货运铁路扩能运输对桥梁动力性能的影响

李铸珅

(朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350)

国家经济的快速发展，需求大量的资源供给，铁路作为交通运输的重要组成部分，为国家的经济建设快速大量的提供需求的资源。随着资源需求的增长，对铁路运输提出了更高的要求，重载铁路运输因其运能大、效率高而在越来越多的国家推广应用[1]。目前世界上运营的最大轴重车已达40 t，重载货车的编组一般均在100节以上，相应各国设计荷载标准比较高[2]。与世界发达国家的大轴重、低密度运营状态相比，我国重载铁路发展的战略方向是重载、高速、高密度[3]，这对线路、桥梁等基础设施的技术要求大大提高[4-5]。

朔黄铁路作为我国西煤东运第二大通道，进行了3.5×108t扩能改造[6]。对进一步开发煤炭资源、提高通道整体运输效率、促进西部经济发展有着重要的意义和作用。目前，朔黄铁路列车轴重多为25 t，并且2×104t重载列车已常态化开行，年运量达3×108t。

朔黄铁路既有桥梁建设年代跨越范围较大，设计、建设标准不统一，结构类型多样，不同桥梁的健康状态差异较大。重载运输必将加剧桥梁的损伤，引起桥梁冲击振动加剧、动挠度增加、桥梁损伤加剧，影响桥梁的安全运营。本文分析重载运输状态下桥梁的动力性能，以及不同类型桥梁在重载运输状况下的动力响应，为后期铁路桥梁建设以及加固提供参考。

1 重载运输列车荷载

朔黄铁路多为简支梁桥，列车竖向静活载采用“中-活载”[7-8](图1)。目前重载单元列车轴重已提高到25 t(图2)。

图1 中-活载图示

图2 C80(25t)列车荷载图示(单位：m)

2 朔黄铁路桥梁试验

2.1 试验概况

本次试验的对象包括朔黄铁路中的两座中小跨度桥梁(151#桥、161#桥)和五座超低高度桥梁(186#桥、208#桥、252#桥、255#桥、271#桥)，各桥梁选取情况如表1所示。

表1 桥梁统计

试验在桥梁列车正常运营状况下进行，试验列车均为正常运营列车，对桥梁在不同类型列车通行时运营性能进行试验。主要分析桥梁在列车运营状态下的挠度，竖、横向振幅以及加速度。运营列车测试工况如表2所示。

2.2 试验测点布置

图3为试验测点纵向布置图，图4为试验测点布置横截面图。

3 试验数据分析

表2 桥梁测试工况统计

图3 试验测点纵向布置

图4 试验测点布置截面

3.1 重载运输桥梁运营状态分析

分析各桥梁试验跨最大动挠度数据(图5)。

图5 测试梁跨最大动挠度值

上行运营列车作用下，试验桥梁各跨横向振幅、跨中横向加速度、支座横向位移和上行1#墩墩顶横向振幅等测试参数均满足《铁路桥梁检定规范》的要求。

151#桥梁梁体跨中竖向挠跨比分别约为1/5 324、1/5 381，161#桥梁梁体跨中竖向挠跨比分别约为1/5 614、1/5 414、1/4 425，均满足《铁路桥梁检定规范》所规定的通常值的要求(≤1/1 800)；186#桥梁梁体跨中竖向挠跨比约为1/1 297、1/1 331；252#桥梁梁体跨中竖向挠跨比分别约为1/1 340、1/1 300，接近规范所规定的低高度梁竖向挠跨比通常值 (≤1/1 300)；208A#桥梁梁体跨中竖向挠跨比约为1/1 221，255#桥梁梁体跨中竖向挠跨比约为1/1 223，271#桥梁梁体跨中竖向挠跨比分别约为1/1 253、1/1 243，均大于《铁路桥梁检定规范》所规定的低高度梁竖向挠跨比通常值 (≤1/1 300)。

分析各桥梁跨中挠度以及挠跨比可知，151#、161#桥梁在重载运输荷载下，各项参数均满足规范要求，186#、208A#、252#、255#、271#各超低高度桥梁挠跨比值接近或者大于规范值，即在重载运输条件下，超低高度桥梁运营更趋于不利状态。超低高度梁突出的特点是“低”，这样的特点使得梁的高度和重心位置高度都与同跨度普通高度梁相比大幅度下降，使得桥梁可能会因为刚度不足而影响桥梁的安全运营。

3.2 超低高度桥梁动挠度分析

针对超低高度桥梁动挠度以及挠跨比不利的情况，整理2010年、2012年、2016年的多坐桥梁的动力试验数据，进行进一步的分析。试验桥梁情况如表3所示。

表3 超低高度梁历次试验统计

24 m超低高度预应力混凝土梁共测试6孔，分别进行C64、C70、C80三种类型列车试验。6孔竖向挠跨比平均值为1/1 249，范围介于1/1 327～1/1 172间，动挠度数据与列车速度的响应关系如图6～图8所示。

图6 24m超低高度梁C64列车作用下动挠度

图7 24m超低高度梁C70列车作用下动挠度

图8 24m超低高度梁C80列车作用下动挠度

32 m超低高度预应力混凝土梁共测试15孔，15孔竖向挠跨比平均值为1/1 266，范围介于1/1 420～1/1 144之间，动挠度数据与列车速度的响应关系如图9～图12所示。

图9 32m超低高度梁C64列车作用下动挠度

图10 32m超低高度梁C70列车作用下动挠度

图11 32m超低高度梁C80列车作用下动挠度

图12 32m梁C80列车作用下动挠度对比

分析以上图标可知，随着列车速度的提高，动挠度变化不大，即速度对动挠度影响不大；随着列车荷载的增加，两种类型的桥梁跨中动挠度呈上升趋势，如图13所示，C80列车荷载下，24 m梁平均动挠度达到16 mm；32 m梁平均动挠度达到20.8 mm。在同种列车荷载下，超低高度桥梁相较于普通高度桥梁，动挠度值有提高显著，32 m桥梁在C80列车荷载作用下，动挠度值提高约81 %。

图13 动挠度均值与列车荷载关系

4 结论

通过对朔黄铁路桥梁扩能运输条件下运营性能的分析，可以得出以下结论：

(1)扩能运输条件下，超低高度桥梁运营更趋于不利状态。超低高度梁突出的特点是“低”，这样的特点使得梁的高度和重心位置高度都与同跨度普通高度梁相比大幅度下降，使得桥梁可能会因为刚度不足而影响桥梁的安全运营。

(2)超低高度桥梁中，随着列车速度的提高，动挠度变化不大，即速度对动挠度影响不大。

(3)随着列车荷载的增加，桥梁跨中动挠度呈上升趋势，即扩能运输会引起动挠度的增大。

(4)在同种列车荷载下，超低高度桥梁相较于普通高度桥梁，动挠度值有提高显著。