开行27 t轴重列车对小跨度钢筋混凝土桥的影响分析

刘吉元，苏永华

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

开行27 t轴重列车对小跨度钢筋混凝土桥的影响分析

刘吉元，苏永华

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

为充分挖掘既有铁路的货运能力、提高运输效率，在既有线上开行 27 t轴重货车是我国货运发展的趋势之一。本文在统计既有线桥梁组成、调研大轴重机车和货车应用现状的基础上，分析了大轴重列车对桥梁的作用特征，包括27 t轴重各型货车作用下桥梁的受力情况、不同机车牵引条件下大轴重列车对桥梁受力的影响。通过分析明确了27 t轴重货车对跨度16.0 m以下钢筋混凝土桥梁的影响和对机车牵引条件的适应性。

27 t轴重 小跨度 钢筋混凝土桥 参数分析

随着我国经济的快速发展和高速铁路建设的稳步推进，如何充分挖掘既有铁路的货运能力、提高运输效率、缓解运能与需求之间的矛盾成为我国既有铁路发展面临的问题。我国2013年起实施的《铁路主要技术政策》中规定了“客货共线铁路货车轴重研究推广25 t，研究发展27 t”，为既有铁路货运发展确定了方向。

轴重27 t、载重80 t级通用货车的投入使用，可以使单车载重量比既有货车提高10～20 t，从而可以大幅度提高运能。据测算，按全路每天通用货车装车10万辆计算，可年增运力5.8亿t，在货运总量不变的情况下，可少开行近1/5的货运列车。

我国既有铁路桥梁的建设年代跨越范围大，设计、建设标准不统一，结构类型多样，不同桥梁的状态差异较大。从实际情况来看，既有铁路桥梁设备劣化率偏高，目前尚有部分桥梁不满足运营要求。随着列车轴重的增加，列车对桥梁的作用力增大，尤其是跨度16 m以下的钢筋混凝土梁，受力性能是否满足大轴重列车的运营要求存在不确定性，且既有线上钢筋混凝土梁数量众多，是提高轴重后确定加固改造范围的重点所在。因此，开行27 t轴重列车对小跨度钢筋混凝土梁的影响需开展深入分析。

1 既有铁路桥梁状况

截至 2012年底，全路标准轨距铁路共有桥梁48 905座、1 263 804 m(延长米)，其中90%以上的桥梁为混凝土桥。按孔数统计，全路共有混凝土桥193 830孔，其中预应力混凝土梁桥111 451孔，占总孔数的57.5%;框构桥等其它类型结构桥梁30 457孔，占总孔数的15.7%;钢筋混凝土梁桥51 922孔，占总孔数的26.8%，其中跨度＜16.0 m的有33 361孔，占总孔数的17.2%［1］。

截至2012年底，既有铁路年运量超过5 000万 t的干线客货共线和货运专线铁路(国铁)共84条，桥梁172 479孔。按跨度统计，跨度16 m及以下的桥梁占全部桥梁的27.6%，见图1(a);按结构类型统计，钢筋混凝土简支梁占全部桥梁的22.8%，见图1(b)，是桥梁结构中第2大组成部分。

图1 84条干线铁路桥梁统计

在设计活载方面，采用中—22活载图式设计的桥梁占全部桥梁的21.2%，采用中—26级活载图式设计的桥梁占全部桥梁的7.5%，其余主要采用中—活载图式，部分建于解放前的桥梁采用的活载图式比较杂乱。

按文献［2］中规定的劣化等级，2003—2012年度全路桥梁劣化为 A级(AA，A1级)的占全部桥梁的29% ～35%，桥梁结构的劣化比率较高。

2 大轴重机车车辆现状

随着铁路重载运输的发展，我国铁路机车装备制造业整体水平提升较快。20世纪80年代，成功研制了DF8，DF8B内燃机车和 SS4，SS4B，SS7等电力机车。2003年以来，铁路线上陆续运用了轴重25 t的HXD1，HXD2和HXD3型大功率交流传动电力机车以及HXN3和HXN5型大功率交流传动内燃机车。目前，我国机车制造厂已成功研制了6轴、8轴的27 t轴重大功率机车［3］。

截至2011年底，我国拥有货车约80.6万辆，轴重主要为21 t级、23 t级和25 t级3种，代表车型分别为C64，C70，C80。目前，我国车辆装备制造厂已研制生产了26辆27 t轴重、载重80 t级新型通用货车(固定轴距1 860 mm)，见图2，包括敞车、棚车、平车、罐车、漏斗车等铁路货车主要车型，车体长度在 13.136 ～18.566 m，邻轴距在2.140～3.340 m，其中6种主要车型的设计参数见表1［4］。

图2 27t轴重货车参数

表1 27 t轴重货车主要参数

为掌握新型列车在既有线上的运行性能，以及大轴重列车作用下典型桥梁、轨道结构的受力状态，2013年铁路总公司组织在京广线古培塘—新开铺上行方向开展了“既有线27 t轴重货车(混编)适应性试验”［5］。2014年6月开始，先期在太原局管内大秦、北同蒲等线路开展了5 000辆27 t轴重 C80E货车的运用考核工作，2015年计划在部分路局的部分线路开展1 000辆27 t轴重油罐车的运用考核工作。

3 开行27 t轴重列车的影响分析

分析大轴重列车对小跨度桥梁的作用特征采用的主要参数如下:

1)机车。25 t轴重DF8B，25 t轴重HXN3，27 t轴重机车(轴距参考 HXN3)，27 t轴重机车(同机制造)，27 t轴重机车(株机制造)。

2)货车。27 t轴重 C80E敞车、NX80平车、P80棚车、GQ80罐车、KZ80石砟漏斗车、KM80煤炭漏斗车，并考虑不同轴重、型号机车牵引条件，同时计算了25 t轴重C80货车作为对比。

3)从现行铁路桥梁标准跨度系列和既有桥梁的实际跨度(孔径)方面考虑，桥梁计算跨度或影响线加载长度取0.5，1.0，1.5，2.0，2.4，2.5，3.0，3.4，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.7，7.0，8.0，9.0，10.0，12.0，14.0和16.0 m，共计22种跨度，根据既有铁路桥梁的实际跨度和常用荷载计算加载长度。

4)设计活载。中—活载(静活载)，活载图式见文献［6］。

3.1 27 t轴重货车作用

在25 t轴重C80和27 t轴重 C80E等6种货车作用下，对跨度或影响线加载长度在16 m范围内桥梁的静活载效应进行了分析，见图3。图中横坐标表示桥梁计算跨度或影响线加载长度，竖坐标表示计算列车编组与设计活载(中—活载)作用下静活载效应比值，该值＞1表示计算列车编组静活载效应大于设计活载，＜1表示计算列车静活载效应小于设计活载。

计算结果表明:

1)跨度在3.0 m及以下，结构受力主要受货车轴重控制，25 t轴重 C80货车效应与设计活载一致;27 t轴重货车效应超过设计活载。

2)跨度在3.0 m以上、5.0 m及以下，结构受力主要受货车轴重和转向架固定轴距控制，25 t轴重C80货车效应与设计活载相比有5%～10%的储备;27 t轴重货车效应大于25 t轴重C80货车，且接近甚至达到设计活载。

图3 C80及轴重27 t货车与设计活载的静效应比值

3)跨度在5.5 m及以上、16.0 m及以下，结构受力主要受货车轴重、转向架固定轴距和邻轴距控制，25 t轴重C80货车效应与设计活载相比有5% ～15%的储备;C80E，NX80，P80三种27 t轴重货车效应均小于25 t轴重C80货车，与设计活载相比有10% ～15%的储备; GQ80，KZ80，KM80三种27 t轴重货车效应大于 25 t轴重C80货车，且接近甚至达到设计活载。

3.2 25 t轴重机车牵引27 t轴重货车作用

根据前述计算结果，选择6种货车中荷载效应相对较大的C80E，KM80货车做为代表货车车型;结合既有大轴重机车运营情况，选择25 t轴重6轴DF8B内燃机车、6轴HXN3内燃机车、8轴 HXD2电力机车作为代表机车车型。通过将不同型号的机车和货车进行编组组合，对25 t轴重机车牵引27 t轴重货车条件下桥梁结构的受力情况进行分析，见图4、图5。

图4 25 t轴重机车牵引C80E货车与设计活载的静效应比值

图5 25 t轴重机车牵引KM80货车与设计活载的静效应比值

计算结果表明:

1)27 t轴重 C80E货车，在 25 t轴重 6轴机车(DF8B，HXN3)牵引条件下，由于机车轴载集度比货车前后车相邻转向架的轴载集度大，对于跨度在5.0 m以上、16.0 m以下的桥梁受力有一定影响，机车 +货车作用下的荷载效应比货车大3%左右，其余跨度结构受力不受机车控制，主要由货车控制;在25 t轴重8轴机车(HXD2)牵引条件下，机车轴载集度小于货车前后车相邻转向架的轴载集度，机车+货车作用下的荷载效应与货车基本一致，结构受力不受机车控制，主要由货车控制。

2)27 t轴重KM80货车，前后车相邻转向架的轴载集度大于25 t轴重6轴机车(DF8B，HXN3)和8轴机车(HXD2)，对于跨度在5.0 m以上、16.0 m以下的桥梁，由于机车轴载比较集中，机车+货车作用下的荷载效应比货车大3%左右，其余跨度结构受力不受机车控制;在25 t轴重8轴机车牵引条件下，机车+货车作用下的荷载效应与货车基本一致，结构受力不受机车控制，主要由货车控制。

3.3 27 t轴重机车牵引27 t轴重货车作用

考虑到重载运输条件下机车牵引力和功率要求、大轴重货车与机车轴重的匹配性等因素，既有铁路存在运行27 t轴重机车的可能性，因此对27 t轴重机车牵引27 t轴重货车条件下桥梁受力情况进行了分析。

机车方面，选择3种27 t轴重机车做为代表车型，分别为27 t轴重6轴机车(轴距参考HXN3，简称HXN3机车)和27 t轴重8轴机车(大同、株洲机车车辆有限公司制造，简称同机机车、株机机车);货车方面，选择27 t轴重C80E，KM80货车做为货车代表车型。通过将不同型号的机车和货车进行编组组合，对27 t轴重机车牵引27 t轴重货车条件下桥梁结构的受力情况进行分析，见图6、图7。

图6 27 t轴重机车牵引C80E货车与设计活载的静效应比值

图7 27 t轴重机车牵引KM80货车与设计活载的静效应比值

计算结果表明:

1)27 t轴重C80E，KM80货车在27 t轴重6轴机车牵引条件下，由于机车轴载集度比货车大，对于跨度在3.0 m以上、跨度16.0 m及以下的桥梁，机车 +货车作用下的荷载效应大于货车，且接近设计活载效应，其余跨度结构受力不受机车控制，主要由货车控制。

2)27 t轴重C80E，KM80货车在27 t轴重8轴机车牵引条件下，机车+货车作用下的荷载效应与货车基本一致，结构受力主要由货车控制。

3)在27 t轴重6轴机车牵引27 t轴重货车条件下，对于部分跨度的桥梁，机车+货车作用下的荷载效应大于货车，且接近设计活载效应，对结构受力不利;在27 t轴重8轴机车牵引27 t轴重货车条件下，机车+货车作用下的荷载效应与货车基本一致。因此，既有线开行27 t轴重货车时，具备27 t轴重8轴货车牵引条件，但应避免27 t轴重6轴货车牵引，以免对结构造成不利影响。

4 结论

1)27 t轴重通用货车对桥梁的作用特征:跨度在3.0 m及以下桥梁受力主要受货车轴重控制，跨度在3.0 m以上、5.0 m及以下桥梁受力主要受货车轴重和转向架固定轴距控制，跨度在5.5 m及以上、16.0 m及以下桥梁受力主要受货车轴重、转向架固定轴距和邻轴距控制。

2)27 t轴重通用货车对于机车牵引条件的适应性:既有铁路开行27 t轴重通用货车时，具备25 t轴重6轴、8轴机车和27 t轴重8轴机车牵引条件，但应限制27 t轴重6轴机车牵引，以免对结构造成不利影响，增加桥梁加固改造工作量。

［1］胡所亭.铁路重载运输条件下桥梁活载标准研究［D］.北京:中国铁道科学研究院，2013.

［2］中华人民共和国铁道部.TB/T 2820.5—1999 铁路桥隧建筑物劣化评定标准 混凝土梁［S］.北京:中国铁道出版社，1999.

［3］胡所亭，牛斌，柯在田.我国既有铁路桥涵对开行大功率机车适应性分析［J］.铁道建筑，2013(2):1-4.

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

［5］王新锐，柯在田.既有线开行大轴重列车关键技术研究——既有线27 t轴重货车(混编)适应性试验报告［R］.北京:中国铁道科学研究院，2014.

［6］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

Analysis on influence of freight train with 27 t axle load on reinforced concrete small span bridge

LIU Jiyuan，SU Yonghua
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T ruck with 27 t axle load will be operated on the existing railways to improve freight transport capacity and efficiency in our country.Statistics of the composition of existing bridges were conducted in this paper.Also，the current state of the locomotives and trucks with large axle load were investigated.On this basis，the effect of the action characteristics of bridges under large axle train were analyzed，including the stress condition of the bridges under different types of truck with 27 t axle load and locomotive traction.T hrough the analysis of the performance of reinforced concrete bridges with span less than 16.0 m，the suitability of bridges to locomotive traction was assessed.

27 t axle load;Small span;Reinforced concrete bridge;Parametric analysis

U448.34

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.02

(责任审编 郑 冰)

2015-07-01;

:2015-09-28

中国铁路总公司科技研发项目(J2014G010);中国铁道科学研究院基金项目(2014YJ029)

刘吉元(1983— )，男，助理研究员，硕士。

1003-1995(2015)11-0006-05