李桂林

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063)

超大跨度鐵路橋梁列車加載長度研究

李桂林

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063)

加載長度對千米級超大跨度橋梁截面尺寸及造價投資起重要作用，需對主跨或主橋聯(lián)長大于1 km以上的橋梁列車加載長度分析。通過研究，擬找到中-活載及ZK荷載等不同荷載形式下超大跨度橋梁荷載合理加載模式。研究結論：城際鐵路及客運專線可按照450 m加載長度加載，普通客貨共線鐵路及貨運專線加載長度根據(jù)本線的貨車編組情況，可按所設計到發(fā)線有效長度作為超大跨度橋梁加載長度；對于主橋聯(lián)長小于3 km的橋梁，全橋范圍內可僅采用1個加載長度加載。

鐵路橋梁；加載長度；超大跨度；客運專線鐵路；客貨共線鐵路

近年來隨著橋梁設計、建造技術的不斷發(fā)展，鐵路橋梁跨度不斷突破，很多過江通道在研究超大跨度橋梁。設計時對小跨度橋梁來說，無限長的加載長度對橋梁設計沒有影響，但對于主跨或主橋聯(lián)長大于1 km以上的橋梁，采用無限長的加載長度，會導致結構尺寸過大，且與實際不符，造成橋梁設計尺寸的巨大浪費?！惰F路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)[1]及《高速鐵路設計規(guī)范》(TB10621—2009)[2]中對中-活載及ZK活載荷載模式均為無限長的加載長度，規(guī)范中對超大跨度橋梁的加載長度亦沒有明確規(guī)定，若按照規(guī)范規(guī)定采用無限長加載長度，將人為增加橋梁結構尺寸，這對超大跨度橋梁來說，是個巨大的經濟損失。因此，在設計超大跨度橋梁時，需要對鐵路加載長度進行研究，選用合適的加載長度。

1 目前規(guī)范規(guī)定荷載形式

《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》[1]對中-活載荷載模式進行了設定，《高速鐵路設計規(guī)范》[2]對ZK活載進行了規(guī)定，同時，2005年報批荷載模式中，有ZH活載模式，同時有城際鐵路ZC荷載模式，各荷載模式匯總如表1所示[3-4]。

從以上荷載模式可知，目前采用荷載模式均采用幾個集中荷載代表車頭，其余為無限長的均布荷載模式。規(guī)范規(guī)定在橋梁設計過程中進行影響線加載時，可以按最不利加載位置任意截取加載長度進行加載。

表1 鐵路荷載圖示匯總

2 荷載加載長度影響分析

從影響列車加載長度的因素分析，確定以下3個方面因素，即可確定超大跨度橋梁實際的加載模式。

2.1 目前實際最長列車開行長度

2.1.1 城際鐵路及客運專線開行長度

根據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范》[2]，旅客站臺長度應按照450 m設置，只停留8輛編組動車組的車站站臺長度按230 m設置，困難條件下不應小于220 m。其長度確定主要根據(jù)目前客車編組數(shù)16節(jié)車廂來確定。目前動車組分為CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH6共5種類型[5-7]。各類型動車組編組長度如表2所示。

表2 動車編組長度統(tǒng)計

從表2可知，8輛編組時列車總長度最長的車型為CRH1型，列車總長度為213.5m，其中旅客列車最大編組輛數(shù)為16 m，列車總長度為2×213.5 m=427 m，取430 m，另每側考慮10 m的停車余量，站臺長度設計為450 m。城際鐵路及客運專線站臺長度統(tǒng)計見表3。

從以上分析，目前實際的最長列車編組長度為430 m，站臺設置時按照450 m。由于列車編組長度與車站站臺設計長度之間僅相差兩側10 m的停車余量，為方便起見，列車加載長度可按照車站站臺長度設計取值。

表3 城際鐵路及客運專線站臺長度統(tǒng)計

2.1.2 普通客車開行長度

普通客車開行長度主要由機車的牽引力、線路縱坡限制、客流的集結時間及客流量、車站站臺長度等因素控制。其中車站站臺長度為客車開行長度的控制因素，考慮到客流上下行方便，客車開行長度不能大于目前國內車站站臺的長度[8-9]。

綜合考慮以上因素，目前規(guī)定長途客車不超過18節(jié)車廂，運輸高峰期極限不能超過20節(jié)[10]。因此目前客車最大長度見表4。

表4 客車長度計算

對目前普通鐵路車站站臺長度進行了統(tǒng)計，如表5所示。

表5 客車車站站臺長度統(tǒng)計 m

2.1.3 貨車長度(貨運列車的編組長度)

影響貨車編組長度的因素主要為車站到發(fā)線的長度。列車的長度不能超過車站到發(fā)線長度，否則在車站待避時，就會與其他通過的列車產生碰撞。

從目前到發(fā)線有效長度分析，根據(jù)不同機車牽引噸位，其到發(fā)線長度匯總如表6所示。

表6 到發(fā)線有效長度

站場專業(yè)進行列車編組時，按照到發(fā)線有效長度來控制貨車編組長度。目前建成、在建及正在設計的車站到發(fā)線長度統(tǒng)計見表7。由于線路跨越長度較大，在不同區(qū)域根據(jù)車站運能運量不同，車站到發(fā)線長度不完全一致，表中僅列出線路范圍內車站最長及最短到發(fā)線長度。

表7 車站到發(fā)線長度統(tǒng)計 m

由于鐵路貨運量中有很大部分需經過幾次中轉才能到達目的地，相鄰線路到發(fā)線有效長度不一致時，會產生列車的重換作業(yè)，增加列車在中轉站的作業(yè)和停留時間。目前我國東北、華北、中南、華東的幾條主要長大鐵路，基本形成牽引質量為4 000～5 000 t、有效長為850 m、1050 m的系統(tǒng)。貨運專線根據(jù)本線實際運能確定。

2.2 預測未來最長列車開行長度

從影響列車開行長度的影響因素分析，客車開行長度主要是受車站站臺長度控制，貨車編組長度主要受車站到發(fā)線有效長度控制，車站建成以后，對應的客車及貨車的最大開行長度基本確定，增加編組長度的可能性甚微。故未來的最長列車開行長度可與目前設計的列車開行長度保持一致。

2.3 兩列車的開行時間間隔

采用有限長的荷載加載長度時，需要考慮兩個荷載加載長度的長度間隔。這主要考慮兩列車之間開行時的間距，需要分析兩列車之間的時間及空間間隔，以確定影響線之間的加載間隔長度。

目前動車有CTCS-2級、CTCS-3級列控系統(tǒng)，最小追蹤間隔為3 min，追蹤距離為4.5 km以上。

同一個閉塞分區(qū)內不能同時運行兩列車，列車之間一般間隔2～3個閉塞分區(qū)，一個閉塞分區(qū)長度在2～3 km，因此在該范圍內不會有第二列車存在。

3 加載長度對大跨度橋梁影響

對于跨度或聯(lián)長小于加載長度的橋梁，采用無限長的加載長度模式對結構無影響。以下對跨度或聯(lián)長大于加載長度的橋梁舉例分析。

以某過江通道(60+2×1260+60) m三塔四跨公鐵兩用懸索橋設計方案為例，分析加載長度對超大跨度橋梁的影響。

3.1 結構基本參數(shù)

(1)高速公路主要技術標準

設計基準期：100年；

道路等級：高速公路；

設計行車速度：100 km/h；

主線設計車道：雙向6車道+2個慢車道；

設計洪水頻率：300年一遇；

設計汽車荷載：公路-Ⅰ級。

(2)4線鐵路主要技術標準

設計基準期：100年；

正線數(shù)目：4線；

正線線間距：4.6 m；

設計荷載：北沿江鐵路采用中-活載，巢馬城際采用ZK活載。

(3)結構基本參數(shù)

主纜跨度：(365+1 260+1 260+365) m=3 250 m；

主梁跨度：(60+1 260+1 260+60) m=2 640 m；

矢跨比：1/11；

加勁梁：鋼箱桁，鋼箱高3 m，采用N形桁架，桁高12 m，節(jié)間長15 m；

約束體系：連續(xù)支撐體系。

考慮到主橋剛度及中塔頂主纜抗滑移系數(shù)的問題，主橋剛度暫按1/250左右控制，主纜抗滑移系數(shù)控制在1.7左右設計[11-12]。

荷載見表8、表9。

表8 恒載集度

表9 活載集度

從恒載、活載集度比較來看，對于4線鐵路及8車道公路，活載占荷載總重的25.4%。

3.2 中-活載加載長度影響

對中-活載采用不同的加載長度加載，表10中列出不同工況下主纜、鋼箱、結構剛度等參數(shù)。

表10 計算結果匯總

不同加載長度時主纜內力曲線如圖1所示。

圖1 主纜內力圖(單位：MN)

由以上結果分析，當ZK活載采用450 m加載長度不變，中-活載加載長度由650 m增加至無限長時，結構剛度影響較小，主纜內力及鋼箱應力均相應增加，增幅分別為3.9%、19.7%。ZK活載采用450 m、中-活載采用650 m加載長度工況與 ZK活載及中-活載均采用無限長加載長度工況比，主纜內力增加7%，鋼箱應力增加38.4%。

3.3 ZK活載加載長度影響

對ZK活載采用不同的加載長度加載，表11中列出不同工況下主纜、鋼箱、結構剛度等參數(shù)。

表11 計算結果匯總

不同加載長度時主纜內力曲線如圖2所示。

圖2 主纜內力圖(單位：MN)

由以上結果分析，當中-活載采用1 050 m加載長度，ZK活載加載長度由230 m增加至無限長時，結構剛度由1/342降低至1/283，剛度影響達30%，主纜內力及鋼箱應力均相應增加，增幅分別為4.4%、31.7%。中-活載采用1 050 m、ZK活載采用450 m加載長度工況，與中-活載及ZK活載均采用無限長加載長度工況比，主纜內力增加5.6%，鋼箱應力增加51.7%。

4 結論

(1)客運專線及城際鐵路采用ZK、ZC荷載模式加載時，加載長度宜按照450 m計算。

(2)普通客貨共線鐵路、貨運專線其加載長度根據(jù)本線的貨車編組情況，可按所設計到發(fā)線有效長度作為超大跨度橋梁加載長度。

(3)考慮到兩列車之間的時間間隔，在全長3 km以內的橋，僅需要考慮1個加載長度范圍的加載情況。

(4)對主跨1 260 m的三塔四跨公鐵兩用懸索橋，中-活載加載長度對結構位移影響較小，對主纜內力、鋼箱應力影響較大；ZK活載加載長度對結構位移、主纜內力、鋼箱應力均產生較大影響。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 J460—2005鐵路橋涵設計基本規(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 10621—2009 J 971—2009高速鐵路設計規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3] 金福海，文望青，許三平.蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道設計活載選用初探[J].鐵道標準設計，2013(3)：48-52.

[4] 戴福忠，陳雅蘭.重載鐵路橋梁設計列車標準活載的研究[J].中國鐵道科學，2004(4):80-85.

[5] [作者不詳].CRH1型動車組[J].鐵道知識，2007(3):12.

[6] [作者不詳].CRH2型動車組[J].鐵道知識，2007(3):13.

[7] [作者不詳].CRH5型動車組[J].鐵道知識，2007(3):14.

[8] 周波.城際鐵路到發(fā)線有效長度研究[J].鐵道標準設計，2013(2):34-38.

[9] 鄒少文，陳真.客運專線到發(fā)線有效長研究[J].鐵道工程學報，2007(12)：1-4.

[10]鐵道部工程設計鑒定中心.客運專線車站到發(fā)線有效長度優(yōu)化研討會資料[Z].北京：鐵道部工程設計鑒定中心，2007.

[11]周孟波.懸索橋手冊[M].北京:人民交通出版社，2003.

[12]孟凡超.懸索橋[M].北京:人民交通出版社，2011.

Research on Train loading Length on Super-long Span Railway Bridge

LI Gui-lin

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

The loading length on super-long span railway bridge plays an important role in determining the cross section and cost of super-long span bridges and it is necessary to analyze the train loading length for bridges of over 1km long. The research aims to find out a suitable loading mode for super-long span bridges under medium-live load and ZK load. The research concludes that the Intercity and passenger dedicated railway lines may use 450 meters loading length. The loading length for railway lines of mixed passenger and freight and freight dedicated railway lines may be determined based on the formation of the freight train， and the effective length of railway station may be taken as the super-long bridge’s loading length. For bridges with the main bridge less than 3km， only one loading length is added.

Railway bridges; Loading length; Super-long span; Passenger dedicated line; Railway line for mixed passenger and freight traffic

2014-12-05；

2014-12-13

鐵四院科技研究開發(fā)計劃項目(2012K29)

李桂林(1983—)，女，工程師，2009年畢業(yè)于中南大學，工學碩士，E-mail:1152537392@qq.com。

1004-2954(2015)03-0064-04

U441+.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.015