重载铁路跨度12 m钢筋混凝土简支T梁静动力适应性分析与试验研究

罗慧刚

(朔黄铁路发展有限责任公司,河北肃宁 062350)

1 概述

随着我国经济的迅速发展，对原材料和矿产资源等大宗货物需求量不断提高，既有铁路扩能改造已变得尤为迫切。既有铁路线路扩能运输改造可采用增建新线、增加列车行车密度及提高列车轴重等技术措施来实现[1-3]，增建新线投资大、周期长、见效慢、且征地难度大；而单纯依靠增加行车密度，提高运输能力有限，因此提高列车轴重就成为必然选择。

从国外重载运输发展历程可以发现，大轴重重载运输可以兼顾低成本和高效率。国外重载运输货车轴重已达到400 kN[4]，而重载铁路货车轴重集中在230～250 kN，向上提升空间十分巨大，结合重载铁路实际情况，采用大轴重重载运输模式是最为经济高效的手段[5]。

随着既有铁路线路的扩能改造与重载铁路的快速发展，列车轴重、行车密度及牵引总质量均大幅度提高。列车轴重的不断提高，使得桥梁承受的竖向荷载增大，梁端剪力及跨中弯矩也随之增加；同时列车对桥梁的横向冲击作用也相应增大，导致桥梁跨中横向加速度和横向振幅增大甚至超限；行车密度提高使得列车荷载对桥梁的疲劳作用次数增多。综上可知，开行大轴重列车导致部分既有桥梁在强度、刚度和稳定性等方面的安全储备大大降低[6-8]。

孙颖等[9]对既有铁路钢桁梁桥由于货车轴重增大和车辆运行速度提高引起的桥梁横向振幅过大的问题进行了研究，分析了不同钢桥结构的受力特征；潘际炎等[10]对发展250 kN轴重的重载列车对既有铁路线路桥梁的影响进行了评估。一条铁路运输线路上不同跨径梁形很多，既有研究只针对部分梁形，不够全面，没有得出普遍性规律，且以往对既有桥梁的静力适应性研究较多，尚未考虑提高轴重对既有桥梁动力性能方面的研究，尤其是对小跨径桥梁的横向振动问题重视不足。

以某重载铁路线3～32 m跨度的桥涵为研究对象，对运行不同轴重货车作用下桥涵活载储备量进行对比分析，并且对跨度12 m钢筋混凝土T形梁进行梁体跨中主筋应力、梁体跨中截面上翼缘混凝土压应力及梁体跨中下缘裂缝宽度进行检算；动力适应性分析以某12 m钢筋混凝土T形梁为研究对象，分析轴重提高对桥梁跨中横向加速度和横向振幅的影响规律，并通过运营性能试验进行验证。

2 静力适应性分析

2.1 扩能运输对桥梁荷载的影响

桥梁荷载包括桥梁恒载和活载，扩能运输条件下桥梁恒载基本不变，活载主要以列车荷载为主。

目前既有铁路线重载铁路桥梁的设计荷载为中-活载[11-12]，如图1所示，而列车运营荷载主要为C64(210 kN)、C70(230 kN)和C80(250 kN)，轴重为270 kN的重载列车也逐步开通，轴重300 kN的C96列车和KM96列车也曾试验运营。

图1 设计中-活载(单位：m)

C64型敞车适用于装运煤、矿石、机械设备、木材、成包货物及集装箱等，是能适应翻车机作业及载重组合列车要求的通用敞车；C70型敞车是供中国标准轨铁路使用的重载运输通用敞车，是主要用于装运煤炭、矿石、建材、机械设备、钢材及木材等货物的通用铁路车辆；C80型煤矿专用敞车是我国专门为大秦线(大同—秦皇岛)而设计制造的专用敞车，其主要职能是运载煤炭；同时其也是为货车提高运量而设计的重载型货车，车体具有自重轻，容积大的优点[13]。KM98型敞车重载列车为我国载重最大的运营重载货车，车体采用铝合金材质，具有运量大，安全可靠性高的优点。各列车车型参数如表1所示。

表1 货车车辆参数

在铁路桥梁荷载中，列车活载所占的比重较大。首先以设计活载“中-活载”产生的桥涵结构跨中弯矩和梁端剪力为对比参数[14-15]，分析C64、C70、C80、C96型以及KM96型重载列车荷载等该线路上运营列车作用下朔黄铁路全线3～32 m跨径既有桥涵结构的活载储备量，其中活载储备量为“正值”表示未超出设计中-活载效应量值，“负值”表示超出设计中-活载效应的量值，“0”表示与设计活载效应大致相等。

(1)

图2给出了不同轴重列车作用下桥涵结构活载储备量统计。由图2可知：轴重210，230，250 kN货车作用下，除了3 m跨径的涵洞外，4～32 m跨径桥涵跨中弯矩效应和梁端剪力效应均未超过设计中-活载效应，且随着跨径的增加，活载储备逐渐增加；在270 kN轴重货车作用下，12 m跨径以下桥涵跨中弯矩效应和梁端剪力效应超过设计活载效应，12 m及以上跨径桥梁活载效应未超过设计中-活载效应[16]；在300 kN轴重货车作用下，活载储备量随跨径变化趋势基本相同，16 m跨度以下桥涵运营活载效应超过设计活载效应，16～32 m跨径桥梁均未超过设计中-活载效应，同时可以看出，KM96车型活载储备量高于C96车型。

图2 不同车辆形式作用下桥涵活载储备量统计

2.2 12 m跨径简支梁静力适应性分析

基于图2分析结果，对于运营重载货车作用下超过设计活载效应的跨径12 m T梁进行静力适应性分析。

简支T梁约束条件为一边滑动，一边铰接。12 m跨径的普通高度和低高度混凝土简支T梁截面如图3所示。

图3 12 m普通高度、低高度梁体截面(单位：cm)

不同列车的长度不同，但对于12 m简支梁加载位置基本相同，图4为轴重250 kN列车加载位置示意。

图4 加载位置布置 (单位：cm)

图5给出了12 m跨径的普通高度和低高度混凝土简支梁跨中截面主筋应力、跨中截面上翼缘混凝土压应力及跨中下缘裂缝宽度检算结果。由图5可知：12 m跨径钢筋混凝土T梁的跨中截面压应力及裂缝宽度均能满足运营要求，但在270 kN和300 kN轴重重载车辆活载作用下，梁体受拉钢筋最底部主筋应力均超过规范容许值，不满足长期开行要求，需要对梁体进行加固或改造[17-18]。

图5 静力适应性分析

3 动力适应性分析

3.1 有限元模型建立

12 m跨径普通高度混凝土简支梁模型(图6(a))依据专桥(88)1023图纸进行建立，12 m跨径低高度混凝土简支梁模型(图6(b))依据专桥(88)1024钢筋混凝土简支梁图纸建立，分别考虑荷载C80列车(250 kN)、C80列车(270 kN)和C96列车(300 kN)[19-20]。

图6 12 m跨径普通高度与低高度钢筋混凝土简支梁模型

模型截面均通过截面特性计算器来导入，两片T梁通过横隔板连接，约束条件为一边滑动，一边铰接。

对桥梁进行有限元分析时施加的移动列车活载轴重分别为250，270 kN以及300 kN，每种工况各编制了5列货车，共计20个轴，模拟重载货车编组示意如图7所示。

图7 模拟重载货车编组示意(单位：cm)

动力模型车辆移动荷载通过施加节点动力荷载实现，竖向节点动力荷载按照图7所示的编组建立，按实际货车轴重沿Z轴负方向建立竖向荷载时程函数。

关于列车横向摇摆力，我国《重载铁路设计规范》(TB10625.1—2017)将横向摇摆力大小规定为100zkN，z为荷载系数，其值大小随列车轴重变化而变化，当列车轴重为250 kN和270 kN时，z取1.1，列车轴重为300 kN时，z取1.3。

本文有限元模型建立过程中结构所施加的恒载包括桥梁结构自重和二期荷载。自重荷载通过直接定义材料的密度来施加沿Z轴负向的自重荷载实现，二期荷载通过施加梁单元荷载来实现，二期荷载包括道砟、轨道、轨枕和人行踏板等。

3.2 12 m跨径简支梁动力适应性分析

图8给出了不同轴重货车不同速度工况下简支梁跨中截面横向加速度对比折线。由图8可知：对于12 m跨径普通高度混凝土简支梁，不同轴重重载货车作用下梁体跨中横向加速度随货车的行车速度变化趋势大致相似。梁体跨中横向加速度均在50 km/h速度工况下达到峰值，其中300 kN轴重重载货车所对应的梁体跨中横向加速度最大；对于12 m跨径低高度混凝土简支梁，不同轴重重载货车随着速度的提升，梁体跨中横向加速度随之增大，梁体跨中横向加速度均在60 km/h速度工况下达到峰值，其中300 kN轴重重载货车所对应的梁体跨中横向加速度最大。

对比可知，由于低高度简支梁的横向刚度大于普通高度简支梁，所以在相同工况下低高度梁跨中横向加速度明显低于普通高度简支梁。

图8 不同轴重货车不同速度工况下简支梁梁体跨中横向加速度对比折线

图9给出了不同轴重货车不同速度工况下简支梁跨中横向振幅峰值对比折线。由图9可知：对于12 m跨径普通高度混凝土简支梁，在10～50 km/h速度工况范围内，随着速度的提升，梁体跨中横向振幅先增大后减小，梁体跨中横向振幅均在50 km/h速度工况下达到峰值。其中300 kN轴重重载货车所对应的梁体跨中横向振幅最大，为0.604 mm；此后，在50～80 km/h速度工况范围内，梁体跨中横向振幅随速度增大而减小；针对重载货车轴重的差异对横向加速度的影响，在相同速度工况下，大体上为轴重越大，横向振幅越大。

图9 不同轴重货车不同速度工况下简支梁梁体跨中横向振幅对比折线

对于12 m跨径低高度混凝土简支梁，规律与普通高度简支梁相似，不同的是峰值拐点出现在60 km/h速度工况附近。

4 运营性能试验验证

以重载铁路某1孔12 m跨径普通高度钢筋混凝土梁桥和1孔12 m跨径低高度钢筋混凝土梁桥为试验对象(图10)，将测试结果与有限元模拟结果进行对比分析。

图10 动载试验测点布置(单位：m)

图11给出了12 m跨径普通高度混凝土简支梁跨中横向加速度实测值与模拟值对比。由图11可知：跨中横向加速度与横向振幅的数值和增加趋势大致与实测数值一致，但是由于试验过程中环境因素、列车车型以及转向架等因素导致振幅的模拟数值和实测数值有所差别。

图11 模拟值、实测值对比

图12给出了12 m跨径低高度混凝土简支梁跨中横向加速度实测值与模拟值对比。由图12可知：跨中横向加速度与横向振幅的数值和增加趋势大致与实测数值一致，但是由于试验过程中环境因素、列车车型以及转向架等因素导致振幅的模拟数值和实测数值有所差别。

图12 模拟值与实测值对比

5 结论

通过对重载铁路3～32 m跨径的桥涵活载储备量分析，并针对某12 m跨径普通高度、低高度简支梁进行静动力性能分析及运营性能试验研究，得出以下结论。

(1)210、230、250 kN轴重货车作用下，铁路全线各跨径简支梁桥除了跨径3 m的涵洞外，活载储备量均为正值，且随着桥梁跨径的增加，活载储备量有所增加；在270 kN轴重货车作用下，12 m跨径以下的桥涵活载储备量为负值，最大为-25%，12 m跨径及以上跨径桥梁均剩余活载储备；300 kN轴重货车作用下，16 m跨径以下桥涵运营活载效应超过设计活载效应，16～32 m跨径的桥梁均未超过设计活载效应，KM96车型活载储备量高于C96车型。

(2)12 m跨径钢筋混凝土简支T梁的混凝土压应力及裂缝宽度均能满足要求，但在270 kN和300 kN轴重重载车辆活载作用下，梁体受拉钢筋最底部主筋应力均超过容许值，不满足长期开行要求，需要对梁体进行加固或改造。

(3)12 m跨径钢筋混凝土简支T梁对于不同运营列车的通行速度敏感性不一样，在一定速度范围内桥梁动力响应随速度增加而增大，在一定速度范围内随速度增加而减小，不同动力响应参数随速度变化的临界值不相同；车辆轴重增大，结构动力响应随之增大，但在某些速度工况下并不明显；12 m低高度简支梁横向动力适应性优于普通高度简支梁，两者均满足开行大轴重重载货车要求。