蒙西至华中地区铁路煤运通道设计活载选用初探

金福海,文望青,许三平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

蒙西至华中地区铁路煤运通道设计活载选用初探

金福海,文望青,许三平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

简要介绍我国重载铁路机车及货车的基本概况、国外重载铁路的轴重标准以及蒙西至华中地区铁路煤运通道的主要运输特点,分析了不同运输方式活载图式的选择不仅取决于本线运营列车活载及其预留发展储备,尚需考虑相关既有线的实际情况的选用原则。通过对周边既有线桥涵的调研,研究了既有线桥涵对不同轴重的适应性,最后通过对不同活载图示、荷载效应及配套规范的使用情况分析,得出了蒙西至华中地区铁路煤运通道宜优先采用ZH活载(Z=1.0)设计,或按UIC71活载(α=1.0)设计,并按中-活载(2005)长大重车检算图式进行相关检算的结论。

重载铁路;煤运通道;设计活载;轴重

1 概况

近年来,铁道部大力推进铁路机车车辆装备现代化,目前全路机车以韶山、东风、和谐等系列为主,新型大功率交流和谐型货运机车现已达1.3万台以上,占机车保有量的60%(铁道部“十二五”发展规划)。韶山、东风系列机车轴重大多为230 kN,和谐系列机车轴重有230 kN和250 kN两种,其中轴重250 kN和谐型机车主要运用于大秦铁路等重载运煤专线。为适应我国既有铁路线路、桥梁的实际承载能力,加快铁路装备现代化进程,满足通用货车由600 kN级向700 kN级的升级换代要求,铁道部集中研发了700 kN级敞、棚、平等通用货车,并大量投产。因此,目前我国铁路机车车辆的轴重在210～230 kN,少量为250 kN,主要为C80型货车。我国目前仅大秦铁路等少数运煤专线的轴重达到了250 kN,在建的山西中南部铁路通道以煤运为主,按300 kN轴重标准设计。表1为我国主型货车相关参数。

表1 我国主型货车相关参数

国际方面,美国Ⅰ级铁路标准轴重已达400 kN,南非煤车轴重为260 kN,澳大利亚货车轴重一般为250、270 kN和350 kN,加拿大、巴西、瑞典等国货车轴重均达到或超过300 kN。

蒙西至华中地区铁路煤运通道具有煤炭产地多、消费地分散,衔接的集疏运线路较多,且通道上煤炭消费地少、消耗小等特点,不同于大秦铁路等“点到点”运输性质的重载铁路,其轴重标准的选择与集疏运线路的相关性较强,活载图式的选择宜考虑相关既有线的实际情况。

2 运输方式决定活载图式选用原则

(1)点到点的运输方式

点到点的运输方式如大秦铁路、朔黄铁路、山西中南部铁路等,活载图式的选择仅仅取决于本线运营列车活载及其预留发展储备,因此可采用能显著提高运输能力的新中-活载(2005年)货运专线活载图式,并根据本线特点选用不同(Z=1.0、1.1、1.2)的设计等级。根据相关研究结论,货运专线设计等级至少应取1.1级(Z= 1.1),考虑发展储备及减少梁型等因素,宜优先采用1.2级(Z=1.2)。由于欧洲UIC71活载图式与ZH活载图式相近(仅均布荷载稍有不同),也可采用欧洲UIC71活载图式,并根据本线特点选用不同(α=1.0、1.1、1.21)的“分级垂直荷载”,级差均为10%。

(2)点到面的运输方式

从本线运量特征可以看出,本通道货流以煤炭为主,煤炭产地、消费地较为分散,且多不位于本线上,需要通过相关线路集结、疏运,集疏运线路较多,各段运量水平差异也较大。为典型的点到面的运输方式,活载图式的选择不仅取决于本线运营列车活载及其预留发展储备,尚需考虑相关既有线的实际情况。如果采用现行中-活载图式(或ZH活载,Z=1.0),则本线与相关相邻线路具有相同裕度的预留发展储备(当然部分线路由于修建年代较久,可能不具备预留发展储备),但运输能力相对较弱。若采用ZH活载图式(Z= 1.1或1.2),虽然提高了运输能力,但相关邻近既有线路桥涵经扩能改造后尽管暂能满足C80货车运营的近期要求,但却无预留发展的储备,且无法有足够的设计冗余来适应可能的极端不利情况。

3 既有桥涵对不同轴重的适应性

根据本线特点,疏运系统涉及的南北向线路主要有焦柳、京广、京九、益湛等线,东西向线路主要有襄渝、汉丹、武九、长荆、石长等9条干(支)线铁路。我国既有桥涵大量采用标准设计,一般大、中桥采用标准跨度简支梁。常用24、32 m梁,一般采用预应力混凝土简支T梁,梁图根据设计规范修编,设计荷载、设计、施工养护经验、提速后动力性能、耐久性设计等方面不断优化,从“大(65)138”,“专桥(66)015”、“叁标桥2017～2024系列”、“专桥2116”、“专桥2119”、“专桥2059”、“专桥2051”、“专桥9753”、“通桥2101”到“通桥2201”也是不断变化,少数特殊结构采用预应力混凝土连续梁或钢梁,桥墩一般采用实体墩,部分较早修建的桥墩还采用了轻型桥墩,涵洞一般为钢筋混凝土盖板涵或圆涵。由于设计年代及理念的不同,早期设计的梁部主要存在桥面宽不足、道砟厚度不足、钢筋保护层厚度不满足耐久性规范要求、部分梁部强度不满足新规范要求等问题,桥墩也存在刚度不足,钢筋保护层厚度不足等问题。从大秦铁路运营情况来看,车辆轴重提高到ZH活载(Z=1.0)后,桥梁、轨道、路基的病害较为突出,主要表现为桥梁隔板断裂、梁体裂纹、墩台裂损、梁端顶死、支座倾斜,涵洞裂损、变形等。既有桥涵对重载列车的适应性涉及桥涵设计标准、修建年代、建筑材料、施工工艺、设计安全系数、桥梁养护等诸多因素。

一般来说,重载列车对桥涵的影响主要在竖向承载能力、横向振动及纵向受力3个方面。通过对临近既有线桥涵开行重载列车分析表明,存在部分梁体强度、抗裂性不能满足新版规范要求,梁体下缘出现较大拉应力,横向振幅过大、墩台偏心超限、桩基承载力超限、涵洞填土不足等问题,从而加速了桥梁病害的发生和发展,降低了行车安全性。

我国铁路一直延续按照1975年版本的“中-活载”标准进行设计,曾有报批的2005年新版的“ZH活载”标准,其中活载有了相应的提升,且通过鉴定,但目前尚未颁布。列车驶经桥梁时,桥梁结构在列车移动荷载作用下发生振动,桥梁结构的动力响应大于静力响应,影响桥梁动力系数的主要因素有:列车轴距、列车速度及机车动轮不平衡重周期性锤击作用;桥梁的跨度、自振频率及阻尼、桥面系规则排列的支承;轨道不平顺、车轮缺陷等。由于缺少相关的研究,“ZH活载”的桥梁动力系数暂按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)规定值取用。

(1)梁部

既有铁路桥梁在2001年前一般较多的采用的是“专桥2059”标准梁图,2001年结合99新规范编制了“专桥(01)2051”;期间2004年为适用于下部结构已施工的遂渝、胶济、武九、浙赣、陇海等线,编制了“专桥9753”;2005年结合05新规范编制了“通桥(2005) 2101”。为了评估既有铁路开行煤运通道活载列车做出比较准确的评价,需对梁部进行检算。

以下针对目前使用较多的“专桥2059”和通桥(2005)2101进行检算。

对煤运通道列车活载采用轴重250 kN,即中-活载(2005)ZH标准(Z=1.0)作用下梁部计算。

①通桥(2005)2101-Ⅰ梁图的计算结果见表2。

表2 通桥(2005)2101-Ⅰ梁图的计算结果

上述结果是在冲击系数α=2考虑的。

从计算结果可以看出,对于煤运通道列车活载采用ZH活载(Z=1.0)时,梁部采用通桥(2005)2101 -Ⅰ32 m简支T梁时,主梁的正应力虽然超限不大,但结构的抗弯强度和抗裂性能却没有达到规范要求,结构安全性存在一定的风险和隐患。当开行270 kN及以上轴重列车时,通桥(2005)2101不能满足现行规范要求。

②“专桥2059”标准梁图采用ZH活载(Z=1.0)进行检算,其梁部的检算结果见表3。

表3 专桥2059”标准梁采用ZH活载的检算结果

从表3计算结果可以看出“专桥2059”标准梁图在ZH活载(Z=1.0)作用下,梁部的强度不足,且正截面应力也超限较多,不能满足现行的规范要求。

结合本线既有疏运线路情况,既有线使用较多的是“专桥2059”以前的标准梁,部分较早修建的线路还有采用“Π”型梁、武九线扩能改造使用了“专桥9753”,2005年后一般采用“通桥(2005)2101”,汉丹线增建二线部分梁采用“通桥(2005)2201”,详见表4。从以上梁部检算来看,当采用新中-活载(2005)货运专线ZH活载(Z=1.0)活载图式,“专桥2059”、“通桥(2005)2101”梁均不能满足现行规范要求,考虑中-活载动力系数按照蒸汽机车偏心轮冲击力考核,加之采用无缝线路后,动力系数裕度较大,具备扩能条件。当开行270 kN及以上轴重时,所有既有线梁部均不能满足现行规范要求。

另外,较早修建的梁部还存在梁体横向刚度不足的问题,部分梁体虽经过提速加固,还是存在横向联结偏弱,梁体横向振幅超限的问题;若采用轴重250 kN时,即(ZH活载,Z=1.0)活载,则根据相关规范要求,道砟厚度需增加,从而造成二期恒载增加。

(2)下部结构

桥墩一般采用实体墩,部分较早修建的桥墩还采用了轻型桥墩,涵洞一般为钢筋混凝土盖板涵、拱涵或圆涵。存在的主要问题是桥墩横向刚度不足、石砌墩台在重载条件下的长期适应性不足、木桩等不明基础的使用状况不详、耐久性问题突出、结构劣化严重、涵洞填土厚度不足等,随着列车轴重增加、编组加大和运营密度提高,列车的累计效应明显增大,桥梁病害逐渐增多且存在加速发展的趋势,列车运营存在安全隐患。

4 不同荷载图式对比分析

(1)不同设计荷载图式(图1～图4,表5)

图1 中-活载(2005)长大重车检算图式(单位:m)

图2 欧洲UIC活载图式(单位:m)

图3 UIC SW活载图式(单位:m)

图4 中活载图式(单位:m)

表4 煤运通道相关既有线桥涵概况

(2)荷载效应对比分析

①在不计动力的情况下,UIC71活载比中-活载为重(一般高出5%),考虑动力系数后,实际活载效应中-活载比UIC71活载稍大。

②采用相同动力系数条件下,对于32 m梁, UIC71活载(α=1.0)与ZH活载(Z=1.0)的荷载效应没有太大差异。

③中-活载(2005)长大重车检算图式与欧标重交通使用的SW/2图式完全相同。

④中-活载、UIC71活载(α=1.0)与ZH活载(Z=1.0)对32 m梁的荷载效应(考虑动力系数)相差不大。详见表6。

表5 中-活载(2005)设计活载图式

表6 32 m简支T梁不同活载图式技术指标

(3)配套规范的使用

目前铁路采用的规范为按容许应力法设计的规范,而欧标为按极限状态法设计的规范,两者之间有一定的差异。其中抗力的分项系数,比较容许应力法和欧标极限状态法,其抗力的组合效应在2.0/1.35= 1.481～2.0/1.5=1.333之间;参考公路规范,材料变异系数约为1.25,工作条件变异系数约为0.95(新规范引入了重要性系数为1.1),则其组合效应为1.25× 1.1=1.375,相当于荷载系数2.0/1.375=1.45,是与欧标铁路桥活载分项安全系数1.45吻合的(恒载安全系数为1.35)。因此新旧规范的安全裕度是基本相当的,也就是说规改的原则是保证结构按新旧规范设计具有较为相近的安全裕度水平的思路是正确的,与经济发展水平是相适应的。

5 主要结论及建议

根据国内外铁路运输情况,大力发展大轴重的重载运输是发展趋势,但还需综合考虑线路集疏运系统。中-活载图式已不能适应货运重载运输的需要;欧标UIC活载图式配套规范采用的是极限状态法,也与铁路规范不配套;新的中-活载(2005)货运专线活载图式,应通过大量的现场试验,加强动力系数的研究,制订切合实际的动力系数计算公式,为修订活载标准提供参考。新的中-活载(2005)货运专线ZH活载图式(Z=1.0)运输能力较原中-活载标准有所提高,其荷载效应与原中-活载差异不大,相邻既有线具备扩能改造条件,最适合本线采用。

综上所述,根据本线特点,结合相邻既有线情况,蒙西至华中地区铁路煤运通道宜优先采用ZH活载(Z=1.0)设计,或按UIC71活载(α=1.0)设计,并按中-活载(2005)长大重车检算图式进行相关检算。

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Preliminary Study for Selection of Design Live Load of Coal Transportation Railway Line from Western Inner Mongolia to Central China

JIN Fu-hai,WEN Wang-qing,XU San-ping
(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

The general situation of the locomotives and freight trains in our country's heavy haul railway, the axle load standards of foreign heavy haul railway,and the main transportation characteristics of the coal transportation railway line from Western Inner Mongolia to Central China are briefly introduced in this paper.Then the principle of selection is analyzed,that is:the selection of live load diagram under different transportation mode depends not only on the live load of operational train of itself line,and on its development-reserved margin,but also on the actual situation of relevant existing railway lines. Furthermore,by investigating the bridges and culverts on the existing railways in peripheral zone,the adaptability of the existing bridges and culverts to different axle loads is researched.Finally,by analyzing on the use condition of different live load diagrams and effects and standards,the conclusion is drawn out,that is:the design of the coal transportation railway line from Western Inner Mongolia to Central China should be designed preferentially according to ZH live load(Z=1.0),or according to UIC71 live load(α=1.0),also the relevant checking calculation based on the checking calculation diagram for super long-heavy haul train under China-live-load(2005)should be carried out.

heavy haul railway;railway line for coal transportation;design live load;axle load

U441+.2

A

1004-2954(2013)03-0048-05

2012-10-31

金福海(1963—),男,教授级高级工程师,1984年毕业于上海铁道学院,工学学士。