幾內亞西芒杜40 t軸重重載鐵路專用線列車設計活載選用探討

杜振華

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

1.1 重載運輸特點

重載鐵路運輸具有運能大、效率高、運輸成本低等特點，是礦石、煤炭等大宗散裝貨物最經濟的運輸方式，也是世界鐵路貨物運輸的主要發展方向之一。美國重載鐵路列車軸重大多集中在32.5～35.7 t；巴西部分重載鐵路軸重也達到了32.5 t[1]，澳大利亞由于鐵礦石出口的運輸需要，多次刷新世界重載運輸記錄，重載貨車最大軸重達到40 t，其中FMG公司在2015年運用軸重已達42 t[2]，2017年初進行了45 t軸重車輛的運用考驗[3]。

1.2 幾內亞西芒杜40 t軸重重載鐵路專用線概況

西非幾內亞西芒杜礦山鐵路連接Morebaya港口與西芒杜礦區，正線全長約643 km[4]。主要技術標準如下。

(1)線路等級：重載鐵路，軸重40 t。

(2)線路情況：單線，有砟軌道。

(3)設計行車速度：重車80 km/h，空車100 km/h。

(4)限制坡度：重車方向6‰，空車方向18‰。

(5)牽引種類：內燃。

(6)牽引質量：牽引質量3.8萬t。

(7)列車編組：6臺機車240輛礦車，編組為2臺機車+120輛礦車+2臺機車+120輛礦車+2臺機車形式，列車總長度2823 m。

(8)開采年限：38年。

全線鐵路橋梁共26座，總長度2835 m，占線路總長的0.431%，全部為跨越河流，均采用簡支梁橋，最長橋梁241.1 m，為10×24 m。本項目主要采用24.1 m和31.1 m兩種跨度簡支梁(簡支梁跨度為梁縫中心線長度)，無特殊大跨結構。

我國部分煤炭專用線按30 t軸重進行設計[5-9]，TB10625—2017《重載鐵路設計規范》適用的最大軸重也是30 t，缺乏針對40 t軸重重載鐵路橋涵設計的相關規定及工程實例，有必要結合本項目的特點開展40 t軸重橋涵列車荷載圖示及相關技術標準的研究工作，為本項目后期設計工作做好技術儲備。

2 40 t軸重運營荷載

2.1 40 t軸重貨車主要參數

我國重載線路運行的貨車類型主要為敞車，軸重有23 t(C76)、25 t(C80)、30 t(C96)等[10]，暫時沒有投入使用軸重40 t的貨車，但為世界礦業巨頭—澳大利亞必和必拓(BHP)、力拓公司研制出口過40 t軸重不銹鋼礦石車[11-13]，40 t軸重礦石車2輛為一組，每組車包含1輛控制車和1輛輔助車，其主要技術參數見表1，相應的車輛荷載圖示見圖1、圖2。

2.2 機車主要參數

發展大軸重機車車輛是世界鐵路貨運發展的大趨勢，加拿大、巴西、澳大利亞在其主要干線的重載運輸中均采用了30 t的列車。我國重載鐵路中運用的是軸重25 t的電力機車，同時也開展了大軸重鐵路機車的技術研究工作[16]。

表1 出口澳大利亞必和必拓、力拓公司40 t軸重不銹鋼礦石車主要技術參數[14-15]

圖1 出口澳大利亞必和必拓公司40 t軸重不銹鋼礦石車荷載(單位：mm)

圖2 出口澳大利亞力拓公司40 t軸重Q系列不銹鋼礦石車荷載(單位：mm)

本項目擬采用軸重32 t機車，其主要技術參數見表2、圖3。

表2 32 t軸重機車主要技術參數

圖3 機車軸距(單位：mm)

2.3 國內外重載鐵路列車荷載圖示對比分析

鐵路列車荷載標準是鐵路橋涵設計的重要依據和核心參數，關系著設計的安全性和經濟性[17]。活載圖示的擬定需要結合項目的運輸模式、運營速度及加載方式，并考慮后期可能存在的移動裝備發展與升級等多方面因素確定。我國鐵路橋涵設計活載也開展了多次研究及修訂工作[18-22]。

目前鐵路及軌道交通橋梁的設計活載主要有兩種模式，一種是采用實際運營車輛并預留一定的安全儲備作為線下基礎設施的設計荷載，如我國城市軌道交通橋梁設計采用的地鐵A型車、B型車及溫州市域鐵路設計荷載ZS荷載[23]等均采用的是這種思路；另一種是采用概化的荷載圖示，如我國的ZH、ZKH、ZK、ZC荷載、國際鐵路聯盟(UIC)Load Model 71荷載圖示等。

國外公司在本項目可研設計文件中采用以下3種荷載圖示中的最大值作為設計荷載。

(1)荷載圖示1：力拓公司40 t軸重Q系列不銹鋼礦石車車輛荷載，如圖2所示；

(2)荷載圖示2：Load Model 71(α=1.46)，如圖4所示。

圖4 Load Model71荷載圖示(α=1.46)(單位：m)

(3)荷載圖示3：SW/2活載。SW/2活載為靜活載，不考慮沖擊系數，見圖5及表3。

圖5 SW/2活載圖示

表3 荷載模型SW/0和SW/2豎向荷載標準值

荷載模型SW/0反映了正常鐵路交通在連續結構上產生的靜載效應，荷載模型SW/2代表重型鐵路交通，即經過特殊設計以承擔重型交通的鐵路。SW/0和SW/2荷載集度均小于40 t軸重礦石車每延米重，其活載效應不控制設計。

TB 10625—2017《重載鐵路設計規范》提出了設計軸重25 t、27 t、30 t的重載鐵路設計荷載—ZH荷載(圖6)，并專門設立荷載系數z為更大軸重重載鐵路留出通道。圖6中4個250 kN的集中荷載代表機車車輛軸重效應和貨車鄰軸效應，85 kN/m的均布荷載代表貨車車輛的延米重效應。荷載系數z的取值由線路的運輸定位、主型機車和車輛、預留的活載儲備和發展以及經濟性等因素綜合確定，對于考慮開行軸重350 kN及以上重載列車的新建重載鐵路，規范建議根據主型移動裝配情況合理研究確定荷載系數，技術論證階段，缺乏相關資料時可暫按1.50取用。

圖6 ZH荷載圖示(單位：m)

美國鐵路重載運輸采用的是反映蒸汽機車牽引特征的CooperE系列靜活載圖示，澳大利亞重載鐵路采用300LA列車荷載標準。ZH荷載和CooperE系列靜活載圖示中均有特種荷載模式，以提高小跨度橋涵的荷載效應。

2.4 靜活載效應對比

根據40 t軸重貨車、機車的主要參數及重載鐵路列車編組方式可知：機車軸重小于貨車軸重且固定軸距比貨車的大，貨車不僅軸重大、車身長度短且編組長度長，控制結構設計的應為對應列車編組中的車輛荷載部分，機車荷載不控制設計。

計算跨徑(加載長度)10～120 m時，ZH活載、Load Model 71、Cooper E80、300LA、BHP礦石車車輛荷載、力拓礦石車車輛荷載產生的跨中彎矩換算均布荷載、支點最大剪力換算均布荷載值見表4、表5。

表4 跨中彎矩換算均布活載效應 kN/m

表5 支點反力換算均布活載 kN/m

對以上計算結果進行分析，可以得出如下結論。

(1)力拓40 t軸重礦石車車輛長度、固定軸距均較小，其每延米質量最大，產生的跨中彎矩及支點剪力也最大，跨度(影響線加載長度)越大，按車輛荷載計算所得換算均布荷載值越接近于車輛的每延米重。

(2)在不計沖擊系數的情況下，BHP礦石車車輛荷載效應為ZH荷載的1.21～1.68倍，力拓礦石車車輛荷載效應為ZH荷載的1.26～1.85倍，Cooper E80荷載效應為ZH荷載的1.35～1.54倍，Load Model 71荷載效應為ZH荷載的0.95～0.99倍，采用1.5ZH荷載作為40 t軸重重載鐵路設計活載不能完全包絡實際運營車輛荷載產生的荷載效應，跨度小時偏大，跨度大時偏小。

(3)ZH荷載圖示中集中荷載軸重與均布荷載的比值為2.94，Load Model 71荷載中集中荷載軸重與均布荷載的比值為3.13，與40 t軸重重載鐵路運輸特點不匹配，僅僅通過調整ZH荷載的荷載系數z或者Load Model 71荷載的調整系數α不能保證對于實際運營荷載的儲備在不同范圍內較為均衡。由于40 t軸重重載鐵路機車車輛軸重小于貨車，且貨車編組較長，若采用類似ZH或Load Model 71形式的概化荷載，應能反映貨車車輛軸重效應、鄰軸效應和貨車每延米重效應，需結合40 t軸重重載車輛裝備及編組特點開展進一步的研究。

(4)本項目橋梁以小跨度橋涵為主，橋梁計算跨度均小于32 m，對32 m以下簡支梁，BHP礦石車車輛荷載效應為ZH荷載的1.21～1.49倍，力拓礦石車車輛荷載效應為ZH荷載的1.2～1.6倍，為LM71荷載效應1.26～1.65倍，控制設計的是力拓礦石車車輛荷載。本項目為鐵礦石專用線，運行的車輛相對單一和固定，橋梁結構形式均為32 m以下單線簡支梁，車輛選型確定后可采用實際貨車車輛荷載進行線下基礎設施的設計，在缺乏相關資料時，從靜力荷載等效的角度考慮，可以近似采用1.6ZH荷載作為本項目的列車設計活載。

2.5 沖擊系數對比分析

橋梁設計中通過沖擊系數計算及列車荷載的動力影響分析。列車對橋梁的動力作用，不僅取決于橋梁結構本身的振動特性，而且決定于運行列車的機車類型、振動特性及運行速度，同時還與橋上線路的狀態有關。沖擊系數是上述各種因素的綜合反映[24]。

各國制定動力系數計算公式的思路基本相仿，實際在橋梁動力系數的規范取值上卻具有較大的差異，中國規范計算動力系數時區分了鋼橋、混凝土橋和鋼混結合梁橋，而美國AREMA規范和歐洲規范中未對此區別對待。從圖7計算結果來看：按歐洲規范計算的動力系數，小跨度梁較大而大跨度梁偏小，且隨著跨度的增加衰減較快；按中國規范混凝土梁計算的動力系數比美國規范計算值要小，但衰減程度接近，且隨著跨度的增加衰減較慢。

橋梁設計時并不是只用列車靜活載進行設計，而是采用靜活載和沖擊荷載之和，由于不同的設計規范算出的沖擊系數相差較大，在確定列車活載圖示時，將沖擊系數和活載發展儲備系數二者同時考慮相對較為合理。我國目前尚缺乏40 t軸重重載鐵路橋梁沖擊系數的相關計算方法和測試數據，建議結合活載圖示的研究同步開展40 t軸重重載運輸條件下列車沖擊系數的研究。歐洲重載鐵路建設經驗相對不足，而美國在重載鐵路方面的研究和經驗較為豐富，澳大利亞重載鐵路設計中也部分參考了美國規范，建議本項目動力系數參照美國規范取值。

圖7 動力系數比較

2.6 活載發展儲備系數對上部結構工程量的影響分析

鐵路常用跨度預應力混凝土簡支梁主要采用箱梁和T梁兩種形式，簡支T梁為分片式組合結構，常采用梁場集中預制，分片運輸和架設的施工方法。單片預制T梁體積小、質量小，架設方法靈活，造價較低，在我國時速200 km以下客貨共線鐵路、重載鐵路中得到廣泛應用[25]。但多片式簡支T梁在架設完成后，需要在橋位處施工橫向連接構造，由于施工環境差，施工質量不易保證。目前大量使用的簡支T梁，多采用翼緣板懸臂安裝角鋼人行道支架，橋梁角鋼支架人行道主要維護內容為除銹涂裝，只能采用人工方式，費時、費工、作業效率低、涂裝質量不易保證，且存在一定作業風險，維護困難大、成本高，運營維護安全風險大[26]，在相同靜活載作用下，相同梁高簡支T梁的跨中豎向變形、梁端轉角均大于箱梁，基頻小于箱梁，后期養護維修費用高于箱梁。

本項目線路長度較長，橋梁數量較少且工點較為分散，交通運輸不便，采用全線集中預制架設存在施工運輸距離過長的問題，若設置多個預制場，不僅不經濟，對環境的影響也較大。本項目橋梁比重極小，和混凝土簡支T梁相比，采用箱梁增加的費用對整個項目的投資影響較小，但能極大地減小后期養護維修成本，全壽命周期成本低于T梁，推薦采用支架現澆預應力混凝土簡支箱梁。

活載發展儲備系數反映的是設計荷載超出實際運營荷載的程度，是一條鐵路線路可承受的未來載重增加的能力，提高軸重和增加軸數是發展重載運輸的兩個方向，40 t軸重礦石車時如果軸重有10%的增幅，即最大運用軸重可提升為44 t，單車最高載重可達155 t，載重可增加16 t。本項目位于經濟相對落后的西非，主要運輸單一的鐵礦石，在使用期內軸重、運輸性質相對比較固定，其活載發展儲備系數安全儲備相應可以降低。

為進一步研究采用不同的活載發展儲備系數對上部結構工程量及造價的影響，以本項目31.1 m單線預應力混凝土現澆簡支箱梁(直線梁)為背景，活載分別采用1.0，1.1，1.2倍力拓公司40 t軸重Q系列不銹鋼礦石車車輛荷載進行加載，在保證結構強度安全系數基本接近且各檢算指標準均滿足我國重載鐵路設計規范要求的前提下，對比分析上部結構主要工程數量的變化。

跨度31.1 m單線預應力混凝土簡支箱梁采用等高度單箱單室截面，梁端頂底板及腹板局部向內外側加厚。梁長31 m，計算跨度29.5 m，支座中心至梁端0.75 m，橫橋向支座中心距2.6 m，箱梁截面中心高度為2.5 m，橋面寬7.1 m。跨中及梁端截面見圖8。

圖8 31.1 m單線簡支箱梁跨中及梁端截面(單位：mm)

其主要計算參數如下。

(1)梁體自重：γ取26.0 kN/m3。

(2)二期恒載：二期恒載包括橋上有砟軌道線路設備重，以及防水層、保護層、人行道欄桿、擋砟墻等附屬設施重，二期恒載取65 kN/m。

(3)活載：分別采用1.0,1.1,1.2倍力拓公司40 t軸重Q系列不銹鋼礦石車車輛荷載進行加載，動力系數參照美國規范計算。

結構檢算按TB 10625—2017《重載鐵路設計規范》執行，計算結果見表6。

由表6計算結果可以得出如下結論。

(1)對40 t軸重重載鐵路單線梁而言，活載內力已經超過了恒載內力，恒活比較小，結構設計對活載的變化相對比較敏感。

(2)在截面尺寸不變，活載提高至實際運營活載1.2倍的情況下，梁體剛度仍大于0.6×L/900的規范限值，說明箱梁整體剛度較大，比較適用于大軸重重載鐵路。

表6 縱向計算結果對比

(3)在梁體截面尺寸不變的情況下，活載增加0.1倍時，梁體預應力鋼絞線用量約增加350 kg，每孔梁工程造價約增加1.3%，對整個項目橋梁工程投資影響不大。

(4)本項目為鐵礦石專用線，運行的車輛相對單一和固定，且軸重較大，后期增加軸重的可能性較小，可以預留較小的活載發展系數，建議參照TB 10625—2017《重載鐵路設計規范》要求采用最小值1.1，即采用1.1倍的實際運營車輛荷載編組作為本線設計活載。

3 結論及建議

(1)根據40 t軸重貨車、機車的主要參數及列車編組方式可知，車輛荷載軸重大、車身長度短且編組長度長，控制結構設計的荷載為對應列車編組中的車輛荷載部分，機車荷載不控制設計。在鄰軸距和固定軸距相同的情況下，車輛越短荷載效應越大。

(2)ZH荷載圖示中集中荷載軸重與均布荷載的比值為2.94，Load Model 71荷載中集中荷載軸重與均布荷載的比值為3.13，與40 t軸重重載鐵路運輸特點不匹配，僅僅通過調整ZH荷載的荷載系數z或者Load Model 71荷載的調整系數α不能保證對于實際運營荷載的儲備在不同范圍內較為均衡。

(3)本項目為鐵礦石專用線，運行的車輛相對單一和固定，車輛選型確定后可采用實際貨車車輛荷載進行線下基礎設施的設計，活載發展儲備系數可以參照TB 10625—2017《重載鐵路設計規范》要求采用最小值1.1，即采用1.1倍的實際運營車輛荷載編組作為本線設計活載。

(4)分別采用1.0，1.1，1.2倍力拓公司40 t礦石車車輛荷載作為設計活載對本項目32 m簡支箱梁進行了試算，結果表明，在沖擊系數取值相同的情況下，活載提高對本項目上部結構造價影響較小。

(5)橋梁設計中采用的是靜活載和沖擊荷載之和，按不同的設計規范算出的沖擊系數相差較大，在確定列車活載標準時將沖擊系數和活載發展系數兩者合并考慮相對較為合理。目前缺乏40 t軸重重載鐵路橋梁沖擊系數的相關計算方法，建議結合活載圖示的研究同步開展40 t軸重重載運輸條件下列車沖擊系數的研究。