铁路混凝土连续梁桥加载方式研究

王 丽,胡所亭,赵欣欣,李 臣

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081;3.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

在铁路桥梁结构设计时，首先需要确定合理的列车荷载图式作为桥梁的设计荷载，列车荷载图式应能包络线上运营的各种列车荷载效应并预留一定储备。20世纪90年代以前，我国铁路的运营模式主要为客货混运，采用中-活载图式即可代表我国铁路的运营列车。自20世纪90年代以来，随着我国高速铁路、城际铁路的开通运营，逐渐形成了客货共线铁路、重载铁路、高速铁路和城际铁路4种运输模式。不同的运输模式在运营列车形式、轴重、速度、编组方式、运营密度等方面有较大差异，单一的中-活载图式已难以反应新形势下铁路的运输特征。基于这种情况，我国针对不同的线路制定了相应的列车荷载图式，形成了铁道行业标准《铁路列车荷载图式》(TB/T 3466—2016)[1]，并对该规范进行了详细的解析[2-4]。在制定了列车荷载图式之后，需要确定桥梁的加载方式。铁路混凝土简支梁受力特征简单，加载方式较为明确，但是对于铁路混凝土连续梁，其跨中弯矩、支座反力等受力性能存在正负影响线的情况，且各国对其加载方式的规定也不一致。

本文对不同加载方式下桥梁的受力性能进行计算分析，提出合理的铁路混凝土连续梁桥加载方式。

1 国内外连续梁桥加载方式规定

国际铁路联盟(International Union of Railways,UIC)对于连续梁桥加载方式予以规定：列车荷载加载方式应使所考察指标产生最大效应[5]。UIC正负影响线加载方式见图1。

图1 UIC正负影响线加载方式(尺寸单位：m)

我国《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)[6]和《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)[7]考虑实际列车中存在空车的情况，因此规定“对于多符号影响线，可在同符号影响线各区段进行加载，异符号影响线区段长度不大于15 m时可不加活载；异符号影响线区段长度大于15 m时，可按空车静活载10 kN/m 加载”。《城际铁路设计规范》(TB 10623—2014)[8]的规定与上述规范规定大致相同，只是将其中的空车静活载由10 kN/m提高至15 kN/m，原因是高速动车组的空车延米重较货车有所增加。

我国对于存在正负影响线的桥梁受力性能规定与国际铁路联盟有所差别：国际铁路联盟的计算值考虑了列车加载的最不利情况，比我国规范的计算值偏大；我国规范则考虑了列车的连续性，更接近实际情况。在进行有限元计算时，对于同一个内力值，我国规范中需要加载2次，即需要分别在正负影响线区段加载1次，然后叠加得到内力值；而国际铁路联盟只进行1次加载，在正影响线区段施加荷载即可得到内力值。在设计体量较大的情况下，我国设计人员的工作量会显著增加。

2 混凝土连续梁桥主要受力性能影响线分析

以(32+48+32)m连续梁为例，中跨跨中弯矩、边跨跨中弯矩、1号支座反力和2号支座反力的影响线[9]见图2。

图2 跨中弯矩和支座反力影响线

由图2可知：

1)中跨跨中弯矩正影响线区段峰值达7.847，两侧边跨为负影响线区段，峰值较小，均为-0.947。

2)边跨跨中弯矩正影响线区段在两侧边跨，峰值分别为6.682和0.405；中跨为负影响线区段，峰值为-2.248。

3)1号支座反力正影响线区段在两侧边跨，峰值分别为1.000和0.025；中跨为负影响线区段，峰值较小，为-0.410。

4)2号支座反力正影响线区段在本侧边跨和中跨，峰值为1.007，该支座的正影响线区段明显大于1号支座；负影响线区段在另一侧边跨内(3，4号支座之间),峰值较小，为-0.099。

综上可知，混凝土连续梁桥的弯矩和支座反力的正影响线区段显著大于负影响线区段。

3 混凝土连续梁桥加载方式研究

3.1 计算荷载的选择

从不同线路的设计荷载图式中选择具有代表性的高速铁路和重载铁路设计列车荷载图式(见图3)，空车荷载按照10 kN/m的均布荷载进行计算。

图3 设计列车荷载图式

3.2 加载方式对于桥梁受力性能指标的影响

针对我国(32+48+32)m、(40+56+40)m、(48+80+48)m、(60+100+60)m、(48+2×80+48)m跨度混凝土连续梁[10]，采用MIDAS/Civil建立有限元模型，分别施加ZK荷载和1.3 ZH荷载，计算2种加载方式下桥梁的跨中弯矩和支座反力，分别见表1和表2，不同加载方式对跨中弯矩和支座反力的影响见图4。其中，跨中弯矩、支座反力的相差百分比计算公式分别为跨中弯矩相差百分比=100%×(负影响线区段不加载弯矩-加载弯矩)/负影响线区段不加载弯矩;支座反力相差百分比=100%×(负影响线区段不加载反力-加载反力)/负影响线区段不加载反力。

由表1、表2和图4可知：

1)加载方式对ZK荷载的影响大于1.3 ZH荷载。这是由于ZK荷载在正影响线区段加载时，其荷载效应小于1.3 ZH荷载，而二者在负影响线区段均施加了10 kN/m的均布荷载，负荷载效应相同。因此负荷载效应占ZK荷载总效应的比例大于1.3 ZH荷载，其对ZK荷载的影响也大于1.3 ZH荷载。

2)加载方式对边跨跨中弯矩的影响大于中跨。这是由于边跨跨径小，正影响线区段峰值也略小，且在中跨有较大范围的负影响线区段。

表1 ZK荷载作用下桥梁的跨中弯矩和支座反力

表2 1.3 ZH荷载作用下桥梁的跨中弯矩和支座反力

图4 不同加载方式对跨中弯矩和支座反力的影响

3)加载方式对1号支座的影响大于2号支座。这是由于1号支座的正影响线区段显著小于2号支座，负影响线区段则大于2号支座。

4)对于4跨连续梁的中跨跨中弯矩和2号支座反力，加载方式对二者的影响大于3跨连续梁，边跨受力性能受跨数的影响不明显。

5)对于边跨与中跨跨度之比较大的桥梁，加载方式对边跨受力性能的影响小于跨度之比较小的桥梁；加载方式对中跨受力性能的影响要大于跨度之比较小的桥梁。

综上可知，对于存在正负影响线的混凝土连续梁，加载方式对其受力性能的影响较小，对跨中弯矩的影响整体大于对支座反力的影响。

4 结论与建议

对存在异符号影响线的典型跨度混凝土连续梁桥，采用MIDAS/Civil建立有限元模型，对不同加载方式下桥梁的受力性能进行了计算分析。结果表明，在异符号影响线区段加载与否对桥梁受力性能影响不大，且多次加载会增加设计人员的工作量。因此，提出了针对我国现行铁路桥涵设计规范进行调整的建议：存在异符号影响线的桥梁，应按最不利情况进行加载，而不在异符号影响线区段施加荷载。

[1]国家铁路局.TB/T 3466—2016 铁路列车荷载图式[S].北京：中国铁道出版社，2017.

[2]胡所亭.我国铁路列车荷载图式的研究与应用[J].铁道建筑,2015，55(10):26-30.

[3] 胡所亭，牛斌，柯在田，等.我国客货共线铁路列车荷载图式深化研究[J].铁道标准设计，2015，59(12)：31-35.

[4]胡所亭，魏峰，王丽，等.《铁路列车荷载图式》制定研究[J].中国铁路，2017(4)：1-7.

[5]UIC.Static Loading Diagrams to be Taken into Consideration for the Design of Rail Carrying Structures on Lines Used by International Services[S].Paris:International Union of Railways，2003.

[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.

[7]国家铁路局.TB 10621—2014 高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[8]国家铁路局.TB 10623—2014 城际铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2015.

[9]李廉锟.结构力学[M].北京：高等教育出版社，2017.

[10]邓运清.高速铁路常用跨度桥梁技术[J].铁道知识，2012 (3)：22-25.