龐競拓

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

1 研究背景

東南亞某國新建客貨共線鐵路項目一期工程全長524 km，客運列車設(shè)計時速160 km，貨運列車設(shè)計時速80 km。 新建橋梁127 座，合計約112 km，占線路全長的21%。 該國現(xiàn)多為米軌鐵路，新建鐵路為標(biāo)準(zhǔn)軌距的客貨共線鐵路。 隨著該國鐵路的發(fā)展，將逐漸形成現(xiàn)代化的鐵路運營網(wǎng)絡(luò)。 因此，該線的荷載標(biāo)準(zhǔn)既要考慮近、遠期情況，又要考慮路網(wǎng)發(fā)展，情況較為特殊。

列車荷載是鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計的重要荷載，亦是鐵路有別于其他交通方式的主要特征[1]。 鐵路荷載標(biāo)準(zhǔn)涉及各類鐵路工程結(jié)構(gòu)，也是鐵路橋梁設(shè)計的核心參數(shù)[2]。 胡所亭等[3]對列車荷載圖式(靜力)進行了研究和制定;辛學(xué)忠等[4]從靜力荷載圖式和動力系數(shù)取值兩方面闡述了我國荷載標(biāo)準(zhǔn)修訂的思考;杜寶軍等[5-6]認為，在制定列車荷載標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)將靜力、動力和結(jié)構(gòu)基頻進行綜合考慮。 以下借鑒前人的研究思路，結(jié)合東南亞某國新建客貨共線鐵路的具體情況開展研究。

2 各國關(guān)于荷載標(biāo)準(zhǔn)的研究思路

2.1 國際鐵路聯(lián)盟

國際鐵路聯(lián)盟采用概化包絡(luò)的研究思路，其荷載圖式涵蓋了集中牽引的旅客列車、重載貨車以及動力分散的高速動車組等6 類運營列車。 靜力方面，德國、法國、西班牙、英國和韓國在高速鐵路建設(shè)時都基于UIC71 荷載圖式;中國臺灣地區(qū)高鐵采用修正的UIC71 標(biāo)準(zhǔn)(相當(dāng)于0.9 倍UIC71 荷載);意大利則采用了1.1 倍UIC71 荷載[7]。

對于不同車型、軌道條件、運營速度等差異，難以用統(tǒng)一的公式描述相應(yīng)列車引起的橋梁動力系數(shù)。 國際鐵路聯(lián)盟提出設(shè)計與運營階段分開考慮，列車荷載圖式與“設(shè)計動力系數(shù)”、運營列車與“運營動力系數(shù)”各自配套使用的理念，即“鐵路荷載圖式靜效應(yīng)×設(shè)計動力系數(shù)”＞“運營車輛靜效應(yīng)×運營動力系數(shù)”。 國際鐵路聯(lián)盟以概化的公式制定設(shè)計動力系數(shù)，并無實際物理意義;而真實運營動力系數(shù)需考慮移動荷載效應(yīng)，軌道、車輪的不平順影響[8-9]，以及橋梁的跨度、基頻等。

2.2 日本

日本采用接近于模擬實際運營列車的N、P 和H等標(biāo)準(zhǔn)荷載圖式進行橋梁設(shè)計。 對于線路上運營的不同車輛，分別通過各自不同的動力系數(shù)予以考慮，沒有區(qū)分“設(shè)計動力系數(shù)”和“運營動力系數(shù)”的概念，動力系數(shù)按各橋?qū)嶋H豎向基頻等確定。 為適應(yīng)新干線高速化發(fā)展的現(xiàn)狀，在開展大量車、線、橋動力試驗和計算分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的車輛制訂了 “梁跨與車輛長度的比值”圖表[5，10]。 其制定思路較貼近運營實際，但兼容性較差。

2.3 中國

中國鐵路荷載標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了幾個階段。 1951 年制訂中-Z 活載，1975 年對中-Z 活載進行修訂，形成中-活載，沿用至2017 年。 新實施的《鐵路列車荷載圖式》(TB/T 3466—2016)總結(jié)了中國多年鐵路建設(shè)經(jīng)驗和不同等級線路類型的研究成果，結(jié)合互聯(lián)互通和戰(zhàn)備需求以及后續(xù)提速發(fā)展等需要，全面向國際接軌，使中國鐵路荷載標(biāo)準(zhǔn)研究向體系化的概化包絡(luò)方式發(fā)展。

動力系數(shù)方面，也是采用概化包絡(luò)的思路區(qū)分設(shè)計和運營。 客貨共線鐵路的設(shè)計動力系數(shù)采用實測值擬合方法，計算時不用區(qū)分橋上活載類型，即不考慮梁體基頻特征，只考慮跨度或加載長度。 活載儲備則通過設(shè)計荷載圖式與運營車輛的靜態(tài)效應(yīng)比予以實現(xiàn)。

3 本線運維列車

東南亞某國新建鐵路為客貨共線鐵路，擬選用的運營機車車輛及其編組有:①新型動車組客運列車，時速160 km，1 動7 拖編組(如圖1)。 ②設(shè)計牽引質(zhì)量為3 500 t，時速80 km，編組為1 輛和諧D3 牽引45 輛C63，以及1 輛和諧D3 牽引50 輛X6K(如圖2、圖3)。③大機養(yǎng)護車、鋼軌探傷車、重型軌道車、配砟整形車、橋梁檢查車、道岔搗固車、搗固車、穩(wěn)定車等各種養(yǎng)護維修車輛多為獨立運行(如圖4)，僅配砟整形車、搗固車和穩(wěn)定車為連掛運行，形成四輛編組情況(如圖5)。

圖1 新型動車組及編組情況

圖2 和諧D3 牽引45 輛C63 編組情況

圖3 和諧D3 牽引50 輛X6K 編組情況

圖4 CTC-80 型鋼軌探傷車(單位：橫向軸距為m，豎向軸重為kN)

4 本線荷載研究路線

4.1 荷載標(biāo)準(zhǔn)制定流程

鐵路荷載標(biāo)準(zhǔn)需結(jié)合列車豎向活載、梁體豎向基頻、動力系數(shù)等進行綜合考慮[5]。 國際鐵路聯(lián)盟和日本、中國在制定鐵路列車荷載標(biāo)準(zhǔn)時采用了不同思路。

日本鐵路荷載標(biāo)準(zhǔn)制定的方法較貼近單例工程實際，即對于專門線路進行大量的運營統(tǒng)計和專題研究，方法較為細致，但對于已成形的鐵路網(wǎng)(運營多種列車，各種不同線路條件)，其兼容性略差，遠期進一步提速改造發(fā)展的空間有限。

制定鐵路荷載標(biāo)準(zhǔn)的思路:采用包絡(luò)的荷載圖式，概化的動力系數(shù)，兼容性好，能適應(yīng)路網(wǎng)發(fā)展。 在設(shè)計階段，借鑒已有經(jīng)驗，無需過多根據(jù)各條線路、各種運營條件進行專門調(diào)研;在運營發(fā)展階段，能方便地調(diào)整優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，有利于后期協(xié)調(diào)發(fā)展。 因此，該研究思路適用于東南亞某國新建線路，其荷載標(biāo)準(zhǔn)制定流程如圖6。

圖6 鐵路荷載標(biāo)準(zhǔn)制定流程

圖5 2 輛搗固車+1 輛配砟整形車+1 輛穩(wěn)定車的4 輛編組(單位：橫向軸距為m，豎向軸重為kN)

4.2 本線荷載標(biāo)準(zhǔn)研究思考

本線列車運行速度相對較低，一般不會引起結(jié)構(gòu)在豎向出現(xiàn)較大的振動或共振現(xiàn)象，橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計主要以強度控制設(shè)計為主[12]。

在設(shè)計階段，可以對靜力、動力兩方面分開考慮，最終統(tǒng)一概化包絡(luò)，以實現(xiàn)設(shè)計效應(yīng)大于運營效應(yīng)的目標(biāo)，動力系數(shù)可根據(jù)成熟的經(jīng)驗統(tǒng)一概化。 在運營階段，可對線路軌道條件和機車車輛加以約束，提高運營舒適性。 在后期，隨著路網(wǎng)發(fā)展和運營機車車輛的性能提升，可考慮開展現(xiàn)場試驗[13]，統(tǒng)計實測數(shù)據(jù)，在后續(xù)建設(shè)中對參數(shù)不斷進行優(yōu)化調(diào)整。

對于動力系數(shù)，各國的計算公式都是經(jīng)過長期、大量的現(xiàn)場試驗結(jié)合理論分析確定的，屬于半經(jīng)驗半理論的公式[14-15]。 按照概化包絡(luò)的思路，設(shè)計階考慮參考國際鐵路聯(lián)盟或中國思路。 國際鐵路聯(lián)盟在制定動力系數(shù)時參考的6 類車輛多為高鐵車輛或重載車輛，更多體現(xiàn)高速行駛下的動力響應(yīng)。 中國標(biāo)準(zhǔn)則是按照不同線路類型選用動力系數(shù)。 客貨共線鐵路的動力系數(shù)是在大量實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上擬合得到的，并按照一定的保證率取其包絡(luò)值[5，16]，設(shè)計時根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型、跨度取用[1，12]。 圖7 為中國客貨共線鐵路與國際鐵路聯(lián)盟動力系數(shù)對比，由圖7 可以看出，總體上前者對后者形成包絡(luò)。 結(jié)合本線客貨共線且速度目標(biāo)值不高的情況，可以采用通用圖設(shè)計(固定基頻)。

對于靜力效應(yīng)，一般選取具有概化包絡(luò)的荷載圖式，分別計算荷載圖式的靜力效應(yīng)和運營車輛的荷載效應(yīng)，并進行比較調(diào)整，使得荷載圖式具有包絡(luò)性并預(yù)留一定的發(fā)展量。 可參考的荷載圖式有國際鐵路聯(lián)盟的UIC71 系列和中國《鐵路列車荷載圖式》[17]系列(如圖8、圖9)。

圖7 中國客貨共線鐵路與國際鐵路聯(lián)盟動力系數(shù)對比

結(jié)合本線條件，可采用1.0 倍 UIC71 計算荷載效應(yīng)，嘗試對各種運維荷載進行包絡(luò)，同時考慮采用ZKH 的特種荷載對短跨度加載范圍的荷載效應(yīng)進行計算比較，以便更好地確定本線荷載圖式。

圖8 UIC71 設(shè)計荷載圖式(單位：m)

5 荷載效應(yīng)對比計算

圖9 中國《鐵路列車荷載圖式》系列荷載圖式(單位：m)

荷載效應(yīng)中，以加載跨度端部的剪力和跨中彎矩最具代表性。 可建立不同加載長度的梁模型，利用影響線加載，計算擬采用的荷載圖式在不同加載跨度情況下的荷載效應(yīng)。 另一方面，對具有代表性的各種機車、車輛和編組列車(相應(yīng)跨度)運營荷載效應(yīng)進行計算:兩者做對比并連成圖線，可反映圖式荷載效應(yīng)對運維列車荷載效應(yīng)的包絡(luò)情況。

本線運維車輛中最長的為CTC-80 鋼軌探傷車(車長為33.938 m)。 首先考慮計算35 m 加載長度以內(nèi)的荷載效應(yīng)比率，以確定1.0 UIC71(以下簡稱“UIC”)荷載圖式對各型運維車輛的包絡(luò)情況。

分別計算1～35 m 加載跨度范圍內(nèi)UIC 荷載圖式效應(yīng)和各種運維車輛荷載效應(yīng)(如圖10 所示)。 UIC荷載圖式跨端剪力效應(yīng)與本線各車輛荷載跨端剪力效應(yīng)比率均大于1.0(最大為5.3);UIC 荷載圖式跨中彎矩效應(yīng)與本線各車輛荷載跨中彎矩效應(yīng)比率均大于1.0(最大為5.9)。 UIC 荷載圖式效應(yīng)均大于本線各車輛荷載效應(yīng)，可以包絡(luò)本線各種運維車輛(見圖10)。

圖10 UIC 荷載圖式與本線運維車輛荷載剪力、彎矩效應(yīng)比率

5.1 短跨度加載范圍的探討

在10 m 短跨加載范圍內(nèi)，分別計算UIC 荷載、ZKH 特種荷載的效應(yīng)，并與本線車輛荷載效應(yīng)進行比較，如圖11、圖12 所示。

圖11 UIC 荷載與本線各運維車輛荷載剪力、彎矩效應(yīng)比率

圖12 ZKH 特種荷載與本線各運維車輛荷載及UIC 荷載剪力、彎矩效應(yīng)比率

根據(jù)圖11，在10 m 加載跨度范圍以內(nèi):UIC 荷載圖式跨端剪力效應(yīng)與本線各車輛荷載跨端剪力效應(yīng)比率均大于1.0，最大為4.2;UIC 特種荷載圖式跨中彎矩效應(yīng)與本線各車輛荷載跨中彎矩效應(yīng)比率均大于1.0，最大為4.2;UIC 荷載圖式效應(yīng)均大于本線各車輛荷載效應(yīng)，加載跨度范圍內(nèi)荷載圖式可以包絡(luò)本線各種運營車輛。

表1 為短跨范圍內(nèi)的荷載效應(yīng)，根據(jù)圖12，在10 m 加載跨度范圍以內(nèi)，ZKH 特種荷載圖式也可以包絡(luò)本線各種運營車輛。 由表1、圖12 可知，短跨范圍內(nèi)ZKH 特種荷載與UIC 荷載圖式的剪力、彎矩效應(yīng)較為接近。 對于本線，設(shè)計階段可以考慮不再增加特種荷載，由UIC 荷載圖式直接包絡(luò)小跨度橋涵加載。

表1 短跨范圍內(nèi)ZKH 特種荷載效應(yīng)/UIC 荷載效應(yīng)

5.2 長編組列車荷載效應(yīng)的研究

計算UIC 荷載圖式在1-200 m 常見加載跨度范圍內(nèi)的荷載效應(yīng)，并與本線各編組列車荷載效應(yīng)進行比較(如圖13 所示)。 UIC 荷載圖式跨端剪力效應(yīng)與本線編組列車荷載跨端剪力效應(yīng)比率均大于1.0，最大為3.17，最小為1.18(2-200 m);UIC 荷載圖式跨中彎矩效應(yīng)與本線編組列車荷載跨中彎矩效應(yīng)比率均大于1.0，最大為3.25，最小為1.13(3-200 m);UIC 荷載圖式效應(yīng)大于本線編組列車荷載效應(yīng)，UIC 荷載圖式可以包絡(luò)本線編組列車荷載，并略有發(fā)展余量。

圖13 UIC 荷載圖式與本線編組列車荷載剪力、彎矩效應(yīng)比率

6 結(jié)論

(1)采用概化包絡(luò)的方式制定鐵路荷載標(biāo)準(zhǔn)的思路，適用于新建線路及現(xiàn)代化鐵路運營網(wǎng)絡(luò)。

(2)在設(shè)計階段，可以根據(jù)成熟的經(jīng)驗進行統(tǒng)一概化，按中國客貨共線鐵路動力系數(shù)進行設(shè)計。

(3)1.0 UIC71 荷載圖式能有效包絡(luò)本線各種運維車輛和列車，并略有發(fā)展余量，可以作為東南亞某國鐵路的靜力荷載圖式。

(4)采用1.0 UIC71 荷載圖式配合中國客貨共線鐵路動力系數(shù)，能概化包絡(luò)本線近遠期運維車輛，并預(yù)留一定的發(fā)展余量，可作為東南亞某國新建客貨共線鐵路設(shè)計階段的鐵路荷載標(biāo)準(zhǔn)。