杜振華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

1.1 重載運輸特點

重載鐵路運輸具有運能大、效率高、運輸成本低等特點，是礦石、煤炭等大宗散裝貨物最經(jīng)濟的運輸方式，也是世界鐵路貨物運輸?shù)闹饕l(fā)展方向之一。美國重載鐵路列車軸重大多集中在32.5～35.7 t；巴西部分重載鐵路軸重也達到了32.5 t[1]，澳大利亞由于鐵礦石出口的運輸需要，多次刷新世界重載運輸記錄，重載貨車最大軸重達到40 t，其中FMG公司在2015年運用軸重已達42 t[2]，2017年初進行了45 t軸重車輛的運用考驗[3]。

1.2 幾內(nèi)亞西芒杜40 t軸重重載鐵路專用線概況

西非幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路連接Morebaya港口與西芒杜礦區(qū)，正線全長約643 km[4]。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)線路等級：重載鐵路，軸重40 t。

(2)線路情況：單線，有砟軌道。

(3)設(shè)計行車速度：重車80 km/h，空車100 km/h。

(4)限制坡度：重車方向6‰，空車方向18‰。

(5)牽引種類：內(nèi)燃。

(6)牽引質(zhì)量：牽引質(zhì)量3.8萬t。

(7)列車編組：6臺機車240輛礦車，編組為2臺機車+120輛礦車+2臺機車+120輛礦車+2臺機車形式，列車總長度2823 m。

(8)開采年限：38年。

全線鐵路橋梁共26座，總長度2835 m，占線路總長的0.431%，全部為跨越河流，均采用簡支梁橋，最長橋梁241.1 m，為10×24 m。本項目主要采用24.1 m和31.1 m兩種跨度簡支梁(簡支梁跨度為梁縫中心線長度)，無特殊大跨結(jié)構(gòu)。

我國部分煤炭專用線按30 t軸重進行設(shè)計[5-9]，TB10625—2017《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》適用的最大軸重也是30 t，缺乏針對40 t軸重重載鐵路橋涵設(shè)計的相關(guān)規(guī)定及工程實例，有必要結(jié)合本項目的特點開展40 t軸重橋涵列車荷載圖示及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，為本項目后期設(shè)計工作做好技術(shù)儲備。

2 40 t軸重運營荷載

2.1 40 t軸重貨車主要參數(shù)

我國重載線路運行的貨車類型主要為敞車，軸重有23 t(C76)、25 t(C80)、30 t(C96)等[10]，暫時沒有投入使用軸重40 t的貨車，但為世界礦業(yè)巨頭—澳大利亞必和必拓(BHP)、力拓公司研制出口過40 t軸重不銹鋼礦石車[11-13]，40 t軸重礦石車2輛為一組，每組車包含1輛控制車和1輛輔助車，其主要技術(shù)參數(shù)見表1，相應(yīng)的車輛荷載圖示見圖1、圖2。

2.2 機車主要參數(shù)

發(fā)展大軸重機車車輛是世界鐵路貨運發(fā)展的大趨勢，加拿大、巴西、澳大利亞在其主要干線的重載運輸中均采用了30 t的列車。我國重載鐵路中運用的是軸重25 t的電力機車，同時也開展了大軸重鐵路機車的技術(shù)研究工作[16]。

表1 出口澳大利亞必和必拓、力拓公司40 t軸重不銹鋼礦石車主要技術(shù)參數(shù)[14-15]

圖1 出口澳大利亞必和必拓公司40 t軸重不銹鋼礦石車荷載(單位：mm)

圖2 出口澳大利亞力拓公司40 t軸重Q系列不銹鋼礦石車荷載(單位：mm)

本項目擬采用軸重32 t機車，其主要技術(shù)參數(shù)見表2、圖3。

表2 32 t軸重機車主要技術(shù)參數(shù)

圖3 機車軸距(單位：mm)

2.3 國內(nèi)外重載鐵路列車荷載圖示對比分析

鐵路列車荷載標(biāo)準(zhǔn)是鐵路橋涵設(shè)計的重要依據(jù)和核心參數(shù)，關(guān)系著設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性[17]?；钶d圖示的擬定需要結(jié)合項目的運輸模式、運營速度及加載方式，并考慮后期可能存在的移動裝備發(fā)展與升級等多方面因素確定。我國鐵路橋涵設(shè)計活載也開展了多次研究及修訂工作[18-22]。

目前鐵路及軌道交通橋梁的設(shè)計活載主要有兩種模式，一種是采用實際運營車輛并預(yù)留一定的安全儲備作為線下基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計荷載，如我國城市軌道交通橋梁設(shè)計采用的地鐵A型車、B型車及溫州市域鐵路設(shè)計荷載ZS荷載[23]等均采用的是這種思路；另一種是采用概化的荷載圖示，如我國的ZH、ZKH、ZK、ZC荷載、國際鐵路聯(lián)盟(UIC)Load Model 71荷載圖示等。

國外公司在本項目可研設(shè)計文件中采用以下3種荷載圖示中的最大值作為設(shè)計荷載。

(1)荷載圖示1：力拓公司40 t軸重Q系列不銹鋼礦石車車輛荷載，如圖2所示；

(2)荷載圖示2：Load Model 71(α=1.46)，如圖4所示。

圖4 Load Model71荷載圖示(α=1.46)(單位：m)

(3)荷載圖示3：SW/2活載。SW/2活載為靜活載，不考慮沖擊系數(shù)，見圖5及表3。

圖5 SW/2活載圖示

表3 荷載模型SW/0和SW/2豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值

荷載模型SW/0反映了正常鐵路交通在連續(xù)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的靜載效應(yīng)，荷載模型SW/2代表重型鐵路交通，即經(jīng)過特殊設(shè)計以承擔(dān)重型交通的鐵路。SW/0和SW/2荷載集度均小于40 t軸重礦石車每延米重，其活載效應(yīng)不控制設(shè)計。

TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》提出了設(shè)計軸重25 t、27 t、30 t的重載鐵路設(shè)計荷載—ZH荷載(圖6)，并專門設(shè)立荷載系數(shù)z為更大軸重重載鐵路留出通道。圖6中4個250 kN的集中荷載代表機車車輛軸重效應(yīng)和貨車鄰軸效應(yīng)，85 kN/m的均布荷載代表貨車車輛的延米重效應(yīng)。荷載系數(shù)z的取值由線路的運輸定位、主型機車和車輛、預(yù)留的活載儲備和發(fā)展以及經(jīng)濟性等因素綜合確定，對于考慮開行軸重350 kN及以上重載列車的新建重載鐵路，規(guī)范建議根據(jù)主型移動裝配情況合理研究確定荷載系數(shù)，技術(shù)論證階段，缺乏相關(guān)資料時可暫按1.50取用。

圖6 ZH荷載圖示(單位：m)

美國鐵路重載運輸采用的是反映蒸汽機車牽引特征的CooperE系列靜活載圖示，澳大利亞重載鐵路采用300LA列車荷載標(biāo)準(zhǔn)。ZH荷載和CooperE系列靜活載圖示中均有特種荷載模式，以提高小跨度橋涵的荷載效應(yīng)。

2.4 靜活載效應(yīng)對比

根據(jù)40 t軸重貨車、機車的主要參數(shù)及重載鐵路列車編組方式可知：機車軸重小于貨車軸重且固定軸距比貨車的大，貨車不僅軸重大、車身長度短且編組長度長，控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)為對應(yīng)列車編組中的車輛荷載部分，機車荷載不控制設(shè)計。

計算跨徑(加載長度)10～120 m時，ZH活載、Load Model 71、Cooper E80、300LA、BHP礦石車車輛荷載、力拓礦石車車輛荷載產(chǎn)生的跨中彎矩換算均布荷載、支點最大剪力換算均布荷載值見表4、表5。

表4 跨中彎矩換算均布活載效應(yīng) kN/m

表5 支點反力換算均布活載 kN/m

對以上計算結(jié)果進行分析，可以得出如下結(jié)論。

(1)力拓40 t軸重礦石車車輛長度、固定軸距均較小，其每延米質(zhì)量最大，產(chǎn)生的跨中彎矩及支點剪力也最大，跨度(影響線加載長度)越大，按車輛荷載計算所得換算均布荷載值越接近于車輛的每延米重。

(2)在不計沖擊系數(shù)的情況下，BHP礦石車車輛荷載效應(yīng)為ZH荷載的1.21～1.68倍，力拓礦石車車輛荷載效應(yīng)為ZH荷載的1.26～1.85倍，Cooper E80荷載效應(yīng)為ZH荷載的1.35～1.54倍，Load Model 71荷載效應(yīng)為ZH荷載的0.95～0.99倍，采用1.5ZH荷載作為40 t軸重重載鐵路設(shè)計活載不能完全包絡(luò)實際運營車輛荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，跨度小時偏大，跨度大時偏小。

(3)ZH荷載圖示中集中荷載軸重與均布荷載的比值為2.94，Load Model 71荷載中集中荷載軸重與均布荷載的比值為3.13，與40 t軸重重載鐵路運輸特點不匹配，僅僅通過調(diào)整ZH荷載的荷載系數(shù)z或者Load Model 71荷載的調(diào)整系數(shù)α不能保證對于實際運營荷載的儲備在不同范圍內(nèi)較為均衡。由于40 t軸重重載鐵路機車車輛軸重小于貨車，且貨車編組較長，若采用類似ZH或Load Model 71形式的概化荷載，應(yīng)能反映貨車車輛軸重效應(yīng)、鄰軸效應(yīng)和貨車每延米重效應(yīng)，需結(jié)合40 t軸重重載車輛裝備及編組特點開展進一步的研究。

(4)本項目橋梁以小跨度橋涵為主，橋梁計算跨度均小于32 m，對32 m以下簡支梁，BHP礦石車車輛荷載效應(yīng)為ZH荷載的1.21～1.49倍，力拓礦石車車輛荷載效應(yīng)為ZH荷載的1.2～1.6倍，為LM71荷載效應(yīng)1.26～1.65倍，控制設(shè)計的是力拓礦石車車輛荷載。本項目為鐵礦石專用線，運行的車輛相對單一和固定，橋梁結(jié)構(gòu)形式均為32 m以下單線簡支梁，車輛選型確定后可采用實際貨車車輛荷載進行線下基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計，在缺乏相關(guān)資料時，從靜力荷載等效的角度考慮，可以近似采用1.6ZH荷載作為本項目的列車設(shè)計活載。

2.5 沖擊系數(shù)對比分析

橋梁設(shè)計中通過沖擊系數(shù)計算及列車荷載的動力影響分析。列車對橋梁的動力作用，不僅取決于橋梁結(jié)構(gòu)本身的振動特性，而且決定于運行列車的機車類型、振動特性及運行速度，同時還與橋上線路的狀態(tài)有關(guān)。沖擊系數(shù)是上述各種因素的綜合反映[24]。

各國制定動力系數(shù)計算公式的思路基本相仿，實際在橋梁動力系數(shù)的規(guī)范取值上卻具有較大的差異，中國規(guī)范計算動力系數(shù)時區(qū)分了鋼橋、混凝土橋和鋼混結(jié)合梁橋，而美國AREMA規(guī)范和歐洲規(guī)范中未對此區(qū)別對待。從圖7計算結(jié)果來看：按歐洲規(guī)范計算的動力系數(shù)，小跨度梁較大而大跨度梁偏小，且隨著跨度的增加衰減較快；按中國規(guī)范混凝土梁計算的動力系數(shù)比美國規(guī)范計算值要小，但衰減程度接近，且隨著跨度的增加衰減較慢。

橋梁設(shè)計時并不是只用列車靜活載進行設(shè)計，而是采用靜活載和沖擊荷載之和，由于不同的設(shè)計規(guī)范算出的沖擊系數(shù)相差較大，在確定列車活載圖示時，將沖擊系數(shù)和活載發(fā)展儲備系數(shù)二者同時考慮相對較為合理。我國目前尚缺乏40 t軸重重載鐵路橋梁沖擊系數(shù)的相關(guān)計算方法和測試數(shù)據(jù)，建議結(jié)合活載圖示的研究同步開展40 t軸重重載運輸條件下列車沖擊系數(shù)的研究。歐洲重載鐵路建設(shè)經(jīng)驗相對不足，而美國在重載鐵路方面的研究和經(jīng)驗較為豐富，澳大利亞重載鐵路設(shè)計中也部分參考了美國規(guī)范，建議本項目動力系數(shù)參照美國規(guī)范取值。

圖7 動力系數(shù)比較

2.6 活載發(fā)展儲備系數(shù)對上部結(jié)構(gòu)工程量的影響分析

鐵路常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁主要采用箱梁和T梁兩種形式，簡支T梁為分片式組合結(jié)構(gòu)，常采用梁場集中預(yù)制，分片運輸和架設(shè)的施工方法。單片預(yù)制T梁體積小、質(zhì)量小，架設(shè)方法靈活，造價較低，在我國時速200 km以下客貨共線鐵路、重載鐵路中得到廣泛應(yīng)用[25]。但多片式簡支T梁在架設(shè)完成后，需要在橋位處施工橫向連接構(gòu)造，由于施工環(huán)境差，施工質(zhì)量不易保證。目前大量使用的簡支T梁，多采用翼緣板懸臂安裝角鋼人行道支架，橋梁角鋼支架人行道主要維護內(nèi)容為除銹涂裝，只能采用人工方式，費時、費工、作業(yè)效率低、涂裝質(zhì)量不易保證，且存在一定作業(yè)風(fēng)險，維護困難大、成本高，運營維護安全風(fēng)險大[26]，在相同靜活載作用下，相同梁高簡支T梁的跨中豎向變形、梁端轉(zhuǎn)角均大于箱梁，基頻小于箱梁，后期養(yǎng)護維修費用高于箱梁。

本項目線路長度較長，橋梁數(shù)量較少且工點較為分散，交通運輸不便，采用全線集中預(yù)制架設(shè)存在施工運輸距離過長的問題，若設(shè)置多個預(yù)制場，不僅不經(jīng)濟，對環(huán)境的影響也較大。本項目橋梁比重極小，和混凝土簡支T梁相比，采用箱梁增加的費用對整個項目的投資影響較小，但能極大地減小后期養(yǎng)護維修成本，全壽命周期成本低于T梁，推薦采用支架現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。

活載發(fā)展儲備系數(shù)反映的是設(shè)計荷載超出實際運營荷載的程度，是一條鐵路線路可承受的未來載重增加的能力，提高軸重和增加軸數(shù)是發(fā)展重載運輸?shù)膬蓚€方向，40 t軸重礦石車時如果軸重有10%的增幅，即最大運用軸重可提升為44 t，單車最高載重可達155 t，載重可增加16 t。本項目位于經(jīng)濟相對落后的西非，主要運輸單一的鐵礦石，在使用期內(nèi)軸重、運輸性質(zhì)相對比較固定，其活載發(fā)展儲備系數(shù)安全儲備相應(yīng)可以降低。

為進一步研究采用不同的活載發(fā)展儲備系數(shù)對上部結(jié)構(gòu)工程量及造價的影響，以本項目31.1 m單線預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆簡支箱梁(直線梁)為背景，活載分別采用1.0，1.1，1.2倍力拓公司40 t軸重Q系列不銹鋼礦石車車輛荷載進行加載，在保證結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)基本接近且各檢算指標(biāo)準(zhǔn)均滿足我國重載鐵路設(shè)計規(guī)范要求的前提下，對比分析上部結(jié)構(gòu)主要工程數(shù)量的變化。

跨度31.1 m單線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁采用等高度單箱單室截面，梁端頂?shù)装寮案拱寰植肯騼?nèi)外側(cè)加厚。梁長31 m，計算跨度29.5 m，支座中心至梁端0.75 m，橫橋向支座中心距2.6 m，箱梁截面中心高度為2.5 m，橋面寬7.1 m。跨中及梁端截面見圖8。

圖8 31.1 m單線簡支箱梁跨中及梁端截面(單位：mm)

其主要計算參數(shù)如下。

(1)梁體自重：γ取26.0 kN/m3。

(2)二期恒載：二期恒載包括橋上有砟軌道線路設(shè)備重，以及防水層、保護層、人行道欄桿、擋砟墻等附屬設(shè)施重，二期恒載取65 kN/m。

(3)活載：分別采用1.0,1.1,1.2倍力拓公司40 t軸重Q系列不銹鋼礦石車車輛荷載進行加載，動力系數(shù)參照美國規(guī)范計算。

結(jié)構(gòu)檢算按TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行，計算結(jié)果見表6。

由表6計算結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

(1)對40 t軸重重載鐵路單線梁而言，活載內(nèi)力已經(jīng)超過了恒載內(nèi)力，恒活比較小，結(jié)構(gòu)設(shè)計對活載的變化相對比較敏感。

(2)在截面尺寸不變，活載提高至實際運營活載1.2倍的情況下，梁體剛度仍大于0.6×L/900的規(guī)范限值，說明箱梁整體剛度較大，比較適用于大軸重重載鐵路。

表6 縱向計算結(jié)果對比

(3)在梁體截面尺寸不變的情況下，活載增加0.1倍時，梁體預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量約增加350 kg，每孔梁工程造價約增加1.3%，對整個項目橋梁工程投資影響不大。

(4)本項目為鐵礦石專用線，運行的車輛相對單一和固定，且軸重較大，后期增加軸重的可能性較小，可以預(yù)留較小的活載發(fā)展系數(shù)，建議參照TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》要求采用最小值1.1，即采用1.1倍的實際運營車輛荷載編組作為本線設(shè)計活載。

3 結(jié)論及建議

(1)根據(jù)40 t軸重貨車、機車的主要參數(shù)及列車編組方式可知，車輛荷載軸重大、車身長度短且編組長度長，控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載為對應(yīng)列車編組中的車輛荷載部分，機車荷載不控制設(shè)計。在鄰軸距和固定軸距相同的情況下，車輛越短荷載效應(yīng)越大。

(2)ZH荷載圖示中集中荷載軸重與均布荷載的比值為2.94，Load Model 71荷載中集中荷載軸重與均布荷載的比值為3.13，與40 t軸重重載鐵路運輸特點不匹配，僅僅通過調(diào)整ZH荷載的荷載系數(shù)z或者Load Model 71荷載的調(diào)整系數(shù)α不能保證對于實際運營荷載的儲備在不同范圍內(nèi)較為均衡。

(3)本項目為鐵礦石專用線，運行的車輛相對單一和固定，車輛選型確定后可采用實際貨車車輛荷載進行線下基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計，活載發(fā)展儲備系數(shù)可以參照TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》要求采用最小值1.1，即采用1.1倍的實際運營車輛荷載編組作為本線設(shè)計活載。

(4)分別采用1.0，1.1，1.2倍力拓公司40 t礦石車車輛荷載作為設(shè)計活載對本項目32 m簡支箱梁進行了試算，結(jié)果表明，在沖擊系數(shù)取值相同的情況下，活載提高對本項目上部結(jié)構(gòu)造價影響較小。

(5)橋梁設(shè)計中采用的是靜活載和沖擊荷載之和，按不同的設(shè)計規(guī)范算出的沖擊系數(shù)相差較大，在確定列車活載標(biāo)準(zhǔn)時將沖擊系數(shù)和活載發(fā)展系數(shù)兩者合并考慮相對較為合理。目前缺乏40 t軸重重載鐵路橋梁沖擊系數(shù)的相關(guān)計算方法，建議結(jié)合活載圖示的研究同步開展40 t軸重重載運輸條件下列車沖擊系數(shù)的研究。