金福海,文望青,許三平

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道設(shè)計活載選用初探

金福海,文望青,許三平

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

簡要介紹我國重載鐵路機(jī)車及貨車的基本概況、國外重載鐵路的軸重標(biāo)準(zhǔn)以及蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道的主要運(yùn)輸特點(diǎn),分析了不同運(yùn)輸方式活載圖式的選擇不僅取決于本線運(yùn)營列車活載及其預(yù)留發(fā)展儲備,尚需考慮相關(guān)既有線的實際情況的選用原則。通過對周邊既有線橋涵的調(diào)研,研究了既有線橋涵對不同軸重的適應(yīng)性,最后通過對不同活載圖示、荷載效應(yīng)及配套規(guī)范的使用情況分析,得出了蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道宜優(yōu)先采用ZH活載(Z=1.0)設(shè)計,或按UIC71活載(α=1.0)設(shè)計,并按中-活載(2005)長大重車檢算圖式進(jìn)行相關(guān)檢算的結(jié)論。

重載鐵路;煤運(yùn)通道;設(shè)計活載;軸重

1 概況

近年來,鐵道部大力推進(jìn)鐵路機(jī)車車輛裝備現(xiàn)代化,目前全路機(jī)車以韶山、東風(fēng)、和諧等系列為主,新型大功率交流和諧型貨運(yùn)機(jī)車現(xiàn)已達(dá)1.3萬臺以上,占機(jī)車保有量的60%(鐵道部“十二五”發(fā)展規(guī)劃)。韶山、東風(fēng)系列機(jī)車軸重大多為230 kN,和諧系列機(jī)車軸重有230 kN和250 kN兩種,其中軸重250 kN和諧型機(jī)車主要運(yùn)用于大秦鐵路等重載運(yùn)煤專線。為適應(yīng)我國既有鐵路線路、橋梁的實際承載能力,加快鐵路裝備現(xiàn)代化進(jìn)程,滿足通用貨車由600 kN級向700 kN級的升級換代要求,鐵道部集中研發(fā)了700 kN級敞、棚、平等通用貨車,并大量投產(chǎn)。因此,目前我國鐵路機(jī)車車輛的軸重在210～230 kN,少量為250 kN,主要為C80型貨車。我國目前僅大秦鐵路等少數(shù)運(yùn)煤專線的軸重達(dá)到了250 kN,在建的山西中南部鐵路通道以煤運(yùn)為主,按300 kN軸重標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。表1為我國主型貨車相關(guān)參數(shù)。

表1 我國主型貨車相關(guān)參數(shù)

國際方面,美國Ⅰ級鐵路標(biāo)準(zhǔn)軸重已達(dá)400 kN,南非煤車軸重為260 kN,澳大利亞貨車軸重一般為250、270 kN和350 kN,加拿大、巴西、瑞典等國貨車軸重均達(dá)到或超過300 kN。

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道具有煤炭產(chǎn)地多、消費(fèi)地分散,銜接的集疏運(yùn)線路較多,且通道上煤炭消費(fèi)地少、消耗小等特點(diǎn),不同于大秦鐵路等“點(diǎn)到點(diǎn)”運(yùn)輸性質(zhì)的重載鐵路,其軸重標(biāo)準(zhǔn)的選擇與集疏運(yùn)線路的相關(guān)性較強(qiáng),活載圖式的選擇宜考慮相關(guān)既有線的實際情況。

2 運(yùn)輸方式?jīng)Q定活載圖式選用原則

(1)點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)輸方式

點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)輸方式如大秦鐵路、朔黃鐵路、山西中南部鐵路等,活載圖式的選擇僅僅取決于本線運(yùn)營列車活載及其預(yù)留發(fā)展儲備,因此可采用能顯著提高運(yùn)輸能力的新中-活載(2005年)貨運(yùn)專線活載圖式,并根據(jù)本線特點(diǎn)選用不同(Z=1.0、1.1、1.2)的設(shè)計等級。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論,貨運(yùn)專線設(shè)計等級至少應(yīng)取1.1級(Z= 1.1),考慮發(fā)展儲備及減少梁型等因素,宜優(yōu)先采用1.2級(Z=1.2)。由于歐洲UIC71活載圖式與ZH活載圖式相近(僅均布荷載稍有不同),也可采用歐洲UIC71活載圖式,并根據(jù)本線特點(diǎn)選用不同(α=1.0、1.1、1.21)的“分級垂直荷載”,級差均為10%。

(2)點(diǎn)到面的運(yùn)輸方式

從本線運(yùn)量特征可以看出,本通道貨流以煤炭為主,煤炭產(chǎn)地、消費(fèi)地較為分散,且多不位于本線上,需要通過相關(guān)線路集結(jié)、疏運(yùn),集疏運(yùn)線路較多,各段運(yùn)量水平差異也較大。為典型的點(diǎn)到面的運(yùn)輸方式,活載圖式的選擇不僅取決于本線運(yùn)營列車活載及其預(yù)留發(fā)展儲備,尚需考慮相關(guān)既有線的實際情況。如果采用現(xiàn)行中-活載圖式(或ZH活載,Z=1.0),則本線與相關(guān)相鄰線路具有相同裕度的預(yù)留發(fā)展儲備(當(dāng)然部分線路由于修建年代較久,可能不具備預(yù)留發(fā)展儲備),但運(yùn)輸能力相對較弱。若采用ZH活載圖式(Z= 1.1或1.2),雖然提高了運(yùn)輸能力,但相關(guān)鄰近既有線路橋涵經(jīng)擴(kuò)能改造后盡管暫能滿足C80貨車運(yùn)營的近期要求,但卻無預(yù)留發(fā)展的儲備,且無法有足夠的設(shè)計冗余來適應(yīng)可能的極端不利情況。

3 既有橋涵對不同軸重的適應(yīng)性

根據(jù)本線特點(diǎn),疏運(yùn)系統(tǒng)涉及的南北向線路主要有焦柳、京廣、京九、益湛等線,東西向線路主要有襄渝、漢丹、武九、長荊、石長等9條干(支)線鐵路。我國既有橋涵大量采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,一般大、中橋采用標(biāo)準(zhǔn)跨度簡支梁。常用24、32 m梁,一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁,梁圖根據(jù)設(shè)計規(guī)范修編,設(shè)計荷載、設(shè)計、施工養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗、提速后動力性能、耐久性設(shè)計等方面不斷優(yōu)化,從“大(65)138”,“專橋(66)015”、“叁標(biāo)橋2017～2024系列”、“專橋2116”、“專橋2119”、“專橋2059”、“專橋2051”、“專橋9753”、“通橋2101”到“通橋2201”也是不斷變化,少數(shù)特殊結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或鋼梁,橋墩一般采用實體墩,部分較早修建的橋墩還采用了輕型橋墩,涵洞一般為鋼筋混凝土蓋板涵或圓涵。由于設(shè)計年代及理念的不同,早期設(shè)計的梁部主要存在橋面寬不足、道砟厚度不足、鋼筋保護(hù)層厚度不滿足耐久性規(guī)范要求、部分梁部強(qiáng)度不滿足新規(guī)范要求等問題,橋墩也存在剛度不足,鋼筋保護(hù)層厚度不足等問題。從大秦鐵路運(yùn)營情況來看,車輛軸重提高到ZH活載(Z=1.0)后,橋梁、軌道、路基的病害較為突出,主要表現(xiàn)為橋梁隔板斷裂、梁體裂紋、墩臺裂損、梁端頂死、支座傾斜,涵洞裂損、變形等。既有橋涵對重載列車的適應(yīng)性涉及橋涵設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、修建年代、建筑材料、施工工藝、設(shè)計安全系數(shù)、橋梁養(yǎng)護(hù)等諸多因素。

一般來說,重載列車對橋涵的影響主要在豎向承載能力、橫向振動及縱向受力3個方面。通過對臨近既有線橋涵開行重載列車分析表明,存在部分梁體強(qiáng)度、抗裂性不能滿足新版規(guī)范要求,梁體下緣出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,橫向振幅過大、墩臺偏心超限、樁基承載力超限、涵洞填土不足等問題,從而加速了橋梁病害的發(fā)生和發(fā)展,降低了行車安全性。

我國鐵路一直延續(xù)按照1975年版本的“中-活載”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計,曾有報批的2005年新版的“ZH活載”標(biāo)準(zhǔn),其中活載有了相應(yīng)的提升,且通過鑒定,但目前尚未頒布。列車駛經(jīng)橋梁時,橋梁結(jié)構(gòu)在列車移動荷載作用下發(fā)生振動,橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)大于靜力響應(yīng),影響橋梁動力系數(shù)的主要因素有:列車軸距、列車速度及機(jī)車動輪不平衡重周期性錘擊作用;橋梁的跨度、自振頻率及阻尼、橋面系規(guī)則排列的支承;軌道不平順、車輪缺陷等。由于缺少相關(guān)的研究,“ZH活載”的橋梁動力系數(shù)暫按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)規(guī)定值取用。

(1)梁部

既有鐵路橋梁在2001年前一般較多的采用的是“專橋2059”標(biāo)準(zhǔn)梁圖,2001年結(jié)合99新規(guī)范編制了“專橋(01)2051”;期間2004年為適用于下部結(jié)構(gòu)已施工的遂渝、膠濟(jì)、武九、浙贛、隴海等線,編制了“專橋9753”;2005年結(jié)合05新規(guī)范編制了“通橋(2005) 2101”。為了評估既有鐵路開行煤運(yùn)通道活載列車做出比較準(zhǔn)確的評價,需對梁部進(jìn)行檢算。

以下針對目前使用較多的“專橋2059”和通橋(2005)2101進(jìn)行檢算。

對煤運(yùn)通道列車活載采用軸重250 kN,即中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(Z=1.0)作用下梁部計算。

①通橋(2005)2101-Ⅰ梁圖的計算結(jié)果見表2。

表2 通橋(2005)2101-Ⅰ梁圖的計算結(jié)果

上述結(jié)果是在沖擊系數(shù)α=2考慮的。

從計算結(jié)果可以看出,對于煤運(yùn)通道列車活載采用ZH活載(Z=1.0)時,梁部采用通橋(2005)2101 -Ⅰ32 m簡支T梁時,主梁的正應(yīng)力雖然超限不大,但結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度和抗裂性能卻沒有達(dá)到規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)安全性存在一定的風(fēng)險和隱患。當(dāng)開行270 kN及以上軸重列車時,通橋(2005)2101不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

②“專橋2059”標(biāo)準(zhǔn)梁圖采用ZH活載(Z=1.0)進(jìn)行檢算,其梁部的檢算結(jié)果見表3。

表3 專橋2059”標(biāo)準(zhǔn)梁采用ZH活載的檢算結(jié)果

從表3計算結(jié)果可以看出“專橋2059”標(biāo)準(zhǔn)梁圖在ZH活載(Z=1.0)作用下,梁部的強(qiáng)度不足,且正截面應(yīng)力也超限較多,不能滿足現(xiàn)行的規(guī)范要求。

結(jié)合本線既有疏運(yùn)線路情況,既有線使用較多的是“專橋2059”以前的標(biāo)準(zhǔn)梁,部分較早修建的線路還有采用“Π”型梁、武九線擴(kuò)能改造使用了“專橋9753”,2005年后一般采用“通橋(2005)2101”,漢丹線增建二線部分梁采用“通橋(2005)2201”,詳見表4。從以上梁部檢算來看,當(dāng)采用新中-活載(2005)貨運(yùn)專線ZH活載(Z=1.0)活載圖式,“專橋2059”、“通橋(2005)2101”梁均不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,考慮中-活載動力系數(shù)按照蒸汽機(jī)車偏心輪沖擊力考核,加之采用無縫線路后,動力系數(shù)裕度較大,具備擴(kuò)能條件。當(dāng)開行270 kN及以上軸重時,所有既有線梁部均不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

另外,較早修建的梁部還存在梁體橫向剛度不足的問題,部分梁體雖經(jīng)過提速加固,還是存在橫向聯(lián)結(jié)偏弱,梁體橫向振幅超限的問題;若采用軸重250 kN時,即(ZH活載,Z=1.0)活載,則根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,道砟厚度需增加,從而造成二期恒載增加。

(2)下部結(jié)構(gòu)

橋墩一般采用實體墩,部分較早修建的橋墩還采用了輕型橋墩,涵洞一般為鋼筋混凝土蓋板涵、拱涵或圓涵。存在的主要問題是橋墩橫向剛度不足、石砌墩臺在重載條件下的長期適應(yīng)性不足、木樁等不明基礎(chǔ)的使用狀況不詳、耐久性問題突出、結(jié)構(gòu)劣化嚴(yán)重、涵洞填土厚度不足等,隨著列車軸重增加、編組加大和運(yùn)營密度提高,列車的累計效應(yīng)明顯增大,橋梁病害逐漸增多且存在加速發(fā)展的趨勢,列車運(yùn)營存在安全隱患。

4 不同荷載圖式對比分析

(1)不同設(shè)計荷載圖式(圖1～圖4,表5)

圖1 中-活載(2005)長大重車檢算圖式(單位:m)

圖2 歐洲UIC活載圖式(單位:m)

圖3 UIC SW活載圖式(單位:m)

圖4 中活載圖式(單位:m)

表4 煤運(yùn)通道相關(guān)既有線橋涵概況

(2)荷載效應(yīng)對比分析

①在不計動力的情況下,UIC71活載比中-活載為重(一般高出5%),考慮動力系數(shù)后,實際活載效應(yīng)中-活載比UIC71活載稍大。

②采用相同動力系數(shù)條件下,對于32 m梁, UIC71活載(α=1.0)與ZH活載(Z=1.0)的荷載效應(yīng)沒有太大差異。

③中-活載(2005)長大重車檢算圖式與歐標(biāo)重交通使用的SW/2圖式完全相同。

④中-活載、UIC71活載(α=1.0)與ZH活載(Z=1.0)對32 m梁的荷載效應(yīng)(考慮動力系數(shù))相差不大。詳見表6。

表5 中-活載(2005)設(shè)計活載圖式

表6 32 m簡支T梁不同活載圖式技術(shù)指標(biāo)

(3)配套規(guī)范的使用

目前鐵路采用的規(guī)范為按容許應(yīng)力法設(shè)計的規(guī)范,而歐標(biāo)為按極限狀態(tài)法設(shè)計的規(guī)范,兩者之間有一定的差異。其中抗力的分項系數(shù),比較容許應(yīng)力法和歐標(biāo)極限狀態(tài)法,其抗力的組合效應(yīng)在2.0/1.35= 1.481～2.0/1.5=1.333之間;參考公路規(guī)范,材料變異系數(shù)約為1.25,工作條件變異系數(shù)約為0.95(新規(guī)范引入了重要性系數(shù)為1.1),則其組合效應(yīng)為1.25× 1.1=1.375,相當(dāng)于荷載系數(shù)2.0/1.375=1.45,是與歐標(biāo)鐵路橋活載分項安全系數(shù)1.45吻合的(恒載安全系數(shù)為1.35)。因此新舊規(guī)范的安全裕度是基本相當(dāng)?shù)?也就是說規(guī)改的原則是保證結(jié)構(gòu)按新舊規(guī)范設(shè)計具有較為相近的安全裕度水平的思路是正確的,與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是相適應(yīng)的。

5 主要結(jié)論及建議

根據(jù)國內(nèi)外鐵路運(yùn)輸情況,大力發(fā)展大軸重的重載運(yùn)輸是發(fā)展趨勢,但還需綜合考慮線路集疏運(yùn)系統(tǒng)。中-活載圖式已不能適應(yīng)貨運(yùn)重載運(yùn)輸?shù)男枰?歐標(biāo)UIC活載圖式配套規(guī)范采用的是極限狀態(tài)法,也與鐵路規(guī)范不配套;新的中-活載(2005)貨運(yùn)專線活載圖式,應(yīng)通過大量的現(xiàn)場試驗,加強(qiáng)動力系數(shù)的研究,制訂切合實際的動力系數(shù)計算公式,為修訂活載標(biāo)準(zhǔn)提供參考。新的中-活載(2005)貨運(yùn)專線ZH活載圖式(Z=1.0)運(yùn)輸能力較原中-活載標(biāo)準(zhǔn)有所提高,其荷載效應(yīng)與原中-活載差異不大,相鄰既有線具備擴(kuò)能改造條件,最適合本線采用。

綜上所述,根據(jù)本線特點(diǎn),結(jié)合相鄰既有線情況,蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道宜優(yōu)先采用ZH活載(Z=1.0)設(shè)計,或按UIC71活載(α=1.0)設(shè)計,并按中-活載(2005)長大重車檢算圖式進(jìn)行相關(guān)檢算。

[1] 戴福忠,陳雅蘭.重載鐵路橋梁設(shè)計列車標(biāo)準(zhǔn)活載的研究[J].中國鐵道科學(xué),2004(4):80-85.

[2] 高勛,牛斌.既有鐵路橋梁重載改造技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鐵道建筑,2011(11):1-4.

[3] 劉玉亮.重載鐵路簡支T形梁設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2011(9): 43-47.

[4] 辛學(xué)忠,張玉玲.鐵路橋梁設(shè)計活載標(biāo)準(zhǔn)修訂研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2006(4):1-4.

[5] 李洪斌.張?zhí)浦剌d鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2011(7):5-9.

[6] 錢立新.世界重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)的最新進(jìn)展[J].機(jī)車電傳動, 2010(1):1-6.

[7] 秦寶來.大秦重載鐵路擴(kuò)能總體設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2008(8):10-13.

[8] 錢立新.世界鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)[J].中國鐵路,2000(6):49-53. [9] 吳彩蘭.重載鐵路擴(kuò)能研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2005(6):14-18.

[10]王海志,田長海,牛會想.大秦線進(jìn)一步擴(kuò)能的探討[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì),2006(8):44-47.

[11]李本.鐵路既有線提速線路技改設(shè)計原則和主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究[D].成都:西南交通大學(xué),2003.

[12]高天.重載標(biāo)準(zhǔn)鐵路設(shè)計對工程投資的影響分析[J].鐵路工程造價管理,2011(2):25-27.

Preliminary Study for Selection of Design Live Load of Coal Transportation Railway Line from Western Inner Mongolia to Central China

JIN Fu-hai,WEN Wang-qing,XU San-ping
(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

The general situation of the locomotives and freight trains in our country's heavy haul railway, the axle load standards of foreign heavy haul railway,and the main transportation characteristics of the coal transportation railway line from Western Inner Mongolia to Central China are briefly introduced in this paper.Then the principle of selection is analyzed,that is:the selection of live load diagram under different transportation mode depends not only on the live load of operational train of itself line,and on its development-reserved margin,but also on the actual situation of relevant existing railway lines. Furthermore,by investigating the bridges and culverts on the existing railways in peripheral zone,the adaptability of the existing bridges and culverts to different axle loads is researched.Finally,by analyzing on the use condition of different live load diagrams and effects and standards,the conclusion is drawn out,that is:the design of the coal transportation railway line from Western Inner Mongolia to Central China should be designed preferentially according to ZH live load(Z=1.0),or according to UIC71 live load(α=1.0),also the relevant checking calculation based on the checking calculation diagram for super long-heavy haul train under China-live-load(2005)should be carried out.

heavy haul railway;railway line for coal transportation;design live load;axle load

U441+.2

A

1004-2954(2013)03-0048-05

2012-10-31

金福海(1963—),男,教授級高級工程師,1984年畢業(yè)于上海鐵道學(xué)院,工學(xué)學(xué)士。