東南亞某國新建客貨共線鐵路荷載標準的研究

龐競拓

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 研究背景

東南亞某國新建客貨共線鐵路項目一期工程全長524 km，客運列車設計時速160 km，貨運列車設計時速80 km。 新建橋梁127 座，合計約112 km，占線路全長的21%。 該國現多為米軌鐵路，新建鐵路為標準軌距的客貨共線鐵路。 隨著該國鐵路的發展，將逐漸形成現代化的鐵路運營網絡。 因此，該線的荷載標準既要考慮近、遠期情況，又要考慮路網發展，情況較為特殊。

列車荷載是鐵路基礎設施設計的重要荷載，亦是鐵路有別于其他交通方式的主要特征[1]。 鐵路荷載標準涉及各類鐵路工程結構，也是鐵路橋梁設計的核心參數[2]。 胡所亭等[3]對列車荷載圖式(靜力)進行了研究和制定;辛學忠等[4]從靜力荷載圖式和動力系數取值兩方面闡述了我國荷載標準修訂的思考;杜寶軍等[5-6]認為，在制定列車荷載標準時，應將靜力、動力和結構基頻進行綜合考慮。 以下借鑒前人的研究思路，結合東南亞某國新建客貨共線鐵路的具體情況開展研究。

2 各國關于荷載標準的研究思路

2.1 國際鐵路聯盟

國際鐵路聯盟采用概化包絡的研究思路，其荷載圖式涵蓋了集中牽引的旅客列車、重載貨車以及動力分散的高速動車組等6 類運營列車。 靜力方面，德國、法國、西班牙、英國和韓國在高速鐵路建設時都基于UIC71 荷載圖式;中國臺灣地區高鐵采用修正的UIC71 標準(相當于0.9 倍UIC71 荷載);意大利則采用了1.1 倍UIC71 荷載[7]。

對于不同車型、軌道條件、運營速度等差異，難以用統一的公式描述相應列車引起的橋梁動力系數。 國際鐵路聯盟提出設計與運營階段分開考慮，列車荷載圖式與“設計動力系數”、運營列車與“運營動力系數”各自配套使用的理念，即“鐵路荷載圖式靜效應×設計動力系數”＞“運營車輛靜效應×運營動力系數”。 國際鐵路聯盟以概化的公式制定設計動力系數，并無實際物理意義;而真實運營動力系數需考慮移動荷載效應，軌道、車輪的不平順影響[8-9]，以及橋梁的跨度、基頻等。

2.2 日本

日本采用接近于模擬實際運營列車的N、P 和H等標準荷載圖式進行橋梁設計。 對于線路上運營的不同車輛，分別通過各自不同的動力系數予以考慮，沒有區分“設計動力系數”和“運營動力系數”的概念，動力系數按各橋實際豎向基頻等確定。 為適應新干線高速化發展的現狀，在開展大量車、線、橋動力試驗和計算分析的基礎上，根據不同的車輛制訂了 “梁跨與車輛長度的比值”圖表[5，10]。 其制定思路較貼近運營實際，但兼容性較差。

2.3 中國

中國鐵路荷載標準經歷了幾個階段。 1951 年制訂中-Z 活載，1975 年對中-Z 活載進行修訂，形成中-活載，沿用至2017 年。 新實施的《鐵路列車荷載圖式》(TB/T 3466—2016)總結了中國多年鐵路建設經驗和不同等級線路類型的研究成果，結合互聯互通和戰備需求以及后續提速發展等需要，全面向國際接軌，使中國鐵路荷載標準研究向體系化的概化包絡方式發展。

動力系數方面，也是采用概化包絡的思路區分設計和運營。 客貨共線鐵路的設計動力系數采用實測值擬合方法，計算時不用區分橋上活載類型，即不考慮梁體基頻特征，只考慮跨度或加載長度。 活載儲備則通過設計荷載圖式與運營車輛的靜態效應比予以實現。

3 本線運維列車

東南亞某國新建鐵路為客貨共線鐵路，擬選用的運營機車車輛及其編組有:①新型動車組客運列車，時速160 km，1 動7 拖編組(如圖1)。 ②設計牽引質量為3 500 t，時速80 km，編組為1 輛和諧D3 牽引45 輛C63，以及1 輛和諧D3 牽引50 輛X6K(如圖2、圖3)。③大機養護車、鋼軌探傷車、重型軌道車、配砟整形車、橋梁檢查車、道岔搗固車、搗固車、穩定車等各種養護維修車輛多為獨立運行(如圖4)，僅配砟整形車、搗固車和穩定車為連掛運行，形成四輛編組情況(如圖5)。

圖1 新型動車組及編組情況

圖2 和諧D3 牽引45 輛C63 編組情況

圖3 和諧D3 牽引50 輛X6K 編組情況

圖4 CTC-80 型鋼軌探傷車(單位：橫向軸距為m，豎向軸重為kN)

4 本線荷載研究路線

4.1 荷載標準制定流程

鐵路荷載標準需結合列車豎向活載、梁體豎向基頻、動力系數等進行綜合考慮[5]。 國際鐵路聯盟和日本、中國在制定鐵路列車荷載標準時采用了不同思路。

日本鐵路荷載標準制定的方法較貼近單例工程實際，即對于專門線路進行大量的運營統計和專題研究，方法較為細致，但對于已成形的鐵路網(運營多種列車，各種不同線路條件)，其兼容性略差，遠期進一步提速改造發展的空間有限。

制定鐵路荷載標準的思路:采用包絡的荷載圖式，概化的動力系數，兼容性好，能適應路網發展。 在設計階段，借鑒已有經驗，無需過多根據各條線路、各種運營條件進行專門調研;在運營發展階段，能方便地調整優化設計參數，有利于后期協調發展。 因此，該研究思路適用于東南亞某國新建線路，其荷載標準制定流程如圖6。

圖6 鐵路荷載標準制定流程

圖5 2 輛搗固車+1 輛配砟整形車+1 輛穩定車的4 輛編組(單位：橫向軸距為m，豎向軸重為kN)

4.2 本線荷載標準研究思考

本線列車運行速度相對較低，一般不會引起結構在豎向出現較大的振動或共振現象，橋涵結構設計主要以強度控制設計為主[12]。

在設計階段，可以對靜力、動力兩方面分開考慮，最終統一概化包絡，以實現設計效應大于運營效應的目標，動力系數可根據成熟的經驗統一概化。 在運營階段，可對線路軌道條件和機車車輛加以約束，提高運營舒適性。 在后期，隨著路網發展和運營機車車輛的性能提升，可考慮開展現場試驗[13]，統計實測數據，在后續建設中對參數不斷進行優化調整。

對于動力系數，各國的計算公式都是經過長期、大量的現場試驗結合理論分析確定的，屬于半經驗半理論的公式[14-15]。 按照概化包絡的思路，設計階考慮參考國際鐵路聯盟或中國思路。 國際鐵路聯盟在制定動力系數時參考的6 類車輛多為高鐵車輛或重載車輛，更多體現高速行駛下的動力響應。 中國標準則是按照不同線路類型選用動力系數。 客貨共線鐵路的動力系數是在大量實測數據基礎上擬合得到的，并按照一定的保證率取其包絡值[5，16]，設計時根據結構的類型、跨度取用[1，12]。 圖7 為中國客貨共線鐵路與國際鐵路聯盟動力系數對比，由圖7 可以看出，總體上前者對后者形成包絡。 結合本線客貨共線且速度目標值不高的情況，可以采用通用圖設計(固定基頻)。

對于靜力效應，一般選取具有概化包絡的荷載圖式，分別計算荷載圖式的靜力效應和運營車輛的荷載效應，并進行比較調整，使得荷載圖式具有包絡性并預留一定的發展量。 可參考的荷載圖式有國際鐵路聯盟的UIC71 系列和中國《鐵路列車荷載圖式》[17]系列(如圖8、圖9)。

圖7 中國客貨共線鐵路與國際鐵路聯盟動力系數對比

結合本線條件，可采用1.0 倍 UIC71 計算荷載效應，嘗試對各種運維荷載進行包絡，同時考慮采用ZKH 的特種荷載對短跨度加載范圍的荷載效應進行計算比較，以便更好地確定本線荷載圖式。

圖8 UIC71 設計荷載圖式(單位：m)

5 荷載效應對比計算

圖9 中國《鐵路列車荷載圖式》系列荷載圖式(單位：m)

荷載效應中，以加載跨度端部的剪力和跨中彎矩最具代表性。 可建立不同加載長度的梁模型，利用影響線加載，計算擬采用的荷載圖式在不同加載跨度情況下的荷載效應。 另一方面，對具有代表性的各種機車、車輛和編組列車(相應跨度)運營荷載效應進行計算:兩者做對比并連成圖線，可反映圖式荷載效應對運維列車荷載效應的包絡情況。

本線運維車輛中最長的為CTC-80 鋼軌探傷車(車長為33.938 m)。 首先考慮計算35 m 加載長度以內的荷載效應比率，以確定1.0 UIC71(以下簡稱“UIC”)荷載圖式對各型運維車輛的包絡情況。

分別計算1～35 m 加載跨度范圍內UIC 荷載圖式效應和各種運維車輛荷載效應(如圖10 所示)。 UIC荷載圖式跨端剪力效應與本線各車輛荷載跨端剪力效應比率均大于1.0(最大為5.3);UIC 荷載圖式跨中彎矩效應與本線各車輛荷載跨中彎矩效應比率均大于1.0(最大為5.9)。 UIC 荷載圖式效應均大于本線各車輛荷載效應，可以包絡本線各種運維車輛(見圖10)。

圖10 UIC 荷載圖式與本線運維車輛荷載剪力、彎矩效應比率

5.1 短跨度加載范圍的探討

在10 m 短跨加載范圍內，分別計算UIC 荷載、ZKH 特種荷載的效應，并與本線車輛荷載效應進行比較，如圖11、圖12 所示。

圖11 UIC 荷載與本線各運維車輛荷載剪力、彎矩效應比率

圖12 ZKH 特種荷載與本線各運維車輛荷載及UIC 荷載剪力、彎矩效應比率

根據圖11，在10 m 加載跨度范圍以內:UIC 荷載圖式跨端剪力效應與本線各車輛荷載跨端剪力效應比率均大于1.0，最大為4.2;UIC 特種荷載圖式跨中彎矩效應與本線各車輛荷載跨中彎矩效應比率均大于1.0，最大為4.2;UIC 荷載圖式效應均大于本線各車輛荷載效應，加載跨度范圍內荷載圖式可以包絡本線各種運營車輛。

表1 為短跨范圍內的荷載效應，根據圖12，在10 m 加載跨度范圍以內，ZKH 特種荷載圖式也可以包絡本線各種運營車輛。 由表1、圖12 可知，短跨范圍內ZKH 特種荷載與UIC 荷載圖式的剪力、彎矩效應較為接近。 對于本線，設計階段可以考慮不再增加特種荷載，由UIC 荷載圖式直接包絡小跨度橋涵加載。

表1 短跨范圍內ZKH 特種荷載效應/UIC 荷載效應

5.2 長編組列車荷載效應的研究

計算UIC 荷載圖式在1-200 m 常見加載跨度范圍內的荷載效應，并與本線各編組列車荷載效應進行比較(如圖13 所示)。 UIC 荷載圖式跨端剪力效應與本線編組列車荷載跨端剪力效應比率均大于1.0，最大為3.17，最小為1.18(2-200 m);UIC 荷載圖式跨中彎矩效應與本線編組列車荷載跨中彎矩效應比率均大于1.0，最大為3.25，最小為1.13(3-200 m);UIC 荷載圖式效應大于本線編組列車荷載效應，UIC 荷載圖式可以包絡本線編組列車荷載，并略有發展余量。

圖13 UIC 荷載圖式與本線編組列車荷載剪力、彎矩效應比率

6 結論

(1)采用概化包絡的方式制定鐵路荷載標準的思路，適用于新建線路及現代化鐵路運營網絡。

(2)在設計階段，可以根據成熟的經驗進行統一概化，按中國客貨共線鐵路動力系數進行設計。

(3)1.0 UIC71 荷載圖式能有效包絡本線各種運維車輛和列車，并略有發展余量，可以作為東南亞某國鐵路的靜力荷載圖式。

(4)采用1.0 UIC71 荷載圖式配合中國客貨共線鐵路動力系數，能概化包絡本線近遠期運維車輛，并預留一定的發展余量，可作為東南亞某國新建客貨共線鐵路設計階段的鐵路荷載標準。