王 麗,胡所亭,趙欣欣,李 臣

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;3.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

在鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，首先需要確定合理的列車荷載圖式作為橋梁的設(shè)計(jì)荷載，列車荷載圖式應(yīng)能包絡(luò)線上運(yùn)營的各種列車荷載效應(yīng)并預(yù)留一定儲備。20世紀(jì)90年代以前，我國鐵路的運(yùn)營模式主要為客貨混運(yùn)，采用中-活載圖式即可代表我國鐵路的運(yùn)營列車。自20世紀(jì)90年代以來，隨著我國高速鐵路、城際鐵路的開通運(yùn)營，逐漸形成了客貨共線鐵路、重載鐵路、高速鐵路和城際鐵路4種運(yùn)輸模式。不同的運(yùn)輸模式在運(yùn)營列車形式、軸重、速度、編組方式、運(yùn)營密度等方面有較大差異，單一的中-活載圖式已難以反應(yīng)新形勢下鐵路的運(yùn)輸特征。基于這種情況，我國針對不同的線路制定了相應(yīng)的列車荷載圖式，形成了鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路列車荷載圖式》(TB/T 3466—2016)[1]，并對該規(guī)范進(jìn)行了詳細(xì)的解析[2-4]。在制定了列車荷載圖式之后，需要確定橋梁的加載方式。鐵路混凝土簡支梁受力特征簡單，加載方式較為明確，但是對于鐵路混凝土連續(xù)梁，其跨中彎矩、支座反力等受力性能存在正負(fù)影響線的情況，且各國對其加載方式的規(guī)定也不一致。

本文對不同加載方式下橋梁的受力性能進(jìn)行計(jì)算分析，提出合理的鐵路混凝土連續(xù)梁橋加載方式。

1 國內(nèi)外連續(xù)梁橋加載方式規(guī)定

國際鐵路聯(lián)盟(International Union of Railways,UIC)對于連續(xù)梁橋加載方式予以規(guī)定：列車荷載加載方式應(yīng)使所考察指標(biāo)產(chǎn)生最大效應(yīng)[5]。UIC正負(fù)影響線加載方式見圖1。

圖1 UIC正負(fù)影響線加載方式(尺寸單位：m)

我國《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)[6]和《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)[7]考慮實(shí)際列車中存在空車的情況，因此規(guī)定“對于多符號影響線，可在同符號影響線各區(qū)段進(jìn)行加載，異符號影響線區(qū)段長度不大于15 m時可不加活載；異符號影響線區(qū)段長度大于15 m時，可按空車靜活載10 kN/m 加載”。《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10623—2014)[8]的規(guī)定與上述規(guī)范規(guī)定大致相同，只是將其中的空車靜活載由10 kN/m提高至15 kN/m，原因是高速動車組的空車延米重較貨車有所增加。

我國對于存在正負(fù)影響線的橋梁受力性能規(guī)定與國際鐵路聯(lián)盟有所差別：國際鐵路聯(lián)盟的計(jì)算值考慮了列車加載的最不利情況，比我國規(guī)范的計(jì)算值偏大；我國規(guī)范則考慮了列車的連續(xù)性，更接近實(shí)際情況。在進(jìn)行有限元計(jì)算時，對于同一個內(nèi)力值，我國規(guī)范中需要加載2次，即需要分別在正負(fù)影響線區(qū)段加載1次，然后疊加得到內(nèi)力值；而國際鐵路聯(lián)盟只進(jìn)行1次加載，在正影響線區(qū)段施加荷載即可得到內(nèi)力值。在設(shè)計(jì)體量較大的情況下，我國設(shè)計(jì)人員的工作量會顯著增加。

2 混凝土連續(xù)梁橋主要受力性能影響線分析

以(32+48+32)m連續(xù)梁為例，中跨跨中彎矩、邊跨跨中彎矩、1號支座反力和2號支座反力的影響線[9]見圖2。

圖2 跨中彎矩和支座反力影響線

由圖2可知：

1)中跨跨中彎矩正影響線區(qū)段峰值達(dá)7.847，兩側(cè)邊跨為負(fù)影響線區(qū)段，峰值較小，均為-0.947。

2)邊跨跨中彎矩正影響線區(qū)段在兩側(cè)邊跨，峰值分別為6.682和0.405；中跨為負(fù)影響線區(qū)段，峰值為-2.248。

3)1號支座反力正影響線區(qū)段在兩側(cè)邊跨，峰值分別為1.000和0.025；中跨為負(fù)影響線區(qū)段，峰值較小，為-0.410。

4)2號支座反力正影響線區(qū)段在本側(cè)邊跨和中跨，峰值為1.007，該支座的正影響線區(qū)段明顯大于1號支座；負(fù)影響線區(qū)段在另一側(cè)邊跨內(nèi)(3，4號支座之間),峰值較小，為-0.099。

綜上可知，混凝土連續(xù)梁橋的彎矩和支座反力的正影響線區(qū)段顯著大于負(fù)影響線區(qū)段。

3 混凝土連續(xù)梁橋加載方式研究

3.1 計(jì)算荷載的選擇

從不同線路的設(shè)計(jì)荷載圖式中選擇具有代表性的高速鐵路和重載鐵路設(shè)計(jì)列車荷載圖式(見圖3)，空車荷載按照10 kN/m的均布荷載進(jìn)行計(jì)算。

圖3 設(shè)計(jì)列車荷載圖式

3.2 加載方式對于橋梁受力性能指標(biāo)的影響

針對我國(32+48+32)m、(40+56+40)m、(48+80+48)m、(60+100+60)m、(48+2×80+48)m跨度混凝土連續(xù)梁[10]，采用MIDAS/Civil建立有限元模型，分別施加ZK荷載和1.3 ZH荷載，計(jì)算2種加載方式下橋梁的跨中彎矩和支座反力，分別見表1和表2，不同加載方式對跨中彎矩和支座反力的影響見圖4。其中，跨中彎矩、支座反力的相差百分比計(jì)算公式分別為跨中彎矩相差百分比=100%×(負(fù)影響線區(qū)段不加載彎矩-加載彎矩)/負(fù)影響線區(qū)段不加載彎矩;支座反力相差百分比=100%×(負(fù)影響線區(qū)段不加載反力-加載反力)/負(fù)影響線區(qū)段不加載反力。

由表1、表2和圖4可知：

1)加載方式對ZK荷載的影響大于1.3 ZH荷載。這是由于ZK荷載在正影響線區(qū)段加載時，其荷載效應(yīng)小于1.3 ZH荷載，而二者在負(fù)影響線區(qū)段均施加了10 kN/m的均布荷載，負(fù)荷載效應(yīng)相同。因此負(fù)荷載效應(yīng)占ZK荷載總效應(yīng)的比例大于1.3 ZH荷載，其對ZK荷載的影響也大于1.3 ZH荷載。

2)加載方式對邊跨跨中彎矩的影響大于中跨。這是由于邊跨跨徑小，正影響線區(qū)段峰值也略小，且在中跨有較大范圍的負(fù)影響線區(qū)段。

表1 ZK荷載作用下橋梁的跨中彎矩和支座反力

表2 1.3 ZH荷載作用下橋梁的跨中彎矩和支座反力

圖4 不同加載方式對跨中彎矩和支座反力的影響

3)加載方式對1號支座的影響大于2號支座。這是由于1號支座的正影響線區(qū)段顯著小于2號支座，負(fù)影響線區(qū)段則大于2號支座。

4)對于4跨連續(xù)梁的中跨跨中彎矩和2號支座反力，加載方式對二者的影響大于3跨連續(xù)梁，邊跨受力性能受跨數(shù)的影響不明顯。

5)對于邊跨與中跨跨度之比較大的橋梁，加載方式對邊跨受力性能的影響小于跨度之比較小的橋梁；加載方式對中跨受力性能的影響要大于跨度之比較小的橋梁。

綜上可知，對于存在正負(fù)影響線的混凝土連續(xù)梁，加載方式對其受力性能的影響較小，對跨中彎矩的影響整體大于對支座反力的影響。

4 結(jié)論與建議

對存在異符號影響線的典型跨度混凝土連續(xù)梁橋，采用MIDAS/Civil建立有限元模型，對不同加載方式下橋梁的受力性能進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，在異符號影響線區(qū)段加載與否對橋梁受力性能影響不大，且多次加載會增加設(shè)計(jì)人員的工作量。因此，提出了針對我國現(xiàn)行鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行調(diào)整的建議：存在異符號影響線的橋梁，應(yīng)按最不利情況進(jìn)行加載，而不在異符號影響線區(qū)段施加荷載。

[1]國家鐵路局.TB/T 3466—2016 鐵路列車荷載圖式[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[2]胡所亭.我國鐵路列車荷載圖式的研究與應(yīng)用[J].鐵道建筑,2015，55(10):26-30.

[3] 胡所亭，牛斌，柯在田，等.我國客貨共線鐵路列車荷載圖式深化研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015，59(12)：31-35.

[4]胡所亭，魏峰，王麗，等.《鐵路列車荷載圖式》制定研究[J].中國鐵路，2017(4)：1-7.

[5]UIC.Static Loading Diagrams to be Taken into Consideration for the Design of Rail Carrying Structures on Lines Used by International Services[S].Paris:International Union of Railways，2003.

[6]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.

[7]國家鐵路局.TB 10621—2014 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[8]國家鐵路局.TB 10623—2014 城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[9]李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2017.

[10]鄧運(yùn)清.高速鐵路常用跨度橋梁技術(shù)[J].鐵道知識，2012 (3)：22-25.