張濤

(神華包神鐵路集團(tuán)公司，內(nèi)蒙古包頭014014)

新建巴準(zhǔn)線橋梁對重載鐵路新活載標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性研究

張濤

(神華包神鐵路集團(tuán)公司，內(nèi)蒙古包頭014014)

新建巴準(zhǔn)線是神華集團(tuán)重載運(yùn)輸鐵路網(wǎng)的重要組成部分。在巴準(zhǔn)線建設(shè)過程中，我國重載鐵路新活載標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確定，既有活載標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿足重載運(yùn)輸需要。本文通過比較國內(nèi)外重載鐵路靜活載發(fā)展儲備系數(shù)論證了巴準(zhǔn)線適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)中的1.0級ZH活載;通過梁軌一體化分析獲得巴準(zhǔn)線橋梁重載運(yùn)輸列車縱向力分布規(guī)律，據(jù)此將橋梁縱向剛度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提升到設(shè)計(jì)活載的12.5%;采用新老活載標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)算巴準(zhǔn)線橋梁結(jié)構(gòu)性能，從而確定設(shè)計(jì)改進(jìn)措施;通過施工監(jiān)控系統(tǒng)地驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)后巴準(zhǔn)線橋梁成橋狀態(tài)良好。研究成果提升了巴準(zhǔn)線承載能力，擴(kuò)大了運(yùn)營發(fā)展空間。

重載鐵路 ZH活載圖式 縱向力 橋梁施工監(jiān)控

1 工程概述

新建鐵路巴準(zhǔn)線位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗和準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)，線路自包神鐵路巴圖塔站引出，沿公涅爾蓋溝，經(jīng)準(zhǔn)格爾召、四道柳、暖水、納林、西五色、浪溝、十里長川、黑岱溝，接入大準(zhǔn)鐵路點(diǎn)岱溝站，正線全長128.102 km，疏解線6.395 km，總計(jì)134.497 km。新建巴準(zhǔn)線橋涵主要為小跨度涵洞、標(biāo)準(zhǔn)跨度簡支梁結(jié)構(gòu)和大跨度連續(xù)梁。其中，簡支梁上部結(jié)構(gòu)采用“通橋(2005)2101”混凝土T梁通用參考圖;連續(xù)梁橋梁是巴準(zhǔn)線建設(shè)中的重點(diǎn)工程，分別是公涅爾蓋溝大橋(中心里程DK08+749.663)的(60+ 100+60)m連續(xù)梁、納林川特大橋(中心里程DK083 +801.655)的2×(48+3×80+48)m連續(xù)梁。

根據(jù)神華集團(tuán)鐵路的發(fā)展規(guī)劃，到“十二五”末期，神華自有鐵路運(yùn)營總里程將達(dá)到3 300 km，基本形成西到銀川、北到蒙古國、東到黃驊港、天津港、山東東營、龍口港，并連接大秦線、集通線的自有鐵路網(wǎng)，初步形成以煤運(yùn)通道為骨干、集疏運(yùn)系統(tǒng)相配套的煤運(yùn)重載鐵路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。將開行萬噸和兩萬噸以上的重載列車，保證神華多個(gè)億噸級煤炭基地的投產(chǎn)使用。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，新建巴準(zhǔn)線是西連包神線、東接大準(zhǔn)線的重要聯(lián)絡(luò)線，也是蒙西煤炭資源外運(yùn)的重要通道。保證巴準(zhǔn)線的重載運(yùn)輸能力對于提升神華集團(tuán)鐵路網(wǎng)的整體服務(wù)水平意義重大，同時(shí)也關(guān)系著我國西煤東運(yùn)的整體戰(zhàn)略布局。

巴準(zhǔn)線建設(shè)期間我國重載鐵路規(guī)范正在編制，其中重載鐵路設(shè)計(jì)活載圖式已經(jīng)確定，提升軸重已被明確提升為未來重載鐵路運(yùn)輸重要發(fā)展方向。新建巴準(zhǔn)線橋梁設(shè)計(jì)依據(jù)現(xiàn)行的《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)，設(shè)計(jì)活載為“中—活載”圖式。既有運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明，依據(jù)現(xiàn)行“中—活載”設(shè)計(jì)的橋梁已經(jīng)不能很好地適應(yīng)25 t軸重及以上列車的重載運(yùn)輸。為了滿足巴準(zhǔn)線未來重載運(yùn)輸需求，提升大軸重貨車運(yùn)輸能力，在其建設(shè)期間開展新建巴準(zhǔn)線橋梁適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)體系的研究十分必要。

2 研究思路

1)收集分析巴準(zhǔn)線設(shè)計(jì)和建設(shè)資料，了解巴準(zhǔn)線建設(shè)目標(biāo)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2)系統(tǒng)地收集分析我國重載鐵路研究和試驗(yàn)成果。研究巴準(zhǔn)線在重載鐵路新活載標(biāo)準(zhǔn)體系中具體適用的活載圖式及參數(shù)等級，確定巴準(zhǔn)線適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)后可以適應(yīng)的活載軸重水平。

3)總結(jié)巴準(zhǔn)線連續(xù)梁橋和典型簡支梁橋橋墩縱向剛度分布規(guī)律，進(jìn)行重載列車縱向力傳遞規(guī)律的研究，提出巴準(zhǔn)線橋梁下部結(jié)構(gòu)適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)所需要的制動(dòng)力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4)結(jié)合巴準(zhǔn)線典型橋梁的設(shè)計(jì)資料，分別根據(jù)既有中—活載標(biāo)準(zhǔn)和新活載標(biāo)準(zhǔn)對巴準(zhǔn)線橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算分析，研究橋梁結(jié)構(gòu)在不同活載標(biāo)準(zhǔn)下的性能，確定巴準(zhǔn)線橋梁適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)需要改進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

5)提出巴準(zhǔn)線橋梁適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，并在工程中應(yīng)用。

6)在巴準(zhǔn)線橋梁建設(shè)過程中，利用監(jiān)控設(shè)備，依據(jù)新活載標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施的效果及成橋性能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 新建巴準(zhǔn)線橋梁對新活載標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性研究

巴準(zhǔn)線依據(jù)的是現(xiàn)行“中—活載”圖式(圖1)。為適應(yīng)新時(shí)期鐵路運(yùn)輸發(fā)展的需要，原鐵道部科技司于2004年立項(xiàng)，明確要求結(jié)合我國鐵路的實(shí)際情況，研究和制訂客貨共線和貨運(yùn)鐵路橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)。中國鐵道科學(xué)研究院在歷年研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了現(xiàn)行中—活載圖式實(shí)施30多年的工程實(shí)踐效果和鐵路運(yùn)輸發(fā)展趨勢，并在圖式選型上與國際鐵路聯(lián)盟UIC圖式接軌，研究制訂了適用于我國不同線路特征的新活載圖式。目前，我國《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(送審稿)已將“中—活載(2010)”活載圖式(本文稱為新活載)納入，鐵路管理部門正組織進(jìn)行《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》的修訂，其中設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)及配套設(shè)計(jì)參數(shù)也將進(jìn)行修訂。新活載標(biāo)準(zhǔn)體系中包括ZC，ZK，ZKH和ZH活載，用于貨運(yùn)鐵路設(shè)計(jì)的“ZH圖式”如圖2所示。對于新建貨運(yùn)專線“ZH圖式”中的z＞1.1，在以貨運(yùn)為主的重載鐵路巴準(zhǔn)線適應(yīng)新活載的“ZH活載”研究中，應(yīng)綜合考慮增加的建設(shè)成本及未來運(yùn)營能力，合理確定“ZH活載”中的z的取值。

圖1 中—活載圖式

圖2 ZH活載圖式

巴準(zhǔn)線適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)研究采用比較靜活載發(fā)展儲備系數(shù)的方法。世界重載鐵路運(yùn)輸發(fā)達(dá)國家和地區(qū)主要包括美國、歐洲、巴西、澳大利亞、南非、俄羅斯等，通過研究各國的設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)對實(shí)際運(yùn)營車的靜活載發(fā)展儲備系數(shù)統(tǒng)計(jì)出一個(gè)靜活載發(fā)展系數(shù)的合理區(qū)間。各國圖式的特點(diǎn)均是中小跨度的儲備量大于大跨度的，在80 m以上儲備量基本趨于平緩。其中，俄羅斯和美國活載圖式的平均靜活載發(fā)展儲備系數(shù)最大，為1.5以上;其次為UIC的25 t軸重線路，為1.3;其余國家相差不大，在1.2～1.3，見表1。

表1 各國鐵路設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)對實(shí)際運(yùn)營車的靜活載發(fā)展儲備系數(shù)

我國《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)的“中—活載”對軸重23 t、載重70 t級通用貨車的靜活載儲備系數(shù)在1.1～1.5，平均為1.328，儲備量適當(dāng)?！爸小钶d”對25 t級專用敞車儲備系數(shù)在1.0～1.4，平均為1.106。部分小跨度(≤3 m)和大跨度(≥130 m)圖式的荷載效應(yīng)與車輛的荷載效應(yīng)已基本接近，沒有儲備(圖3)。因此，“中—活載”圖式對25 t軸重的專用敞車儲備偏低，且突出體現(xiàn)在小跨度和大跨度橋涵活載儲備偏弱。

圖3 “中—活載”對25 t級專用敞車(C80)的靜儲備

通過研究，巴準(zhǔn)線適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)體系中的1.0 ZH活載圖式，對于25 t軸重車輛的儲備系數(shù)在1.049～1.629(圖4)，平均值為1.209。儲備適當(dāng)，可以滿足25 t軸重貨車的安全運(yùn)營要求。

3.2 巴準(zhǔn)線重載列車縱向作用力研究

書中記錄了一些醫(yī)學(xué)認(rèn)識，如疾?。喊]病、白痂、生瘡、燒傷、疥廯皮疹、禿發(fā)、衣物長霉、房屋長霉，但治療方法當(dāng)時(shí)非常簡單，就是知道什么是不潔的不碰，碰了以后要清洗或燒掉。而對于病人，當(dāng)時(shí)能夠使用的方法就是隔離或驅(qū)逐，因?yàn)闆]有辦法治療。而制止一次瘟疫的方法竟然是殺死了兩個(gè)人，這與其說是用巫術(shù)的方法消滅瘟疫，不如說是用巫術(shù)的方法掩蓋殺人的罪行?？墒牵恍┘膊∏∏碓从谒鼈兊纳盍?xí)慣，來源于他們還不能認(rèn)識的細(xì)菌和病毒。

我國《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》4.3.7條規(guī)定:“制動(dòng)力或牽引力應(yīng)按列車豎向靜活載的10%計(jì)算”。通過研究發(fā)現(xiàn)，國家鐵路聯(lián)盟、德國、南非等國家的鐵路橋梁縱向力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均大于我國，我國尚缺乏針對重載鐵路的橋梁縱向力的研究。我國既有鐵路重載運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)表明，橋梁支承體系病害比較突出。為了保證巴準(zhǔn)線重載運(yùn)輸安全，減少橋梁維護(hù)費(fèi)用，本文針對巴準(zhǔn)線橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際情況開展重載鐵路列車縱向力分布規(guī)律研究，為巴準(zhǔn)線適應(yīng)新活載提供橋梁縱向力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。巴準(zhǔn)線重載列車縱向作用力研究利用非線性梁—軌一體化模型有限元分析技術(shù)，模型示意圖見圖5。

圖4 1.0 ZH對25 t軸重重載列車的靜活載發(fā)展儲備

圖5 縱向力計(jì)算模型示意

建立15跨巴準(zhǔn)線32 m單線簡支梁模型，由墩臺制動(dòng)力分布特征圖(圖6)可以看出，設(shè)置固定支座的橋臺、中墩橋墩的制動(dòng)力大于規(guī)范值。設(shè)置固定支座的橋臺的最大制動(dòng)力為豎向活載的29%，橋墩最大制動(dòng)力為豎向活載的7%～14%。

圖6 橋梁墩臺制動(dòng)力占豎向活載百分比

在巴準(zhǔn)線7座橋梁工點(diǎn)中，涵蓋有單線橋、雙線橋、大橋、特大橋、等跨布置簡支T梁、不同配跨情況連續(xù)梁、不同橋跨形式連續(xù)梁、墩身剛度差異較小的多跨橋、剛度差異較大的多跨橋等多種橋梁墩臺結(jié)構(gòu)布置形式(表2)。

圖7給出了巴準(zhǔn)線工點(diǎn)1墩臺水平力分析結(jié)果，其中列車制動(dòng)力為實(shí)際萬噸運(yùn)營列車(C80)在橋梁不同位置制動(dòng)時(shí)根據(jù)梁—軌相互作用得到的橋梁墩臺水平反力的最大值;同時(shí)給出了豎向設(shè)計(jì)活載12.5%的計(jì)算值。研究結(jié)果表明，巴準(zhǔn)線橋梁墩臺縱向力設(shè)計(jì)值應(yīng)取設(shè)計(jì)活載的12.5%。

表2 工點(diǎn)信息描述

圖7 工點(diǎn)1(哈拉溝大橋)墩臺水平力計(jì)算結(jié)果

3.3 新建巴準(zhǔn)線橋涵結(jié)構(gòu)適應(yīng)新活載設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

利用結(jié)構(gòu)性能分析技術(shù)和特大橋施工過程有限元模擬技術(shù)展開巴準(zhǔn)線橋梁針對新老標(biāo)準(zhǔn)的檢算研究，給出設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，監(jiān)控納林川特大橋施工過程中的實(shí)際結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，與理論分析結(jié)果對比研究，驗(yàn)證設(shè)計(jì)改進(jìn)措施應(yīng)用效果。

依據(jù)“中—活載”和新活載標(biāo)準(zhǔn)對巴準(zhǔn)線的簡支梁、連續(xù)梁、涵洞、橋墩及樁基礎(chǔ)進(jìn)行檢算，檢算內(nèi)容包括梁體撓度、梁體混凝土應(yīng)力、梁體自振頻率、墩身應(yīng)力、樁基承載力等，具體檢算結(jié)果不再詳述。根據(jù)檢算結(jié)果，確定巴準(zhǔn)線橋梁適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)改進(jìn)措施如下:

2)簡支梁。對通橋(2005)2101跨度32，24和16 m梁，修改部分鋼束規(guī)格。

3)連續(xù)梁。納林川特大橋(48+3×80+48)m連續(xù)梁調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋布置。

4)墩身。部分墩身主筋直徑由16 mm改為20 mm。

5)樁基。增加部分樁長。

納林川特大橋(38+3×80+48)m連續(xù)梁是巴準(zhǔn)線體系最復(fù)雜、長度最長的橋梁，在其施工過程中，對其進(jìn)行有限元理論分析(圖8)。根據(jù)新活載標(biāo)準(zhǔn)要求，分析其在新活載標(biāo)準(zhǔn)條件下混凝土應(yīng)力變化，并與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果對比。連續(xù)梁各工況的實(shí)測應(yīng)力與理論應(yīng)力比較一致，結(jié)構(gòu)受力安全，兩個(gè)懸臂受力趨勢相同，成橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)合理。連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力施加準(zhǔn)確，線形良好，合龍精度高，大橋整體施工效果與設(shè)計(jì)要求比較一致，連續(xù)梁適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)措施得到落實(shí)。

圖8 連續(xù)梁仿真計(jì)算模型

4 經(jīng)濟(jì)社會效益分析

2011年，根據(jù)世界重載鐵路的發(fā)展趨勢和我國鐵路貨車技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和運(yùn)營現(xiàn)狀，《鐵路主要技術(shù)政策》(修訂版)已將既有線重載改造后的貨車軸重目標(biāo)值定為27 t，新建重載鐵路貨車軸重目標(biāo)值定為30 t及以上。發(fā)展大軸重重載運(yùn)輸是我國鐵路的主要方向之一。

結(jié)合《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》編制過程中的研究成果和巴準(zhǔn)線橋梁特點(diǎn)，基于ZH活載標(biāo)準(zhǔn)提出設(shè)計(jì)參數(shù)。在新建巴準(zhǔn)線橋梁設(shè)計(jì)中局部優(yōu)化調(diào)整(增加少量預(yù)應(yīng)力束，增加截面或少量配筋)，使新建巴準(zhǔn)線橋梁能夠適應(yīng)新設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)(ZH活載圖式)。巴準(zhǔn)線運(yùn)營期間可以良好適應(yīng)25 t軸重貨車，通過與運(yùn)營同樣列車的大秦等既有線路橫向比較，可以減少巴準(zhǔn)線運(yùn)營期間橋梁病害的出現(xiàn)，減少運(yùn)營維護(hù)工作。同時(shí)，巴準(zhǔn)線可以滿足27 t軸重貨車的使用，避免了橋梁加固，節(jié)約費(fèi)用6 300萬元左右，包括全線橋梁支承體系改進(jìn)費(fèi)用4 500萬元左右，納林川特大橋的加固費(fèi)用1 200萬元，其它墩臺基礎(chǔ)加固600萬元。

本課題研究成果為我國《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》橋梁章節(jié)的編制提供了技術(shù)支撐，為我國其他新建貨運(yùn)鐵路提供了參考依據(jù)，相關(guān)研究成果在神華集團(tuán)準(zhǔn)池鐵路進(jìn)行部分推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

1)現(xiàn)行設(shè)計(jì)活載(“中—活載”)已不能適應(yīng)鐵路重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。中—活載(2010)中1.0 ZH對于25和27 t軸重車的靜活載發(fā)展儲備系數(shù)平均為1.2左右。巴準(zhǔn)線適用1.0 ZH活載基本可以滿足25 t軸重車的安全運(yùn)營需要。

2)現(xiàn)行規(guī)范中橋梁墩臺制動(dòng)力按10%的中—活載設(shè)計(jì)明顯偏低;在橋墩剛度均勻的情況下，開行25 t軸重的專用敞車，巴準(zhǔn)線墩臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縱向力應(yīng)為設(shè)計(jì)活載的12.5%;由于墩臺之間剛度的差異，設(shè)置縱向固定支座的橋臺承受的縱向力較大，約為橋墩的一倍，需要采用增加錨固螺栓直徑等措施，以增大橋臺支座縱向抗剪能力。

3)經(jīng)過設(shè)計(jì)檢算研究，巴準(zhǔn)線橋梁結(jié)構(gòu)通過采用設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，可以達(dá)到適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)的需要。

4)連續(xù)梁的應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果與理論分析結(jié)果對比表明，公涅爾蓋溝大橋(60+100+60)m連續(xù)梁和納林川特大橋2×(48+3×80+48)m連續(xù)梁的預(yù)應(yīng)力施加準(zhǔn)確，線形良好，合龍精度高，大橋整體施工效果與設(shè)計(jì)要求比較一致，連續(xù)梁適應(yīng)新活載標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)措施得到落實(shí)。

5)巴準(zhǔn)線橋梁結(jié)構(gòu)采用本文課題研究成果，完全具備良好運(yùn)營25 t軸重列車需求，同時(shí)具備運(yùn)行27 t軸重列車的試驗(yàn)條件。

本文研究成果對于擬采用27 t軸重車輛的新建鐵路具有重要的指導(dǎo)價(jià)值，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

［1］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［3］中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．TB 10015—2010鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［4］付建軍，張濤．采用新設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)提升巴準(zhǔn)線重載運(yùn)營能力的研究［J］．鐵道建筑，2013(4):38-41．

［5］宋福．混凝土連續(xù)梁成橋方法對結(jié)構(gòu)和施工支架受力狀態(tài)的影響分析［J］．鐵道建筑，2013(5):1-4．

［6］李帥，劉乙建，班新林．巴準(zhǔn)線公涅爾蓋溝大橋(60+100+ 60)m連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力施工控制研究［J］．鐵道建筑，2014 (11):6-10．

(責(zé)任審編李付軍)

U441+．2

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．01

1003-1995(2015)03-0001-04

2014-09-05;

2014-10-26

張濤(1970—)，女，山東榮城人，高級工程師。