27 t轴重货车车—桥耦合响应分析*

田光荣，高芒芒，王新锐

（1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081；2 中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京100081）

专题研究

27 t轴重货车车—桥耦合响应分析*

田光荣1，高芒芒2，王新锐1

（1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081；2 中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京100081）

利用车—桥耦合计算模型，从静力和动力两个方面分析了27 t轴重货车在既有线运行时车辆和桥梁的耦合响应特性进行了分析。结果表明27 t轴重货车具有较好的动力学性能；在充分考虑车辆运行状态和桥梁安全储备的基础上，需对既有桥梁，特别是小跨度桥梁等设备状态进行必要的评估和监测，以确保27 t轴重货车开行的安全性。

车—桥耦合；动态响应；评估；安全

在重载运输快速发展的历程和经验总结中，通过增加货车轴重来提高运输效率被公认为是最重要的措施之一。目前以美国、加拿大、澳大利亚、南非为代表的重载发达国家的轴重基本上是30 t以上，最大达到40 t左右。目前，我国通用货车中23 t轴重占主导地位，在诸如大秦线等运煤专线上25 t轴重敞车也得到了广泛的运用。要大力发展重载运输，使我国达到重载运输发达国家的水平，研制和推广运用27 t及以上轴重货车就显得极为必要［1］。

目前，相比于大规模新建专用线等措施，在既有线开行27 t轴重货车的可行性和经济性更佳。与既有70 t级通用货车和25 t轴重运煤专用敞车相比，27 t轴重通用重载货车的轴重分别增加了17.4%和8.0%，增加的轮轨力通过轮轨相互作用传递给钢轨、路基和桥梁等线下基础设施，文献［2］就探讨了轴重增加到25 t的过程中对铁路轨道结构应采取的加强与维修措施。因此，在研究和发展27 t轴重货车的同时，不可忽视的重要问题就是轴重提高之后对既有线路基础设施的影响。因此，本文拟从车—桥耦合系统的角度出发，运用数值仿真计算方法关注27 t轴重货车动力学性能和桥梁动力响应随轴重的变化规律，评估不同轴重（不同每延米重）及不同桥梁类型等条件下，既有线路和桥梁对27 t轴重货车的适应性，分析二者耦合条件下的动态响应规律。

1 桥梁静力分析

表1和表2分别给出了25 t轴重C80运煤专用敞车和27 t轴重货车活载与中—活载标准的比较结果。

根据25 t、27 t轴重货车活载作用下的静力效应与中—活载比较的结果，可知开行21 t轴重货车，在跨度200 m以内桥梁产生的荷载效应平均为中—活载的0.71；开行25 t轴重货车，在跨度200 m以内桥梁产生的荷载效应平均将达到中—活载的0.82；开行27 t轴重货车，在跨度200 m以内桥梁产生的荷载效应平均将达到中—活载的0.92，桥梁强度发展储备平均仅为8%，对小跨度桥梁而言，甚至超出了设计活载。这个结论与车—桥振动分析的相关研究结论在一定程度上比较一致［3-6］，而且既有线的运用经验也证明了小跨度桥梁的活载储备量较其他跨度低，在实际运输过程中需进行监测和加固。

因此，在既有线开行27 t轴重货车，需对既有桥梁，特别是小跨度桥梁的适应性进行深入分析，进行全面监测或者加固等，以确保运输安全性。

2 车—桥耦合计算模型

对于车—桥耦合系统，主要由列车系统和桥梁系统构成，形成了列车—钢轨—桥梁耦合系统，在计算过程中从求解和关注对象角度出发，简化了轮轨接触关系。

列车模型是由机车和车辆组成，每节机车（车辆）都是由车体、转向架以及弹簧、减振器等组成的多自由度空间振动系统（质量—弹簧—阻尼系统）。

我国既有铁路常用跨度桥梁一般采用钢筋混凝土或预应力混凝土双片式T梁结构，其中绝大部分桥梁跨度为24 m和32 m，以及8 m小跨度梁，故采用有限元软件针对类似于这3种典型跨度的桥梁，分别建立有限元模型，然后利用车桥耦合计算程序建立如图1所示的车—桥耦合计算模型。

全桥模型Ⅰ：预应力混凝土低高度T梁，跨度20.6 m，梁高1.35 m，墩高7.6 m；

全桥模型Ⅱ：预应力混凝土T梁，跨度32.6 m，梁高2.5 m，墩高22 m；

全桥模型Ⅲ：钢筋混凝土低高度板，跨度8.5 m，梁高0.55 m，墩高4.6 m。

3 车—桥耦合动态响应计算分析

3.1 轴重及每延米重的影响

国外重载运输发达国家的货车每延米重能达到或超过10 t/m，我国新的2005活载标准将每延米重由8 t/m（1975年的中－活载规定）提高到了8.67 t/m，增加了8.4%，机车轴重由22 t提高到25.51 t，提高了16%，特种载荷轴重由25 t提高到28.57 t，提高了14.3%。货物列车对桥梁的影响主要体现在轴重（每延米重）方面，有研究认为：轴重的提高主要对小跨度桥梁影响较大，每延米重的提高主要对中等跨度以上桥梁影响较大［2-6］。因此，通过数值计算分析27 t轴重货车在装载不同轴重状态时（23，25 t和27 t）通过上述3种结构形式桥梁（涵盖小跨度和中等跨度以上桥梁）时的车—桥耦合的动态响应结果，其中桥梁的动态响应如图2～图4所示，车辆的动力学响应如图5～图7所示。

根据以上计算结果可知：

（1）车辆系统：对于车辆系统本身而言，由于计算中简化了轮轨接触关系，因此动力学响应规律不甚明显，但有一点可以说明的是轴重由23 t依次增大到25 t、27 t，在100 km/h及以下速度范围内三者差别有限，当速度高于100 km/h时，轴重越大，轮轴横向力越大，但脱轨系数并未随轴重增大有增大的趋势，说明27 t轴重货车转向架在装载27 t轴重时表现出不错的低动力性能；

（2）桥梁方面：总体而言，跨中垂向动挠度随轴重增大而增大，棚车要低于敞车，跨度由20.6 m增加到32 m，跨中垂向和横向动挠度均增大约60%，而跨度由32 m减小到8 m时，跨中垂向动挠度降低为原来的1/5左右，横向动挠度略有降低，但是对应桥梁模型III而言，在27 t轴重时敞车和棚车的垂向动挠度要略小于25 t轴重的情况，也就是说桥梁的结构形式对车桥响应也有一定的影响；就跨中垂向加速度而言，小跨度（8 m）桥梁明显要小于20 m和32 m跨度的桥梁，横向加速度变化不大；对于同类型车辆，当轴重增大之后，桥梁垂向动力响应的反映最为明显。因此，每延米重的增大反映在桥梁上最直接的就是跨中垂向动挠度的增大；敞车引起的桥梁垂向振动加速度大于棚车，棚车引起的桥梁横向振动加速度大于敞车，但所有工况下均小于安全限值。此外，可以看出桥梁的横向振动对车辆长度较为敏感。

3.2 桥梁动态响应结果分析

本文的主旨是分析27 t轴重货车在既有线运行的适应性问题，因此，线下基础，特别是桥梁结构的动态响应就尤为重要。下面以27 t敞车通过时桥梁跨中动挠度为例来分析桥梁动态响应结果，图8为跨度与跨中动挠度的关系曲线。

由图8可见跨中动挠度随跨度增大而呈现增大趋势，但并非为线性关系，其中32 m跨度桥梁在27 t轴重货车通过时的跨中动挠度明显大于其以下跨度桥梁，跨度16～24 m简支梁的动挠度相当，8 m简支梁的跨中动挠度明显小于另外几个计算跨度的对应值。

此外，以桥梁模型II在27 t敞车、美国六级谱条件下运行的动力响应为例，图9为车速与跨中动挠度的关系曲线。由图9可见跨中挠度随车速增加变化不大，可认为无共振发生。

3.3 列车邻轴距的影响

针对邻轴距对车—桥响应的静力分析，有研究表明［3］：车辆邻轴距主要影响6～20 m范围的桥梁受力，对跨度20 m以上的桥梁结构影响相应降低。本文拟从动力角度分析邻轴距对车—桥耦合系统响应特性。

由图10的小跨度桥梁（跨度8 m）动力响应可以看出，在车辆轴距、定距不变的情况下，邻轴距增加对小跨度桥的影响较为显著，主要体现在跨中动挠度随邻轴距增加而减小，但邻轴距的改变尽管对桥梁的横向动力响应和桥梁的振动加速度有影响，但无显著规律。此外，还对32 m跨度的简支梁桥进行了对应的计算，结果表明邻轴距的改变对桥梁的各项动力指标均无显著影响，故不再赘述。

此外，根据车辆动力响应可知：与桥梁的情况类似，邻轴距的改变在跨度8 m的情况下对车辆动力响应的影响大于32 m的情况，且对车辆垂向动力响应的影响大于对横向的影响，但在轨道状态、桥梁参数等因素的综合影响下，难以总结出明显规律。

4 结 论

利用车—桥耦合模型计算分析了27 t轴重货车在不同轴重和每延米重条件下在既有线运行时的车—桥耦合相关问题研究，根据计算结果可知：

（1）27 t轴重货车轴重由23 t变化到27 t，动力学性能指标有增大趋势，但未出现线性趋势，每种轴重条件下，随速度增大，动力学指标有增大趋势，27 t轴重货车在降低动作用力（动载荷）方面表现出较好的优势。

（2）既有线小跨度桥梁对27 t轴重货车的适应性要差于中等以上跨度桥梁，小跨度（8 m）桥梁的跨中垂向加速度明显小于其他跨度桥梁；此外，桥梁的横向振动对车辆长度较为敏感。

（3）邻轴距增加对小跨度桥的动态影响较为显著，而且在小跨度情况下，邻轴距的改变对车辆垂向动力学响应的影响要大于其对横向动力学响应的影响。

综上可知，既有线开行27 t轴重货车是一个复杂的综合问题，与车辆和线路、桥梁等密切相关，为确保运行安全性，考虑到既有桥梁对于27 t轴重货车运行的安全储备量，建议在保证车辆性能的基础上还需对线、桥等设备进行调研和监测，适当的时候进行必要的加固。

［1］ 耿志修.大秦铁路重载运输技术［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

［2］ 江成.货车轴重的增加对铁道线路的影响［J］.铁道工程学报，1997，（3）：165-172.

［3］ 胡所亭，牛斌，柯在田.我国既有铁路桥涵对大轴重货车开行适应性分析［J］.铁道建筑，2013，（3）：1-4，24.

［4］ 戴慧敏.适用于新活载标准的铁路桥梁设计动力系数［D］.长沙：中南大学，2011.

［5］ 李奇，吴定俊，李俊.混编货车通过中小跨度桥梁时车桥振动分析［J］.同济大学学报（自然科学版），2007，35（2）：171-175.

［6］ 苏木标.不同车辆模型对车—桥系统动力分析的影响［J］.振动与冲击，1991，（1－2）：89-98.

Responses Analysis of Vehicle-Bridge System with 27 t Wagon

TIAN Guangrong1，GAO Mangmang2，WANG Xinrui1
（1 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Railway Science＆Technology Research＆Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The vehicle-bridge coupling response characteristic of the wagon with 27 t axle load running on the existing railway lines was analyzed from two aspects of static and dynamic.The results show that the wagon with 27 t axle load has good dynamics performance；the condition of bridge must be evaluated and monitored based on the running estate of train and safety reserve of bridge in order to ensure the best safety，especially for the small span bridge.

vehicle-bridge coupling；dynamic response；evaluate；safety

U272

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.03

1008－7842（2014）06－0013－05

*铁道部科技研究开发计划项目（2012J008－A）

2—）男，助理研究员（

2014－05－28）