东南亚某国新建客货共线铁路荷载标准的研究

庞竞拓

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 研究背景

东南亚某国新建客货共线铁路项目一期工程全长524 km，客运列车设计时速160 km，货运列车设计时速80 km。 新建桥梁127 座，合计约112 km，占线路全长的21%。 该国现多为米轨铁路，新建铁路为标准轨距的客货共线铁路。 随着该国铁路的发展，将逐渐形成现代化的铁路运营网络。 因此，该线的荷载标准既要考虑近、远期情况，又要考虑路网发展，情况较为特殊。

列车荷载是铁路基础设施设计的重要荷载，亦是铁路有别于其他交通方式的主要特征[1]。 铁路荷载标准涉及各类铁路工程结构，也是铁路桥梁设计的核心参数[2]。 胡所亭等[3]对列车荷载图式(静力)进行了研究和制定;辛学忠等[4]从静力荷载图式和动力系数取值两方面阐述了我国荷载标准修订的思考;杜宝军等[5-6]认为，在制定列车荷载标准时，应将静力、动力和结构基频进行综合考虑。 以下借鉴前人的研究思路，结合东南亚某国新建客货共线铁路的具体情况开展研究。

2 各国关于荷载标准的研究思路

2.1 国际铁路联盟

国际铁路联盟采用概化包络的研究思路，其荷载图式涵盖了集中牵引的旅客列车、重载货车以及动力分散的高速动车组等6 类运营列车。 静力方面，德国、法国、西班牙、英国和韩国在高速铁路建设时都基于UIC71 荷载图式;中国台湾地区高铁采用修正的UIC71 标准(相当于0.9 倍UIC71 荷载);意大利则采用了1.1 倍UIC71 荷载[7]。

对于不同车型、轨道条件、运营速度等差异，难以用统一的公式描述相应列车引起的桥梁动力系数。 国际铁路联盟提出设计与运营阶段分开考虑，列车荷载图式与“设计动力系数”、运营列车与“运营动力系数”各自配套使用的理念，即“铁路荷载图式静效应×设计动力系数”＞“运营车辆静效应×运营动力系数”。 国际铁路联盟以概化的公式制定设计动力系数，并无实际物理意义;而真实运营动力系数需考虑移动荷载效应，轨道、车轮的不平顺影响[8-9]，以及桥梁的跨度、基频等。

2.2 日本

日本采用接近于模拟实际运营列车的N、P 和H等标准荷载图式进行桥梁设计。 对于线路上运营的不同车辆，分别通过各自不同的动力系数予以考虑，没有区分“设计动力系数”和“运营动力系数”的概念，动力系数按各桥实际竖向基频等确定。 为适应新干线高速化发展的现状，在开展大量车、线、桥动力试验和计算分析的基础上，根据不同的车辆制订了 “梁跨与车辆长度的比值”图表[5，10]。 其制定思路较贴近运营实际，但兼容性较差。

2.3 中国

中国铁路荷载标准经历了几个阶段。 1951 年制订中-Z 活载，1975 年对中-Z 活载进行修订，形成中-活载，沿用至2017 年。 新实施的《铁路列车荷载图式》(TB/T 3466—2016)总结了中国多年铁路建设经验和不同等级线路类型的研究成果，结合互联互通和战备需求以及后续提速发展等需要，全面向国际接轨，使中国铁路荷载标准研究向体系化的概化包络方式发展。

动力系数方面，也是采用概化包络的思路区分设计和运营。 客货共线铁路的设计动力系数采用实测值拟合方法，计算时不用区分桥上活载类型，即不考虑梁体基频特征，只考虑跨度或加载长度。 活载储备则通过设计荷载图式与运营车辆的静态效应比予以实现。

3 本线运维列车

东南亚某国新建铁路为客货共线铁路，拟选用的运营机车车辆及其编组有:①新型动车组客运列车，时速160 km，1 动7 拖编组(如图1)。 ②设计牵引质量为3 500 t，时速80 km，编组为1 辆和谐D3 牵引45 辆C63，以及1 辆和谐D3 牵引50 辆X6K(如图2、图3)。③大机养护车、钢轨探伤车、重型轨道车、配砟整形车、桥梁检查车、道岔捣固车、捣固车、稳定车等各种养护维修车辆多为独立运行(如图4)，仅配砟整形车、捣固车和稳定车为连挂运行，形成四辆编组情况(如图5)。

图1 新型动车组及编组情况

图2 和谐D3 牵引45 辆C63 编组情况

图3 和谐D3 牵引50 辆X6K 编组情况

图4 CTC-80 型钢轨探伤车(单位：横向轴距为m，竖向轴重为kN)

4 本线荷载研究路线

4.1 荷载标准制定流程

铁路荷载标准需结合列车竖向活载、梁体竖向基频、动力系数等进行综合考虑[5]。 国际铁路联盟和日本、中国在制定铁路列车荷载标准时采用了不同思路。

日本铁路荷载标准制定的方法较贴近单例工程实际，即对于专门线路进行大量的运营统计和专题研究，方法较为细致，但对于已成形的铁路网(运营多种列车，各种不同线路条件)，其兼容性略差，远期进一步提速改造发展的空间有限。

制定铁路荷载标准的思路:采用包络的荷载图式，概化的动力系数，兼容性好，能适应路网发展。 在设计阶段，借鉴已有经验，无需过多根据各条线路、各种运营条件进行专门调研;在运营发展阶段，能方便地调整优化设计参数，有利于后期协调发展。 因此，该研究思路适用于东南亚某国新建线路，其荷载标准制定流程如图6。

图6 铁路荷载标准制定流程

图5 2 辆捣固车+1 辆配砟整形车+1 辆稳定车的4 辆编组(单位：横向轴距为m，竖向轴重为kN)

4.2 本线荷载标准研究思考

本线列车运行速度相对较低，一般不会引起结构在竖向出现较大的振动或共振现象，桥涵结构设计主要以强度控制设计为主[12]。

在设计阶段，可以对静力、动力两方面分开考虑，最终统一概化包络，以实现设计效应大于运营效应的目标，动力系数可根据成熟的经验统一概化。 在运营阶段，可对线路轨道条件和机车车辆加以约束，提高运营舒适性。 在后期，随着路网发展和运营机车车辆的性能提升，可考虑开展现场试验[13]，统计实测数据，在后续建设中对参数不断进行优化调整。

对于动力系数，各国的计算公式都是经过长期、大量的现场试验结合理论分析确定的，属于半经验半理论的公式[14-15]。 按照概化包络的思路，设计阶考虑参考国际铁路联盟或中国思路。 国际铁路联盟在制定动力系数时参考的6 类车辆多为高铁车辆或重载车辆，更多体现高速行驶下的动力响应。 中国标准则是按照不同线路类型选用动力系数。 客货共线铁路的动力系数是在大量实测数据基础上拟合得到的，并按照一定的保证率取其包络值[5，16]，设计时根据结构的类型、跨度取用[1，12]。 图7 为中国客货共线铁路与国际铁路联盟动力系数对比，由图7 可以看出，总体上前者对后者形成包络。 结合本线客货共线且速度目标值不高的情况，可以采用通用图设计(固定基频)。

对于静力效应，一般选取具有概化包络的荷载图式，分别计算荷载图式的静力效应和运营车辆的荷载效应，并进行比较调整，使得荷载图式具有包络性并预留一定的发展量。 可参考的荷载图式有国际铁路联盟的UIC71 系列和中国《铁路列车荷载图式》[17]系列(如图8、图9)。

图7 中国客货共线铁路与国际铁路联盟动力系数对比

结合本线条件，可采用1.0 倍 UIC71 计算荷载效应，尝试对各种运维荷载进行包络，同时考虑采用ZKH 的特种荷载对短跨度加载范围的荷载效应进行计算比较，以便更好地确定本线荷载图式。

图8 UIC71 设计荷载图式(单位：m)

5 荷载效应对比计算

图9 中国《铁路列车荷载图式》系列荷载图式(单位：m)

荷载效应中，以加载跨度端部的剪力和跨中弯矩最具代表性。 可建立不同加载长度的梁模型，利用影响线加载，计算拟采用的荷载图式在不同加载跨度情况下的荷载效应。 另一方面，对具有代表性的各种机车、车辆和编组列车(相应跨度)运营荷载效应进行计算:两者做对比并连成图线，可反映图式荷载效应对运维列车荷载效应的包络情况。

本线运维车辆中最长的为CTC-80 钢轨探伤车(车长为33.938 m)。 首先考虑计算35 m 加载长度以内的荷载效应比率，以确定1.0 UIC71(以下简称“UIC”)荷载图式对各型运维车辆的包络情况。

分别计算1～35 m 加载跨度范围内UIC 荷载图式效应和各种运维车辆荷载效应(如图10 所示)。 UIC荷载图式跨端剪力效应与本线各车辆荷载跨端剪力效应比率均大于1.0(最大为5.3);UIC 荷载图式跨中弯矩效应与本线各车辆荷载跨中弯矩效应比率均大于1.0(最大为5.9)。 UIC 荷载图式效应均大于本线各车辆荷载效应，可以包络本线各种运维车辆(见图10)。

图10 UIC 荷载图式与本线运维车辆荷载剪力、弯矩效应比率

5.1 短跨度加载范围的探讨

在10 m 短跨加载范围内，分别计算UIC 荷载、ZKH 特种荷载的效应，并与本线车辆荷载效应进行比较，如图11、图12 所示。

图11 UIC 荷载与本线各运维车辆荷载剪力、弯矩效应比率

图12 ZKH 特种荷载与本线各运维车辆荷载及UIC 荷载剪力、弯矩效应比率

根据图11，在10 m 加载跨度范围以内:UIC 荷载图式跨端剪力效应与本线各车辆荷载跨端剪力效应比率均大于1.0，最大为4.2;UIC 特种荷载图式跨中弯矩效应与本线各车辆荷载跨中弯矩效应比率均大于1.0，最大为4.2;UIC 荷载图式效应均大于本线各车辆荷载效应，加载跨度范围内荷载图式可以包络本线各种运营车辆。

表1 为短跨范围内的荷载效应，根据图12，在10 m 加载跨度范围以内，ZKH 特种荷载图式也可以包络本线各种运营车辆。 由表1、图12 可知，短跨范围内ZKH 特种荷载与UIC 荷载图式的剪力、弯矩效应较为接近。 对于本线，设计阶段可以考虑不再增加特种荷载，由UIC 荷载图式直接包络小跨度桥涵加载。

表1 短跨范围内ZKH 特种荷载效应/UIC 荷载效应

5.2 长编组列车荷载效应的研究

计算UIC 荷载图式在1-200 m 常见加载跨度范围内的荷载效应，并与本线各编组列车荷载效应进行比较(如图13 所示)。 UIC 荷载图式跨端剪力效应与本线编组列车荷载跨端剪力效应比率均大于1.0，最大为3.17，最小为1.18(2-200 m);UIC 荷载图式跨中弯矩效应与本线编组列车荷载跨中弯矩效应比率均大于1.0，最大为3.25，最小为1.13(3-200 m);UIC 荷载图式效应大于本线编组列车荷载效应，UIC 荷载图式可以包络本线编组列车荷载，并略有发展余量。

图13 UIC 荷载图式与本线编组列车荷载剪力、弯矩效应比率

6 结论

(1)采用概化包络的方式制定铁路荷载标准的思路，适用于新建线路及现代化铁路运营网络。

(2)在设计阶段，可以根据成熟的经验进行统一概化，按中国客货共线铁路动力系数进行设计。

(3)1.0 UIC71 荷载图式能有效包络本线各种运维车辆和列车，并略有发展余量，可以作为东南亚某国铁路的静力荷载图式。

(4)采用1.0 UIC71 荷载图式配合中国客货共线铁路动力系数，能概化包络本线近远期运维车辆，并预留一定的发展余量，可作为东南亚某国新建客货共线铁路设计阶段的铁路荷载标准。