魏峰（中國(guó)鐵路總公司科技管理部，北京　100844）

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新型重載鐵路跨度32 m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁運(yùn)營(yíng)性能試驗(yàn)研究

魏峰
（中國(guó)鐵路總公司科技管理部，北京100844）

摘要新建山西中南部鐵路通道是我國(guó)第一條采用300 kN軸重設(shè)計(jì)的重載鐵路，開展實(shí)車重載試驗(yàn)研究是檢驗(yàn)其運(yùn)營(yíng)性能是否滿足重載運(yùn)輸要求的有效方法。本文針對(duì)該線用量最大的跨度32 m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，選擇2座典型工點(diǎn)橋梁開展了300 kN軸重重載列車不同工況作用下的計(jì)算分析和靜動(dòng)力參數(shù)測(cè)試，以系統(tǒng)地掌握梁體的應(yīng)力、撓度、振幅、振動(dòng)加速度、動(dòng)力系數(shù)、橫向活載分配系數(shù)等受力狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，橋梁運(yùn)營(yíng)性能滿足300 kN軸重試驗(yàn)列車要求。研究成果可為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)營(yíng)測(cè)試提供參考，并為我國(guó)重載鐵路橋梁發(fā)展提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞重載鐵路；簡(jiǎn)支梁；運(yùn)營(yíng)性能；300 kN軸重；橫向聯(lián)結(jié)

以美國(guó)、加拿大、澳大利亞、南非為代表的重載運(yùn)輸發(fā)達(dá)國(guó)家正在不斷發(fā)展和擴(kuò)大列車質(zhì)量，其中共同關(guān)鍵技術(shù)是貨車軸重不斷提高，軸重基本集中在280 ～325 kN，最大達(dá)到400 kN。我國(guó)既有重載鐵路以運(yùn)行230 kN軸重C70貨車和250 kN軸重C80貨車為主，牽引質(zhì)量1萬～2萬t，其中大秦線為最具代表性的重載貨運(yùn)專線［1］。按照國(guó)際重載運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)要求，我國(guó)在牽引質(zhì)量、運(yùn)行里程和年運(yùn)量方面均屬世界前列，但在貨車軸重方面還未達(dá)到國(guó)際重載標(biāo)準(zhǔn)要求［2］。

我國(guó)現(xiàn)行《鐵路主要技術(shù)政策》要求“新建重載鐵路設(shè)計(jì)速度不大于100 km/h，軸重不小于300 kN，列車牽引質(zhì)量萬噸級(jí)及以上”［3］。新建山西中南部鐵路通道運(yùn)營(yíng)列車為新型300 kN軸重機(jī)車、車輛，線下工程按300 kN軸重標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并首次采用了新型的橋梁、軌道、路基等結(jié)構(gòu)形式。為檢驗(yàn)新型結(jié)構(gòu)在重載列車作用下的受力情況、評(píng)估其運(yùn)營(yíng)性能，中國(guó)鐵路總公司選擇山西中南部鐵路通道長(zhǎng)子南站（含）—平順站（含）區(qū)段為綜合試驗(yàn)段，于2014年9月—2015年1月組織開展了重載運(yùn)輸綜合試驗(yàn)［4］。其中，橋梁作為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分，是山西中南部鐵路通道重載綜合試驗(yàn)的重要內(nèi)容之一。

1橋梁特征與主要結(jié)構(gòu)尺寸

1. 1橋梁特征

我國(guó)既有普速鐵路橋梁主要采用等跨布置的混凝土簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，常用跨度包括16，20，24，32 m等，設(shè)計(jì)活載主要采用中-活載圖式［5］。從實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況來看，既有鐵路橋梁還存在一些問題，如梁體和橋墩橫向剛度不足、板式橡膠支座開裂、搖軸鋼支座銷釘剪斷、橋面防排水體系不完善等病害，影響了橋梁的正常運(yùn)營(yíng)性能，并加速了結(jié)構(gòu)劣化發(fā)展［6］。

山西中南部鐵路通道橋梁主要為混凝土結(jié)構(gòu)，按300 kN軸重標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)活載采用“中-活載（2005）圖式（z = 1. 2）”，見圖1［7］。橋梁主要采用跨度16，20，24，32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，并以32 m跨度為主。針對(duì)既有鐵路混凝土橋梁的常見病害問題，新建橋梁采用了橫隔板處施加橫向預(yù)應(yīng)力的雙線整體橋面板、雙線整體橋墩、球型鋼支座、新型TTXF彈性體伸縮縫等多種技術(shù)措施，取得了良好的應(yīng)用效果。

圖1　中-活載（2005）圖式（z = 1. 2）（長(zhǎng)度單位：m）

1. 2橋梁主要結(jié)構(gòu)尺寸

跨度32 m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的設(shè)計(jì)圖號(hào)為專橋（2010）2103-Ⅰ，直、曲線橋面布置見圖2。梁體主要結(jié)構(gòu)尺寸［8］：①梁全長(zhǎng)32. 6 m，計(jì)算跨度32. 0 m；②梁高2. 6 m，軌底至梁底建筑高度3. 3 m，預(yù)制邊梁頂寬2. 3 m、下緣寬0. 88 m、單片質(zhì)量146. 18 t，預(yù)制中梁頂寬1. 7 m、下緣寬0. 88 m，單片質(zhì)量138. 38 t；③雙線鐵路線間距4. 0 m，橋面寬8. 9 m，線間距在4. 0～5. 0 m時(shí)通過調(diào)整中梁間的濕接縫寬度來適應(yīng)。

圖2　1 /2橋面布置（單位：mm）

2　試驗(yàn)條件

2. 1試驗(yàn)列車編組及試驗(yàn)速度

重載試驗(yàn)列車編組分為5 000，8 000和12 000 t 共3種。試驗(yàn)主要速度檔為60，70，80，90，100，110 km/h，共6個(gè)速度級(jí)，不同工況試驗(yàn)前進(jìn)行地面測(cè)點(diǎn)的5 km/h準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定。

2. 2試驗(yàn)工點(diǎn)

選擇試驗(yàn)段內(nèi)2座典型橋梁的跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁做為試驗(yàn)工點(diǎn)。

2. 3結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型

從梁體結(jié)構(gòu)形式和受力特征來看，橋面板橫向聯(lián)結(jié)后雙線梁與既有單線梁的主要區(qū)別在于，單線荷載作用下雙線梁的4片梁之間存在偏載問題，此現(xiàn)象在重載作用下更為突出。為掌握雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁在運(yùn)營(yíng)單、雙線荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力情況，分別采用MIDAS CIVIL，MIDAS FEA軟件建立了梁體平面桿系單元模型和梁體空間實(shí)體模型，用以分析結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的應(yīng)力、變形情況。模型中材料強(qiáng)度、彈性模量、重度、泊松比等參數(shù)按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范取值，計(jì)算模型見圖3。

圖3　計(jì)算模型

2. 4試驗(yàn)工況和測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)工況主要包括靜力性能試驗(yàn)和動(dòng)力性能試驗(yàn)兩部分。

靜力性能試驗(yàn)分下行線（重車方向）單線加載和上下行線雙線加載兩種工況，每線的試驗(yàn)列車編組均為機(jī)車+ 6輛C96貨車，每種加載工況分為3個(gè)輪位，加載順序?yàn)檩單?→輪位2→輪位1，加載輪位布置見圖4。測(cè)試內(nèi)容主要包括跨中截面的應(yīng)變和撓度，測(cè)點(diǎn)布置見圖5。

圖4　梁體靜力性能試驗(yàn)加載輪位布置（單位：mm）

圖5　梁體靜力性能試驗(yàn)跨中截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意（單位：mm）

橋梁動(dòng)力性能試驗(yàn)準(zhǔn)靜態(tài)和各速度級(jí)均為試驗(yàn)列車單線通過工況，測(cè)試內(nèi)容包括梁體跨中截面應(yīng)變及動(dòng)力系數(shù)、撓度及動(dòng)力系數(shù)、豎向振幅、橫向振幅、豎向振動(dòng)加速度、橫向振動(dòng)加速度等。測(cè)點(diǎn)布置見圖6。

圖6　梁體動(dòng)力性能試驗(yàn)跨中截面布置示意（單位：mm）

3　靜力性能試驗(yàn)研究

3. 1梁體混凝土應(yīng)力

工點(diǎn)1、工點(diǎn)2靜力加載工況梁體混凝土應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果見表1、表2。表中混凝土應(yīng)力實(shí)測(cè)值和理論值計(jì)算時(shí)彈性模量均取設(shè)計(jì)值。試驗(yàn)結(jié)果表明：①雙線對(duì)稱加載時(shí)，兩線梁體各承擔(dān)約50％的活載，與計(jì)算狀態(tài)吻合；②單線偏載加載時(shí)，1#—4#梁下緣混凝土應(yīng)力沿橫橋向呈線性遞減趨勢(shì)，兩線梁體共同承擔(dān)活載，加載側(cè)梁體分配約70％的活載，空載側(cè)梁體分配約30％的活載，分配規(guī)律與空間實(shí)體模型的計(jì)算狀態(tài)吻合；③雙線對(duì)稱加載時(shí)，實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0. 65左右，小于預(yù)應(yīng)力混凝土梁應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)通常值范圍（0. 90～1. 00）［9］；④實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)變沿梁體截面高度呈線性變化分布，截面整體協(xié)同受力狀態(tài)良好。

3. 2梁體撓度

表1　雙線加載跨中截面混凝土應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表2　單線加載跨中截面混凝土應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表3　雙線加載跨中撓度測(cè)試結(jié)果　mm

工點(diǎn)1、工點(diǎn)2雙線靜力加載工況梁體撓度實(shí)測(cè)結(jié)果見表3、表4。表中撓度計(jì)算時(shí)混凝土彈性模量取設(shè)計(jì)值。試驗(yàn)結(jié)果表明：①梁體雙線、單線加載時(shí)，4片梁撓度沿橫橋向的分布規(guī)律與混凝土應(yīng)變分布規(guī)律一致，也與計(jì)算狀態(tài)吻合，梁體變形狀態(tài)正常；②雙線加載時(shí)，梁體跨中撓度最大值為7. 93 mm，換算至設(shè)計(jì)靜活載作用為11. 39 mm，撓跨比為1 /2 809，滿足預(yù)應(yīng)力混凝土梁豎向撓跨比通常值要求（1 /1 800），梁體豎向剛度滿足要求；③雙線加載時(shí)，實(shí)測(cè)梁體撓度校驗(yàn)系數(shù)在0. 65左右，小于預(yù)應(yīng)力混凝土梁撓度校驗(yàn)系數(shù)通常值范圍（0. 7～0. 8）［9］。

表4　單線加載跨中撓度測(cè)試結(jié)果　mm

4　動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

4. 1梁體混凝土動(dòng)應(yīng)變

試驗(yàn)列車以速度5 km/h準(zhǔn)靜態(tài)單線通過時(shí)，通過梁體跨中下緣混凝土應(yīng)變推算的1#—4#梁活載分配情況見圖7。分布特征與靜力性能試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖7　通過梁體跨中下緣混凝土應(yīng)變推算的1#—4#梁活載分配系數(shù)

5 000，8 000和12 000 t編組試驗(yàn)列車以不同速度級(jí)通過時(shí)，梁體跨中下緣混凝土動(dòng)應(yīng)變分布情況見圖8。根據(jù)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)，梁體混凝土應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)最大值為1. 103，小于動(dòng)力系數(shù)設(shè)計(jì)值（1. 194）［10］。

4. 2梁體動(dòng)撓度

試驗(yàn)列車以速度5 km/h準(zhǔn)靜態(tài)單線通過時(shí)，通過梁體跨中撓度推算的1#—4#梁活載分配情況見圖9。分布特征與靜力性能試驗(yàn)結(jié)果一致。

試驗(yàn)列車通過時(shí)梁體跨中動(dòng)撓度分布情況見圖10。根據(jù)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)，梁體撓度動(dòng)力系數(shù)最大值為1. 182，小于動(dòng)力系數(shù)設(shè)計(jì)值（1. 194）［10］。

4. 3梁體橫向和豎向振幅

實(shí)測(cè)梁體跨中橫向振幅統(tǒng)計(jì)情況見圖11，實(shí)測(cè)橫向振幅最大值為0. 90 mm，滿足安全限值要求（3. 56 mm），并在通常值范圍內(nèi)（2. 54 mm）；橫向振幅隨車速增加而逐漸增大。

實(shí)測(cè)梁體跨中豎向振幅統(tǒng)計(jì)情況見圖12。跨太焦線特大橋豎向振幅在0. 06～0. 92 mm之間，跨長(zhǎng)晉高速公路特大橋豎向振幅在0. 08～1. 47 mm之間，豎向振幅隨車速增加而逐漸增大。

圖8　1#—4#梁混凝土動(dòng)應(yīng)變分布

圖9　通過梁體跨中撓度推算的1#—4#梁活載分配系數(shù)

圖11　橫向振幅統(tǒng)計(jì)

圖12　豎向振幅統(tǒng)計(jì)

4. 4梁體橫向和豎向振動(dòng)加速度

實(shí)測(cè)梁體跨中橫向振動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)情況見圖13。振動(dòng)加速度分布在0. 06～0. 36 m/s2之間，并隨車速增加而逐漸增大；最大橫向振動(dòng)加速度為0. 36 m/s2，滿足不應(yīng)超過1. 4 m/s2的要求［9］。

圖13　工點(diǎn)2橫向振動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)

實(shí)測(cè)梁體跨中豎向振動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)情況見圖14。2個(gè)工點(diǎn)橋梁的最大值分別為0. 77，1. 21 m/s2，滿足不超過3. 5 m/s2的要求［10］。

圖14　豎向振動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)

5　結(jié)論與建議

1）實(shí)測(cè)梁體應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)、撓度校驗(yàn)系數(shù)、豎向撓跨比等靜力性能指標(biāo)在規(guī)定范圍內(nèi)，動(dòng)力系數(shù)、振幅、振動(dòng)加速度等動(dòng)力性能指標(biāo)滿足要求，橋梁運(yùn)營(yíng)性能正常，滿足300 kN軸重試驗(yàn)列車運(yùn)營(yíng)要求。

2）雙線橋的橋面板、橫隔板為橫向整體聯(lián)結(jié)，兩線梁體共同受力，單線列車作用下加載側(cè)梁體分配活載約70％，空載側(cè)梁體分配活載約30％。雙線橋構(gòu)造增強(qiáng)了橋梁的整體性，提高了梁體橫向剛度，橫向動(dòng)力性能較單線梁有明顯改善。

3）從移動(dòng)裝備技術(shù)的發(fā)展看，為更好地適應(yīng)新型300 kN及以上大軸重貨車開行，新建線路宜研究提高設(shè)計(jì)列車荷載標(biāo)準(zhǔn)。

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（責(zé)任審編孟慶伶）

Experimental Study on Operational Performance of 32 m Double-Track Prestressed Concrete Simply-Supported Girder on New-type Heavy Haul Railway

WEI Feng
（Science and Technology Management Department，China Railway Corporation，Beijing 100081，China）

AbstractNewly built Shanxi Central South Railway is the first heavy haul railway in China with 300 kN axial design load. Field test is an necessary approach to assess whether the bridge operation performance satisfies heavy haul transport requirements. T he research studied the performance of 32 m double-line prestressed concrete girder，the longest prestressed concrete simple span bridge in this railway. T wo typical bridge was selectred for dynamic and static tests loaded with 300 kN heavy haul wagons in different operation conditions and stress，deflection，amplitude，acceleration，dynamic coefficient and lateral live load distribution factor were analyzed. T he test results show the bridge operation performance satisfies 300 kN axial load test requirements. T he research may be useful for railway operation test and optimization of bridge design，contributing to heavy haul railway bridge development in China.

Key wordsHeavy haul railway；Simple supported span；Operation performance；300 kN axial load；Lateral connection

中圖分類號(hào)U446. 1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 01

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0001-06

收稿日期：2016-01-10；修回日期：2016-05-08

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司專項(xiàng)綜合試驗(yàn)（Z2014-033）

作者簡(jiǎn)介：魏峰（1980—），男，高級(jí)工程師。