重载铁路超低高度梁安全运营性能研究

张二田

（朔黄铁路发展有限责任公司 河北肃宁 062350）

1 引言

铁路承担着繁重的货物运输任务，在大力发展重载运输的当前，随着单元列车轴重的加大、列车牵引质量的提升以及行车密度的不断增加，铁路运力和经济效益得到了显著提高。但是，桥梁作为铁路线路的重要组成部分，遭受到的冲击振动、梁体开裂等病害也相对增多，严重时将危及铁路行车安全。

本文以32 m 普通高度梁和超低高度梁为工程背景，研究对比普通高度梁和超低高度梁在重载运输环境下运营安全性能并得出了一些有意义的结论，可为今后重载运输下超低高度梁的运营安全提供参考。

图1 韩村大桥实景图

图2 南运河特大桥实景图

2 研究背景

朔黄铁路韩村大桥（166#桥）是依照叁桥2005 建立的32 m 超低高度后张梁，梁高2.05 m，位于河北省安国市西侧，桥跨布置为5×32 m，全桥位于直线上，大桥实景图见图1。

朔黄铁路南运河特特大桥（243#桥）是采用叁桥2019 建立的32 m 普通高度预应力混凝土梁，梁高2.5 m，位于河北省沧州市北，跨越京杭大运河，上下行分离，实桥图见图2。

3 结构有限元分析对比

采用有限元分析计算，施加的荷载类型包括C70 型重载列车荷载、C80 型重载列车荷载和中—活载。归纳不同荷载类型和不同轴重作用下给铁路桥梁带来的影响。

图3 不同活载下的桥梁挠度值对比图

3.1 桥梁静挠度分析

对于简支桥梁来说，跨中挠度是反映桥梁整体刚度的重要参数。通过有限元计算，32 m 超低高度梁在中—活载、C70 型和C80 型重载列车作用下竖向挠度值的对比图见图3，超低高度梁跨中挠度值及挠跨比见表1。

表1 不同荷载形式下的跨中挠度值及挠跨比

图4 不同轴重下桥梁的竖向挠度

从图3 可以看出，超低高度梁在C70 型和C80 型列车荷载作用下的静挠度值均小于中—活载（设计荷载）作用下的值。C80 型列车由于载重和轴重均大于C70 型列车，桥梁静挠度必然较大。

从表1 中的数据可以看出：三种荷载作用下超低高度梁的挠跨比均大于挠跨比设计限值，满足桥梁设计规范中的相关规定。

通过改变C80型列车活载图式中均布荷载的数值进行有限元计算，轴重为25 t、28 t、30 t 和33 t 的列车荷载作用下的超低高度梁静挠度图见图4。超低高度梁的跨中挠度最大值及挠跨比见表2。

表2 不同轴重下的竖向挠度及挠跨比

从图4 可以看出，超低高度梁在不同轴重下的挠度曲线图形是基本相同的，只是挠度值随着轴重的增加而增大。

从表2 中的数据可以看出，超低高度梁的挠跨比除了在C80-33 t 作用下不满足挠跨比设计限值外，其余均满足满足桥梁设计规范。

通过有限元计算，32 m 普通高度梁在中—活载、C70 型和C80 型列车荷载作用下的跨中竖向挠度值见表3，与32 m 超低高度梁跨中挠度最大值的对比图见图5。

表3 不同荷载形式下的竖向挠度及挠跨比

从表3 中的数据可以看出，三种活载作用下普通高度梁的挠跨比均满足挠跨比设计限值，满足桥梁的设计规范的相关规定。与超低高度梁一样，中—活载下桥梁的挠度最大，轴重为25 t 的C80 次之，轴重为23 t的C70最小。

从图5 可以看出，32 m 超低高度梁的跨中挠度值比32 m 普通高度梁的跨中挠度值大将近一倍，在桥梁跨度一致的情况下，桥梁刚度明显是随着桥梁高度的降低而减小的。

图5 两种梁型跨中挠度对比

3.2 桥梁固有振动分析

桥梁的固有振动特性主要指的是固有频率和振型，反映了桥梁对动荷载的敏感程度，是桥梁动力分析的基础，对正确分析车辆、风和地震对桥梁的动力响应有着重要的作用。

采用空间有限元法分别对静力分析的两种桥梁模型进行周期与振型的计算，由于结构的前几阶振型对桥梁振动形式起控制作用，所以提取两种梁型的前十阶振型对应频率值进行分析，两种强度的混凝土（500 号和600 号）计算所得频率值见表4。

由表4 中的数据可以看出，采用同型号的混凝土时，超低高度梁的第一阶横向频率高于普通高度梁；而普通高度梁的第一阶竖向自振频率高于超低高度梁。超低高度梁的横向刚度较大，普通高度梁的竖向刚度较大。

表4 频率值列表（单位/Hz）

在使用较高强度混凝土时，桥梁的频率值都有一定程度的增加。所以在梁型受到环境限制时，采用高强度混凝土可以进一步保证铁路桥梁的运营安全。

3.3 桥梁动力分析

铁路桥梁结构在运营的过程中，破坏因素主要来自于各种列车荷载引起的桥梁振动，必须对桥梁的动力性能进行评定，以保证重载列车安全的通过铁路桥梁。进行有限元分析时，分别使C70 型列车荷载和C80 型列车荷载以一定的速度通过铁路桥梁，提取相关的桥梁动力参数进行分析，结果见表5、表6。

表5 不同速度下跨中挠度最大值（单位/mm）

表6 不同轴重下跨中挠度最大值（单位/mm）

从表5 中的数据可以看出：在65 km/h～80 km/h 的速度范围内，C70 型列车和C80 型列车通过超低高度梁和普通高度梁时，桥梁动挠度并不是随着速度的增大而呈线性增加，而是伴随波动。

从表6 可以看出，随着列车轴重的增加，桥梁的跨中挠度是不断增大的。当列车行至桥梁跨中时，桥梁的跨中动挠度变化最大。

4 既有铁路桥梁运营性能试验对比

为了确定32 m 超低高度简支梁的安全运营性能，选定朔黄铁路的韩村大桥（超低高度梁）、南运河特大桥（普通高度梁）2 座桥梁在C70 型重载列车以现行速度通过桥梁，测试次数为5 次。不同速度的万吨重载列车作用下的运营性能进行检测，得到桥梁运营荷载作用下结构的动挠度、梁跨跨中振幅以及梁跨自振频率等动态性能指标，考察梁跨横向刚度等运营性能指标。

4.1 超低高度梁试验结果分析

表7 韩村大桥测试参数实测值（最大值）统计表

表8 振动测试结果统计表（现行速度过路列车）

从表7 和表8 来看，考虑到桥梁模型和列车荷载的简化，计算值与实测值的误差是在允许的范围内。不同速度下的桥梁跨中挠度并不是随着速度的增大而线性增加的。这一结论与有限元仿真计算时所得出的结论也是一致的。

通过对以上三个超低高度梁运营参数进行仿真计算值和实测值的分析比对，证明了有限元分析的有效性和准确性。

4.2 普通高度梁试验结果分析

表9 南运河特大桥测试参数实测值（最大值）统计表

表10 振动测试结果统计表（现行速度过路列车）

从表9 和表10 来看，考虑到桥梁模型和列车荷载的简化，计算值与实测值的误差是在允许的范围内。通过对以上三个普通高度梁运营参数进行仿真计算值和实测值的分析比对，证明了有限元分析的有效性和准确性。

5 结论

本文以重载运输下的32 m 超低高度简支梁（叁桥2005）和32 m 普通高度简支梁（叁桥2019）为研究对象，通过有限元仿真分析与实桥试验相结合的方法，对重载铁路桥梁进行运营性能的分析。得出如下结论：

（1）在同样的活载类型下，超低高度梁的跨中静挠度大于普通高度梁一倍以上，超低高度梁的刚度较差。所以在必须采用超低高度梁的地段，可以通过采用高强度混凝土对桥梁的刚度进行加强。

（2）超低高度梁的一阶振型为竖向振动，二阶振型为横向振动，竖向刚度小于横向刚度。普通高度梁的一阶振型为横向振动，二阶振型为竖向振动，竖向刚度大于横向刚度。采用高强度的混凝土时，桥梁刚度增大。

（3）在一定的速度范围内，桥梁跨中动挠度并不是随着速度的增大而增大的，而是伴随波动；桥梁跨中横向加速度的振动形式是基本一致的，但加速度的最大值和发生的时刻不同。

（4）将有限元计算结果与实测结果对比分析，两者在数值和变化规律上都基本一致。验证了仿真计算与荷载试验相结合的方法是可行且有效的。

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