王 麗,胡所亭,趙欣欣

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室,北京 100081； 3.中國鐵道科學研究院集團有限公司,北京 100081)

1 概述

近年來，隨著新技術研究與應用，鐵路重載運輸?shù)玫搅丝焖侔l(fā)展，運輸效率不斷提高，已成為世界鐵路貨物運輸?shù)闹饕l(fā)展方向之一。一般來說，實現(xiàn)重載運輸可以通過增大列車軸重和增加列車編組數(shù)量來實現(xiàn)，其中通過增大列車軸重來實現(xiàn)重載運輸具有很好的經(jīng)濟性，且增大列車軸重相比增加列車編組數(shù)量對于機車車輛和線下基礎設施都更具挑戰(zhàn)性，因此開行大軸重重載列車也是目前鐵路相關各專業(yè)研究的重點之一。從世界范圍來看，目前鐵路列車最大軸重為40 t，在澳大利亞的礦石專用線上使用；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已達到了32.5 t[1]；我國新建煤炭專用線按30 t軸重進行設計[2-3]，部分設計荷載標準較低的既有煤炭專用線也正在進行線下基礎設施適應30 t軸重的強化改造和養(yǎng)護措施方面的研究。對于線下基礎設施，最為關鍵的設計參數(shù)為列車荷載圖式，合理選擇列車荷載圖式，能夠保證基礎設施在設計壽命期內的安全性和經(jīng)濟性。目前世界各國列車荷載圖式均為概化的圖式，適應軸重也未達40 t，雖然有些規(guī)范規(guī)定可在基本圖式的基礎上乘以相應的荷載系數(shù)來適應更大或更小的軸重[4]，但是40 t軸重礦石車的車型與既有普通貨車或者煤炭車差別較大，采用這種方法進行40 t軸重礦石線的設計是否合適，則需要展開相關的研究。

2 專用鐵路列車荷載圖式的選型及安全儲備系數(shù)的確定

2.1 列車荷載圖式的選型

列車荷載圖式制定的初衷是由于鐵路上運營各種不同類型的列車，在車型、軸重等方面均有較大的差別，為了便于設計，采用在荷載效應上能夠包絡各種類型列車并預留一定安全儲備的荷載圖式。這種列車荷載圖式進行橋涵結構設計的特點在于，一方面對于不同跨度橋涵結構的安全儲備不同；另一方面，列車荷載圖式有時還被賦予了其他方面的責任，如美國和我國的列車荷載圖式設置了特種荷載，其目的主要在于提高小跨度橋涵的設計儲備，以解決其疲勞問題。事實上在橋涵結構設計時，除強度設計外還需要進行疲勞設計，在鋼橋疲勞設計中通過損傷修正系數(shù)[5-6]來將圖式效應換算至實車壽命期內的效應。從這一點看來，可以研究一種新的設計體系，將荷載圖式中的特種荷載取消，通過損傷修正系數(shù)來解決小跨度橋涵結構的疲勞問題。

根據(jù)國內外鐵路大軸重重載運輸?shù)默F(xiàn)狀，一般開行40 t軸重重載列車的線路為礦石專用線，與普通鐵路不同，重載專用線路的車型相對單一和固定，可以采用實際運營車輛并預留一定的安全儲備進行線下基礎設施的設計。但是如果采用實際運營車輛進行設計，設計人員在計算時需要依次輸入其軸重軸距數(shù)據(jù)，計算工作量較大；另一方面，采用實車進行設計與我國目前鐵路橋梁的設計體系不一致[7]，因此建議采用基于實際運營車輛的概化圖式并考慮一定的安全儲備來進行設計。

根據(jù)已有研究成果[8]，列車單軸、固定軸距和鄰軸距影響中、小跨度范圍的橋涵受力，在概化圖式中，通過集中力來考慮這一影響，包括鄰軸和固定軸距在內一共有4個軸；在軸重一定的情況下，列車車體長度主要影響中等跨度以上荷載效應，在概化圖式中，通過均布荷載來考慮列車對于大跨度橋梁的加載效應。因此，荷載圖式仍采用4個集中荷載搭配左右兩側均布荷載的形式(圖1)，其中，集中荷載的軸重即為列車軸重，均布荷載即為列車延米重，需要計算確定的參數(shù)包括4個集中荷載之間的距離、集中荷載與均布荷載之間的距離。

圖1 重載列車荷載圖式基本形式

2.2 安全儲備系數(shù)的確定

對各國鐵路列車荷載圖式與主營貨車之間的荷載效應比進行分析，見圖2。從國外情況看，美國比值最大，南非比值最小，UIC和澳大利亞比值居中；我國既有客貨共線鐵路效應比值與UIC基本相當，我國大秦鐵路效應比值略低于南非。美國鐵路Cooper E80列車荷載標準[9]效應與軸重32.43 t主型運營貨車效應平均比值為1.42，主要用于橋梁的新建和改建，用于遠期發(fā)展軸重35～40 t級的重載運輸；澳大利亞鐵路300LA列車荷載標準效應[10]與軸重30 t主型煤炭漏斗車效應平均比值為1.23；南非鐵路NR列車荷載標準效應[11]與軸重26 t運營貨車效應平均比值為1.12；我國中-活載圖式[12]效應與21 t和23 t軸重的主型通用貨車效應平均比值為1.27；我國大秦線按中-活載圖式設計，開行25 t軸重的專用敞車，其效應平均比值為1.09，從大秦線實際運營情況來看，存在儲備不足的問題[13]。綜合來看，各國鐵路列車荷載圖式的發(fā)展儲備系數(shù)均在1.10以上。

圖2 國內外鐵路列車荷載標準與主型運營貨車間效應比值

各國鐵路列車荷載圖式在制定時不僅要考慮圖式對于實際運營最大荷載的安全儲備，同時還要考慮未來車輛的進一步發(fā)展，因此將圖式與主營車之間的荷載效應比定義為列車發(fā)展儲備系數(shù)，我國在TB/T 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》[14]規(guī)范中首次明確了其定義，并規(guī)定了“重載鐵路列車荷載發(fā)展系數(shù)平均值不低于1.20、最小值不低于1.10”的取值原則。但是對于運輸品單一的礦石專用線具有時限性，即在規(guī)定使用壽命范圍內運輸性質、軸重等相對固定，幾乎不存在大的發(fā)展變化，因此無需考慮車輛(軸重)的未來發(fā)展，其安全儲備相對普通線路來說，可適當降低。

綜上，對于重載專用線路基礎設施的設計，可考慮在相應實際運營車輛參數(shù)基礎上進行合理概化形成設計荷載圖式，預留1.10的安全儲備。

3 40t軸重專用鐵路列車荷載圖式的研究制定

3.1 計算車型的選擇確定

根據(jù)調研，目前世界軸重最大的鐵路車輛為澳大利亞的40 t軸重礦石車，包括BHP礦石車[15]和FMG礦石車[16]，兩種車輛的車型參數(shù)見圖3、圖4。兩種車輛的荷載效應比見圖5，可以看出，由于BHP礦石車車長較小，其荷載效應略大于FMG礦石車，平均大約6%。因此，在確定列車荷載圖式時，以BHP礦石車作為基準車型進行計算分析。

圖3 BHP礦石車(單位：m)

圖4 FMG礦石車(單位：m)

圖5 BHP礦石車與FMG礦石車荷載效應比

3.2 列車荷載圖式的研究制定

在2.2節(jié)確定的列車荷載圖式基本型式中，根據(jù)已有研究成果[17]，圖式四軸集中荷載的軸距按照“固定軸距+鄰軸距+固定軸距”的組合方式與實車中、小跨度荷載效應最為接近，因此直接將集中荷載按此種方式確定，如圖6所示。

圖6 集中荷載分布形式(單位：m)

集中荷載與均布荷載之間的距離考慮如表1中4種情況，計算結果見圖7。

表1 集中荷載與均布荷載間距對概化圖式效應影響對比

圖7 概化圖式與列車荷載效應比

可以看出，采用KB-4方案時，圖式與列車荷載效應比整體為1，但是在部分跨度范圍內存在圖式效應小于列車荷載效應的情況。采用KB-3方案時，概化圖式與列車荷載效應之間較為接近，且不存在圖式效應小于列車荷載效應的情況。因此采用KB-3方案，即集中荷載與均布荷載間距為2.5 m，概化圖式見圖8。

圖8 40 t軸重礦石車概化圖式(單位：m)

將該概化圖式提高10%，取整形成40 t軸重礦石車設計荷載圖式，如圖9所示。列車荷載與設計荷載圖式之間的荷載效應比見圖10，列車荷載整體為圖式效應的0.88倍。

圖9 40 t軸重礦石車(單位：m)

圖10 40 t軸重礦石車與設計荷載圖式效應比

3.3 與國內外重載鐵路列車荷載圖式的比較分析

將40 t軸重礦石車設計荷載圖式與國內外重載鐵路設計荷載圖式進行比較，以40 t軸重礦石車設計荷載圖式的荷載效應為基準1，我國重載鐵路設計荷載1.3ZH約為其的0.805倍，美國E80[17]約為其的0.899倍，國際鐵路聯(lián)盟1.33LM71約為其的0.766倍。梁端剪力效應比見圖11、跨中彎矩效應比見圖12，各項指標平均值見表2。

圖11 梁端剪力效應比

圖12 跨中彎矩效應比

表2 國內外荷載圖式與40 t軸重礦石車設計荷載圖式比較

注：平均值指梁端剪力，1/8、1/4、3/8、1/2跨度位置處彎矩效應比的平均值。

4 結論

(1)由于重載專用線路的車型相對單一和固定，可以采用實際運營車輛并預留一定的安全儲備進行線下基礎設施的設計。但是采用實際運營車輛進行設計計算工作量較大，因此建議基于實際運營車輛的荷載效應，進行合理的概化，形成設計荷載圖式進行設計。設計荷載圖式可沿用目前鐵路列車設計荷載圖式的基本型式，軸距軸重根據(jù)實車效應適當調整。

(2)運輸品單一的礦石專用線具有時限性，即在規(guī)定使用壽命范圍內運輸性質、軸重等相對固定，幾乎不存在大的發(fā)展變化，無需考慮車輛(軸重)的未來發(fā)展，其安全儲備系數(shù)可取1.10。

(3)根據(jù)確定的重載專用線設計荷載圖式基本型式和安全儲備系數(shù)，制定了40 t軸重礦石車的設計荷載圖式，對于列車的荷載儲備在各個跨度范圍內較為均衡，列車荷載整體為圖式效應的0.88。

(4)以制定的40 t軸重礦石車設計荷載圖式的荷載效應為基準1，整體來說，我國重載鐵路設計荷載1.3ZH約為其0.805倍，美國E80約為其0.899倍，國際鐵路聯(lián)盟1.33LM71約為其0.766倍，具體到各個跨度有所差別。