車型)+試驗車+12輛C70E貨車(23 t軸重)，試驗列車情況見圖1，編組情況詳見表1［5］。

圖1 既有線27 t軸重貨車(混編)試驗列車

為研究軸重變化對線路基礎設施的影響并考慮試驗安全性，27 t軸重試驗貨車采用分級裝載模式，分為23，25，27 t軸重3種工況，本文主要分析貨車裝載至27 t軸重時的試驗結果。試驗列車運行工況分為5 km/h準靜態加載和60，70，80，90，100 km/h速度級試驗。

表1 試驗列車(混編)編組

3 試驗目的和內容

我國既有線橋涵建設年代差別較大，結構類型多樣，運營狀態不一。截至2012年底，84條鐵路干線共有橋梁172 479孔。其中鋼筋混凝土梁橋和框構占全部橋梁孔數的33.2%，是橋梁結構中除預應力混凝土梁橋之外的第二大組成部分，且在京滬、京廣、京哈、京包等老舊線路中所占比例更大［6］。因此，通過測試試驗區段內典型跨度鋼筋混凝土梁在27 t軸重貨車不同裝載工況、不同運行速度條件下的靜動力響應，掌握27 t軸重貨車作用下鋼筋混凝土梁的受力特性，對于評估梁體的適應性具有重要意義。

對于鐵路鋼筋混凝土梁，控制其受力安全性的主要指標為豎向荷載作用下梁體的鋼筋、混凝土應力和豎向撓度，分別反映了結構的強度和剛度問題。因此，本文主要從27 t軸重貨車作用下典型跨度鋼筋混凝土梁的鋼筋應力和豎向撓度方面分析結構的受力特性，包括試驗列車準靜態和不同速度級通過時梁體的應力、撓度情況。

列車對橋梁的豎向作用包括靜力和動力兩部分，列車準靜態通過即對橋梁的靜力作用，梁體響應反映了結構的實際受力狀態。列車不同速度級通過時已包含動力作用部分，梁體響應反映了列車對橋梁豎向動力作用的大小，主要體現為動力系數。根據既有研究結果，貨車鄰軸距變化對小跨度橋梁的豎向作用影響較大。本文根據實測鋼筋應力、豎向撓度結果分析了貨車鄰軸距變化對不同跨度鋼筋混凝土梁的影響。

4 橋梁概況

本次試驗共測試3座鋼筋混凝土梁橋，跨度分別為3.4，6.7和13.06 m，橋梁具體情況如下:

1)對宮橋中心里程K1512+891，建成于1959年，上行線為1孔跨度3.4 m鋼筋混凝土梁，圖號專橋1009，未設支座。橋梁位于曲線段，曲線半徑1 704 m，縱坡-1.1‰，無縫線路，Ⅱ型混凝土枕，60 kg/m鋼軌，無護軌，道砟厚度20 cm，線路向右側(曲線內側)偏心35 cm。橋梁概貌見圖2。

圖2 對宮橋概貌

2)小楊橋中心里程K1533+945，初建于1915年，1966年改造后形成現狀。上行線為1孔跨度6.7 m鋼筋混凝土梁，圖號專橋1010，原梁采用平板鋼支座，1989年更換為板式橡膠支座。橋梁位于直線段，平坡，無縫線路，Ⅱ型混凝土枕，60 kg/m鋼軌，無護軌，道砟厚度38 cm，線路向右偏心3 cm。橋梁概貌見圖3。

圖3 小楊橋概貌

3)雙江口橋中心里程K1538+848，初建于1915年，1980年大修改造后形成現狀。上行線為3孔跨度13.06 m鋼筋混凝土梁，圖號叁標橋1024(參)，采用弧形鋼支座。橋梁位于直線段，平坡，無縫線路，Ⅱ型混凝土橋枕，60 kg/m鋼軌，無護軌，道砟厚度35 cm，線路向右偏心5 cm。橋梁概貌見圖4。

圖4 雙江口橋概貌

5 梁體鋼筋應力及動力系數

5.1 列車準靜態鋼筋應力

1)貨車軸重對梁體鋼筋應力的影響

27 t軸重貨車不同裝載等級5 km/h準靜態通過時，跨度3.4，6.7，13.06 m鋼筋混凝土梁跨中鋼筋應變統計情況見表2至表4。隨著裝載軸重增大，實測鋼筋應變逐漸增大，實測增加值與理論增加值基本吻合。

表2 不同裝載等級跨度3.4 m鋼筋混凝土梁鋼筋應變

表3 不同裝載等級跨度6.7 m鋼筋混凝土梁鋼筋應變

表4 不同裝載等級跨度13.06 m鋼筋混凝土梁鋼筋應變

2)鋼筋應力校驗系數

27 t軸重貨車5 km/h準靜態通過時，跨度3.4 m鋼筋混凝土梁跨中鋼筋平均應變76.0×10-6，應力16.0 MPa，理論值52.6 MPa，校驗系數0.30。跨度6.7 m鋼筋混凝土梁跨中鋼筋最大應變69.6×10-6，應力14.6 MPa，理論值64.1 MPa，校驗系數0.23;實測鋼筋應力校驗系數小于《橋檢規》通常值范圍(0.55～0.65)［7］，與軌道結構減載作用及“梁體開裂不充分”等因素有關。

27 t軸重貨車5 km/h準靜態通過時，跨度13.06 m鋼筋混凝土梁跨中鋼筋應變最大值156.5× 10-6，應力31.3 MPa，理論值67.5 MPa，校驗系數0.46，稍小于《橋檢規》通常值范圍(0.55～0.65)［7］。

5.2 列車不同速度級鋼筋應力的動力系數

試驗貨車裝載至27 t軸重，列車以不同速度級通過跨度3.4，6.7，13.06 m鋼筋混凝土梁橋時鋼筋應變的動力系數統計情況見表5至表7。

表5 跨度3.4 m鋼筋混凝土梁鋼筋應變動力系數均值

表6 跨度6.7 m鋼筋混凝土梁鋼筋應變動力系數最大值

表7 跨度13.06 m鋼筋混凝土梁鋼筋應變動力系數最大值

1)跨度3.4 m鋼筋混凝土梁

試驗貨車裝載至23，25，27 t軸重，各型貨車動力系數單車最大值分別為1.368，1.533，1.338，26輛貨車平均值分別為1.306，1.482，1.263。跨度3.4 m鋼筋混凝土梁按現行設計規范和原梁設計規范計算動力系數分別為1.359，1.427。試驗貨車裝載至25 t軸重，實測動力系數超過規范值;裝載至23，27 t軸重，實測動力系數基本小于規范值。

機車、C64K貨車、C70E貨車動力系數最大值分別為1.805，1.644，1.572，平均值分別為1.462，1.385，1.327，機車和貨車動力系數最大值均已超過規范值。

與既有類似橋梁測試結果相比，本橋梁體動力系數偏大，主要是由橋上無縫線路鋼軌焊接接頭局部沖擊引起的，對于小跨度橋涵動力系數的影響尤為顯著。

2)跨度6.7 m鋼筋混凝土梁

試驗貨車裝載至23，25，27 t軸重，各型貨車動力系數最大值分別為1.130，1.122，1.172，均小于規范值(現行規范和原規范分別為1.327，1.375)。機車、C64K貨車、C70E貨車動力系數最大值分別為1.182，1.267，1.152，均小于規范值。

3)跨度13.06 m鋼筋混凝土梁

試驗貨車裝載至23，25，27 t軸重，各型貨車動力系數最大值分別為1.162，1.124，1.126，均小于規范值(1.279)。機車、C64K貨車、C70E貨車動力系數最大值分別為1.064，1.250，1.130，1.162，均小于規范值。

6 梁體撓度及動力系數

6.1 列車準靜態梁體撓度

1)貨車軸重對梁體撓度的影響

27 t軸重貨車不同裝載等級5 km/h準靜態通過時，跨度3.4，13.06 m鋼筋混凝土梁跨中撓度統計情況見表8、表9。隨著裝載軸重增大，實測梁體撓度逐漸增大，實測增加值與理論增加值基本吻合。

表8 27 t軸重貨車不同裝載等級跨度3.4 m鋼筋混凝土梁撓度

2)梁體撓度校驗系數

27 t軸重貨車5 km/h準靜態通過時，跨度3.4 m鋼筋混凝土梁跨中平均撓度0.355 mm，理論值1.360 mm，校驗系數0.26，小于《橋檢規》通常值范圍(0.55～0.65)，與鋼筋應力校驗系數接近;跨度13.06 m鋼筋混凝土梁跨中撓度最大值4.28 mm，理論值10.07 mm，校驗系數0.43，小于《橋檢規》通常值范圍(0.55～0.65)，與鋼筋應力校驗系數接近。

6.2 列車不同速度級梁體撓度動力系數

試驗貨車裝載至27 t軸重，列車以不同速度級通過跨度3.4，13.06 m鋼筋混凝土梁橋時鋼筋應變動力系數統計情況見表10、表11。

表9 27 t軸重貨車不同裝載等級跨度13.06 m鋼筋混凝土梁撓度

表10 跨度3.4 m鋼筋混凝土梁撓度動力系數均值

表11 跨度13.06m鋼筋混凝土梁撓度動力系數最大值

1)跨度3.4 m鋼筋混凝土梁

試驗貨車裝載至23，25，27 t軸重，各型貨車動力系數單車最大值分別為1.208，1.310，1.299，26輛各型貨車平均值分別為1.163，1.272，1.265，均小于規范值。裝載至23，25 t軸重，梁體撓度動力系數小于鋼筋應變動力系數;裝載至27 t軸重，梁體撓度動力系數與鋼筋應變動力系數基本一致。

機車、C64K貨車、C70E貨車動力系數最大值分別為1.264，1.339，1.290，平均值分別為1.155，1.196，1.160，均小于規范值。

2)跨度13.06 m鋼筋混凝土梁

試驗貨車裝載至23，25，27 t軸重，各型貨車動力系數最大值分別為1.182，1.169，1.187;機車、C64K貨車、C70E貨車動力系數最大值分別為1.169，1.254，1.169;實測撓度動力系數均小于規范值。

7 貨車鄰軸距變化對梁體影響

根據計算分析結果，貨車軸重相同條件下，鄰軸距不同時對梁體產生的作用特征(彎矩、撓度)也不一樣。

7.1 貨車鄰軸距變化對鋼筋應力的影響

1)跨度6.7 m鋼筋混凝土梁

試驗貨車5 km/h準靜態通過時，不同鄰軸距試驗貨車作用下梁體跨中鋼筋應變分布情況見圖5。跨度6.7 m鋼筋混凝土梁跨中實測鋼筋應變、計算彎矩與27 t軸重貨車鄰軸距的關系見圖6、圖7。實測結果表明，梁體跨中鋼筋應變隨鄰軸距減小而線性增大，變化規律與彎矩基本一致。

圖5 27 t軸重貨車不同鄰軸距作用下梁體跨中鋼筋應變分布

圖6 梁體跨中實測鋼筋應變與27 t軸重貨車鄰軸距關系

2)跨度13.06 m鋼筋混凝土梁

試驗貨車5 km/h準靜態通過時，不同鄰軸距試驗貨車作用下梁體跨中鋼筋應變分布情況見圖8。跨度13.06 m鋼筋混凝土梁跨中實測鋼筋應變、計算彎矩與27 t軸重貨車鄰軸距的關系見圖9、圖10。實測結果表明，梁體跨中鋼筋應變隨鄰軸距減小而線性增大，變化規律與彎矩基本一致。

7.2 貨車鄰軸距變化對梁體撓度的影響

試驗貨車5 km/h準靜態通過時，不同鄰軸距試驗貨車作用下梁體跨中撓度分布情況見圖11。跨度13.06 m鋼筋混凝土梁跨中實測撓度、計算撓度與27 t軸重貨車鄰軸距的關系見圖12、圖13。實測結果表明，梁體跨中撓度隨鄰軸距減小而線性增大，實測變化規律與計算值基本一致。

圖7 梁體跨中計算彎矩與27 t軸重貨車鄰軸距關系

圖8 27 t軸重貨車不同鄰軸距作用下梁體跨中鋼筋應變分布

圖9 梁體跨中實測鋼筋應變與27 t軸重貨車鄰軸距關系

圖10 梁體跨中計算彎矩與27 t軸重貨車鄰軸距關系

圖11 27 t軸重貨車不同鄰軸距作用下梁體跨中撓度分布

圖12 梁體跨中實測撓度與27 t軸重貨車鄰軸距關系

圖13 梁體跨中計算撓度與27 t軸重貨車鄰軸距關系

8 結論

通過測試試驗區段內跨度3.4，6.7，13.06 m鋼筋混凝土梁在27 t軸重貨車(混編)作用下的靜動力響應，結合相應的計算分析結果，得出結論如下:

1)3座鋼筋混凝土橋跨中截面的鋼筋應力、豎向撓度校驗系數均小于《橋檢規》通常值范圍，梁體鋼筋的總應力水平較低，梁體受力狀態正常，這3座橋可滿足27 t軸重試驗貨車運營要求。

2)隨著裝載軸重的增大，實測列車準靜態作用下梁體鋼筋應力、撓度增加量與軸重變化引起的理論增加量基本相當，貨車軸重增加后對梁體的豎向作用顯著增大。

3)跨度3.4 m鋼筋混凝土梁跨中存在鋼軌焊接接頭，車輪沖擊導致動力系數偏大，尤其是鋼筋應變動力系數已經超過規范值。跨度6.7，13.06 m鋼筋混凝土梁橋軌道狀態正常，實測動力系數均小于規范值。軌道狀態對小跨度鋼筋混凝土梁的動力系數影響較大，跨度越小影響越明顯，既有線橋涵評估中應充分重視。

4)貨車鄰軸距對小跨度橋涵影響較大，根據綜合計算分析結果，建議27 t軸重貨車車體長度不小于13.90 m、鄰軸距不小于2.90 m［8］。

5)既有線小跨度鋼筋混凝土橋涵數量眾多，運營狀態差異較大。本次3座鋼筋混凝土橋試驗結果可代表27 t軸重貨車的作用特征，但不能代表既有線全部鋼筋混凝土橋涵的實際運營狀態。開行27 t軸重貨車時，應根據具體橋涵的實際狀態進行評估，內容包括結構的強度、剛度、疲勞性能、耐久性等。

6)27 t軸重貨車開行初期，建議選擇典型鋼筋混凝土橋涵開展試驗和跟蹤測試，掌握結構狀態變化情況，為長期運營條件下橋涵性能評估積累試驗資料。

［1］中國鐵道科學研究院.重載鐵路發展趨勢與關鍵技術深化研究報告［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2011.

［2］中國鐵道科學研究院.客貨分線后線橋隧適應貨運重載關鍵技術及相關運輸模式研究報告［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2012.

［3］柯在田.重載鐵路工務技術發展趨勢的研究［C］//發展鐵路重載運輸貨車暨工務研討會論文集.齊齊哈爾:中國鐵道學會，2011.

［4］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.

［5］中國鐵道科學研究院.既有線27 t軸重貨車(混編)適應性試驗研究報告［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2014.

［6］中國鐵道科學研究院.既有鐵路開行大軸重重載列車條件下橋涵檢測與強化對策研究報告［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2014.

［7］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號鐵路橋梁檢定規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

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

(責任審編 趙其文)

Experimental study on mechanical performance of reinforcement concrete girder on existing railway under loading of 27t axle load mixed marshalling freight train

SU Yonghua，HU Suoting，GU Mu，LIU Jiyuan，LIU Wenjian，ZHU Xitong
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

It is significant to study universal freight train with 27 t axle load.The development of this type of freight can not only satisify the pressing demand of freight railway development，but also raise china freight railway to international heavy hau l transport level.Though train operation tests of reinforced concrete girders(span 3.4m，6.7m and13.06m)in testing section on Jingguang line，the performance was investigated including stress in steel rebars and concrete，deflection，impact factor，and the relationship between stress/deflection and adjacent freight wheelbase.The behavior of the small-span reinforced concrete girders under 27 t axle load freight was studied，providing technical support for the application of 27 t axle load freight in existing rail lines.Also，based on the real conditions where existing bridge exposed and the corresponding problems found in the test，the paper put for ward suggestion on application of 27 t axle load freight in existing rail lines.

Existing railway line;27 t axle load;Universial freight;Reinforced concrete girder

U448.34

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.02

1003-1995(2015)01-0007-07

2014-09-28;

2014-11-26

鐵道部科技研究開發計劃項目(2012J008-A)作者簡介:蘇永華(1980—)，男，山東壽光人，副研究員。