大轴重列车对既有线简支 T梁的静力影响研究

孔德艳

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

1 概述

铁路重载运输指在一定的技术装备条件下,采用大功率机车(一台或几台)牵引重载列车的运输方式。从世界铁路重载化运输的发展方向看,提高轴重、降低货车自重已经成为重载化的发展方向,不失为一种高效的重载化方案。提高轴重可以在现有到发线有效长度不变的情况下,提高牵引质量,从而提高运输能力。我国重载铁路与世界先进水平的差距,主要体现在提高轴重、降低货车自重这两方面存在不足,具体体现在桥梁设计方面就是荷载标准偏低,设计荷载均采用中-活载。随着重载的发展,轴重的提高,势必对既有铁路桥梁带来极大的影响。因此在重载作用下,对既有铁路桥梁的承载能力进行适应性分析是必要的。

本文以朔黄铁路为工程背景,朔黄铁路是一条以运煤为主的重载铁路,起于山西省朔县,经由山西省、河北省、天津市,终止于河北省黄骅港,正线全长 585 km。朔黄铁路全线共有桥梁 243座,共55 260延长米,桥梁设计荷载为中-活载。桥梁主要采用了标准设计的梁和墩台,个别桥梁采用了预应力混凝土连续梁和钢桁梁等结构。全线预应力混凝土简支 T梁占全线的比重为 85%左右,主要采用两种梁型,即普通高度标准梁专桥 2059和超低高度梁叁桥 2005,跨度以 24、32m为主,因此本文着重对其进行不同轴重重载分析。

2 计算荷载

朔黄铁路所采用的简支梁均采用标准设计,人行道按最宽的 1.55m设计,道砟厚度自轨底至梁顶按0.25m设计,这两项重力参数在开行万吨重载列车时按不会变化考虑。钢轨和枕木将更换,钢轨由 75 kg/m轨更换为 PDⅢ型 75 kg/m轨,钢轨的材质变化、重力的变化可忽略不计。朔黄铁路现铺设有Ⅱ型及Ⅲ型预应力混凝土枕,开行万吨重载列车后将全部更换为Ⅲ型预应力混凝土枕,Ⅲ型枕相比Ⅱ型枕每延米增加重力 0.18 kN,约为标准设计中的 5%,因所占比例较小,所以更换枕木对二期恒载的影响可不考虑[2]。

目前,大秦线运行的万吨重载列车采用了 C80车,每节车辆长度 12.00m,轴重 250 kN,车辆活载图式见图1。根据铁道部科学研究院研究报告[1],控制桥梁设计的重载列车活载为两边83.4 kN/m无限长均布荷载,中间一台 DF4内燃机车轴式、轴重 250 kN,计算图式见图2。显然,C80重载单元列车已经超过了中-活载图式的 80 kN/m标准。中-活载图式标准相对250 kN轴重重载列车来讲,等级偏低。单一的中-活载图式已经不适应当前铁路重载列车活载特征。由于目前我国还没有明确给出重载荷载图式,本文结合国内既有的科研成果和对未来重载车辆的参数预测,拟定出关于轴重 280、300、330 kN的荷载参数,机车荷载本文仍然采用中间一台 DF4内燃机车轴式、轴重 250 kN,具体参数见表1。计算荷载图式类比于 C80车辆荷载图式,将两边无限长的均布荷载针对不同轴重分别提高到 93.4、100、110kN/m。

图1 C 80车辆荷载图式(单位:mm)

图2 C 80控制桥梁设计的重载列车荷载图式(单位:m)

3 简支 T梁强度、抗裂性分析

随着梁体的荷载加大,应对梁体的自身承载能力进行检算,重点分析梁体在轴重 250、280、300、330 kN车辆荷载作用下,其应力、抗裂安全系数、强度安全系数指标的状况,以评定梁体在重载作用下是否具备正常使用基本条件。

表1 车辆及荷载参数

本文采用 BSAS结构分析软件,针对重载 250～330kN工况 ,对专桥 2059、叁桥 2005跨度 24、32m直、曲线预应力混凝土简支 T梁强度、抗裂性进行了计算,计算结果见表2、表3。

表2 专桥 2059跨度 24、32m预应力混凝土简支 T梁强度、抗裂性计算

专桥 2059 32 m直、曲线简支 T梁在轴重 250～330 kN荷载作用下梁体跨中下翼缘应力均未出现拉应力,梁体的抗裂安全系数及强度安全系数均满足规范要求,即重载作用下 32m简支 T梁强度、抗裂性均满足规范要求。专桥 2059 24m直线简支 T梁在轴重250～330 kN荷载作用下应力、强度及抗裂性安全系数满足规范要求。24m曲线梁在轴重 330 kN车辆荷载作用下梁体跨中混凝土下翼缘出现了拉应力,同时强度安全系数不满足规范要求。

表3 叁桥 2005跨度 24、32m预应力混凝土简支 T梁强度、抗裂性计算

叁桥 2005 32、24 m超低高度直线简支 T梁在轴重 250～330kN车辆荷载作用下梁体跨中下翼缘应力均未出现拉应力,梁体的抗裂安全系数及强度安全系数均能满足规范要求。32、24m超低高度的曲线简支T梁在轴重 330 kN车辆荷载作用下梁体下翼缘出现了拉应力,抗裂安全系数不能满足规范的要求。

4 简支 T梁刚度分析

列车的轴重由 250 kN加大到 330 kN,随着列车密度、牵引质量的增加,加大了活载对桥梁冲击频率[3],首先应关注梁体在静活载作用下梁体的竖向位移是否满足设计要求,本文针对专桥 2059、叁桥 2005中 24、32m单片简支 T梁进行了梁体的竖向位移计算,计算结果如表4所示。

表4 24、32m单片简支 T梁竖向挠跨比计算

从上面所列的梁体竖向刚度计算及评定的指标可以看出:随着上部活载的增大,梁体的竖向刚度表现为递减的趋势,从计算的结果来看,对于专桥 2059跨度24、32m普通高度预应力混凝土简支 T梁在轴重 250、280、300、330 kN车辆荷载作用下梁体的竖向挠跨比均满足规范要求限值 L/800,且刚度均有一定的储备;对于叁桥 2005 24、32m超低高度的预应力混凝土简支 T梁在不同吨位静活载作用下,梁体的竖向刚度储备均很弱,在轴重 330 kN车辆荷载作用下梁体的竖向刚度不满足规范限值要求。因此在既有线提高荷载标准时,对于超低高度梁由于自身刚度较弱应慎重。

5 简支 T梁的桥面板局部承压分析

简支 T梁标准设计中桥面板的列车活载按 3个轴重 250kN的特种活载设计,因其轴重与 C80车辆荷载250 kN重载列车轴重相同,距离相比更小,因此 250 kN列车活载的变化对简支梁桥面板无影响[2]。但随着重载列车轴重的加大,有必要对简支 T梁的桥面板进行局部承压检算分析。由于专桥 2059和叁桥 2005简支 T梁桥面板厚度相近,因此本文仅对专桥 2059的普通高度 T梁的桥面板进行了重载计算。

计算恒载考虑了线路设备道砟等重力、桥面板自重、人行道支架重、人行道板重。计算活载分别考虑了轴重 250、280、300、330 kN车辆荷载,人行道竖向静活载;检算部位为内悬臂板和外悬臂板,检算控制截面为位于厚度变化处及悬臂根部,悬臂板的厚度为 12～20.5 cm。计算结果见表5。

表5 专桥 2059跨度 24、32m预应力混凝土简支T梁桥面板应力计算

从以上的计算结果可以看出:检算轴重 250、280、300、330 kN列车荷载作用下桥面板的混凝土压应力均在规范容许范围内,在轴重 250、280 kN列车荷载作用下钢筋应力及混凝土的裂缝均没有超过规范容许值的 5%。在轴重 300、330kN列车荷载作用下曲线梁的外悬臂板根部的钢筋应力及混凝土的裂缝均超限值。在轴重 330 kN列车荷载作用下内悬臂板的根部钢筋应力及混凝土的裂缝均超过容许限值,不能达到局部承压的要求。

6 结论

32、24m预应力混凝土简支 T梁在重载作用下,梁体的竖向刚度大部分满足规范要求;仅 32m超低高度简支 T梁在轴重 330 kN荷载作用下,曲线梁竖向刚度不满足规范要求。从计算结果来看,超低高度梁的竖向刚度安全储备较低,因此在既有线提高荷载标准时,对于超低高度梁应特别慎重地对待。在重载作用下也仅在轴重 330 kN荷载作用下简支 T梁体的应力及抗裂性不能满足规范要求。

在 300、330 kN荷载作用下,梁体的桥面板的钢筋应力及混凝土的裂缝均超出规范限值,因此既有线重载运输当车辆轴重超过 300 kN时,梁体的桥面板均需要进行加固。

当车辆的轴重达到 330 kN时,对于预应力混凝土简支 T梁,需要全面的加固;车辆的轴重达到 280 kN时,虽然各项指标都满足规范要求,但对提高运能的作用不显著;车辆的轴重达到 300 kN时,仅需对桥面板进行加固,因此既有朔黄铁路重载运输的轴重提高到300 kN是较为适宜的。

另外,开行大轴重重载列车,采用新型机车、车辆和轨道结构,机车、车辆在通过桥梁时运行平稳性和安全性参数将发生变化,尚需对其不同行车速度情况下车线桥动力特性和列车走行性进行分析研究。列车轴重越大,应力循环的幅值越大,将直接导致疲劳损伤加剧,降低桥梁结构的疲劳寿命,因此还需研究既有桥梁结构的疲劳寿命。

[1] 中国铁道科学研究院.客货共线和货运铁路桥梁活载标准荷载研究铁路中-活载图式修订和分级标准研究[R].北京:2005.

[2] 左家强.大秦铁路开行 2万 t级重载列车对既有桥梁上部结构的影响[J].铁道标准设计,2006(1):43-44.

[3] 王旭荣,张俊俭.大秦线重载条件下桥梁加固措施分析[J].中国铁路,2009(6):63-66.

[4] 周 军.朔黄线开行万吨列车(机务运用部分)的调研报告及分析[J].铁道建筑技术,2007(S):157-160.

[5] 辛学忠,张玉玲,戴福忠,等.铁路列车活载图式[J].中国铁道科学,2006(2):31-36.

[6] 戴福忠,陈雅兰.重载铁路桥梁设计列车标准活载的研究[J].中国铁道科学,2004(4):81-85.

[7] 铁科技函[2006]60号,关于印发铁路桥梁活载标准的研究科研成果评审意见的通知[S].

[8] TB10002.1—2005,铁路桥涵设计基本规范[S].

[9] TB10002.3—2005,铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].