楊心怡 蘇永華 班新林 陶曉燕 朱希同 劉文薦 王芳

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京100081；3.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京100844

截至2020年末，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程近13.9萬km。其中鐵路建成通車橋梁8.8萬余座，近2.7萬km。高速鐵路橋梁1.8萬余座、近1.7萬km，高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)安全保障十分重要。救援列車是鐵路交通行車事故應(yīng)急救援的專業(yè)裝備?！惰F路技術(shù)管理規(guī)程》［1］規(guī)定：“橋上通過重型鐵路救援起重機(jī)前，應(yīng)進(jìn)行承載能力檢算。”高速鐵路橋梁采用ZK活載設(shè)計(jì)，救援列車中起重機(jī)軸重大，對(duì)橋梁產(chǎn)生較大活載效應(yīng)。受橋梁設(shè)計(jì)承載能力限制，救援列車通行時(shí)須要單獨(dú)檢算。

陶曉燕等［2］研究了9種既有救援起重機(jī)單機(jī)過橋的適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)目前5種100 t和125 t救援起重機(jī)單機(jī)均不能全速通行ZK活載設(shè)計(jì)的20 m及以下某些跨度橋梁，國(guó)內(nèi)4種160 t救援起重機(jī)單機(jī)均不能全速通行ZK活載設(shè)計(jì)的35 m及以下某些跨度橋梁?；萑绾＃?］研究了一種新型高速鐵路救援起重機(jī)在ZK活載設(shè)計(jì)橋梁上通行及作業(yè)時(shí)的橋梁承載能力，認(rèn)為該型救援起重機(jī)在DF4或HXD3機(jī)車牽引編組回送時(shí)均可全速通行。劉振營(yíng)［4］研究了鐵路起重機(jī)軸重、軸距的改變對(duì)其過橋速度的影響，認(rèn)為采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向架軸距能夠改善其回送性能。由于救援列車編組中車輛的類別、順序及數(shù)量各有不同，因此針對(duì)整列救援列車過橋適應(yīng)性研究成果較少。既有研究成果僅針對(duì)起重機(jī)單機(jī)或機(jī)車+起重機(jī)編組通過單線ZK活載設(shè)計(jì)簡(jiǎn)支梁跨的豎向荷載效應(yīng)。

為進(jìn)一步了解高速鐵路常用跨度混凝土梁通行NS1600型救援列車的適應(yīng)性，本文采用對(duì)比換算均布活載及內(nèi)力的方法，研究了整體救援編組單獨(dú)通行、與運(yùn)營(yíng)車同時(shí)通行時(shí)雙線簡(jiǎn)支梁跨的荷載效應(yīng)，并研究了整體救援編組單獨(dú)通行、與運(yùn)營(yíng)車同時(shí)通行時(shí)箱梁橫框荷載效應(yīng)，以及單線連續(xù)剛構(gòu)的荷載效應(yīng)。研究成果可為NS1600型救援列車通行高速鐵路橋梁提供初步評(píng)估數(shù)據(jù)參考，從而簡(jiǎn)化救援列車通行橋梁適應(yīng)性評(píng)估工作。

1 概述

1.1 救援列車

救援列車一般由機(jī)車+簡(jiǎn)易游車+起重機(jī)+吊臂平車+若干其他車輛組成。起重機(jī)軸重在220～230 kN，機(jī)車軸重在230～250 kN，其他車輛軸重在60～210 kN。救援列車總長(zhǎng)可達(dá)200 m，通行最高速度可達(dá)120 km/h。選取救援起重機(jī)主力機(jī)型NS1600型進(jìn)行計(jì)算。

1.2 荷載類型

設(shè)計(jì)活載選擇ZK活載。

救援列車編組：HXD3+簡(jiǎn)易游車（NX17K）+NS1600+NS1600吊臂平車+救援車（JY25B）+工具車（XL22）+發(fā) 電 車（XL22）+餐 車（CA23）+宿 營(yíng) 車（YW22B）。

運(yùn)營(yíng)車編組：CRH3頭車+14輛CRH3中間車+CRH3頭車。

1.3 跨度選擇

我國(guó)客運(yùn)專線跨度48 m及以上多采用連續(xù)箱梁，少數(shù)采用簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，跨度20 m及以下多采用簡(jiǎn)支T梁，跨度24～40 m多采用簡(jiǎn)支箱梁。因此，簡(jiǎn)支梁通行救援列車的豎向分析跨度L選取8、12、16、20、24、32、40、48、56、64 m，橫向分析選取通橋（2009）2229?IV（雙塊式）雙線簡(jiǎn)支箱梁、通橋（2005）2211?Ⅱ單線簡(jiǎn)支箱梁跨中截面，另選?。?6+24+16）m連續(xù)剛構(gòu)進(jìn)行豎向分析。

1.4 檢算原則與系數(shù)取值

1.4.1 檢算原則

1）檢算指標(biāo)主要為活載系數(shù)。不同工況下的活載系數(shù)Q為

①單線簡(jiǎn)支梁

②雙線簡(jiǎn)支梁救援列車單獨(dú)通行

③雙線簡(jiǎn)支梁救援列車與運(yùn)營(yíng)車同時(shí)通行

式中：Q為救援列車與設(shè)計(jì)活載的荷載效應(yīng)比值；k救援、kZK、k運(yùn)營(yíng)分別為救援列車、ZK活載、CRH3運(yùn)營(yíng)列車的換算均布活載；（1+μ）客貨、（1+μ）ZK、（1+μ）運(yùn)營(yíng)分別為救援列車、ZK活載、運(yùn)營(yíng)列車的動(dòng)力系數(shù)。

2）通行判別標(biāo)準(zhǔn)為

①當(dāng)Q≤1時(shí)，即救援列車荷載效應(yīng)不大于設(shè)計(jì)活載時(shí)則無需限速。

②當(dāng)Q>1時(shí)，即救援列車荷載效應(yīng)大于設(shè)計(jì)活載，針對(duì)不同橋梁類型分別討論，連續(xù)梁可建立梁?jiǎn)卧Ｐ瓦M(jìn)一步分析負(fù)彎矩影響，簡(jiǎn)支梁可依據(jù)鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［5］第12.0.3節(jié)對(duì)救援列車動(dòng)力系數(shù)限速折減，計(jì)算式為

式中：v救援為限制速度，km/h。

③當(dāng)限速至5 km/h且Q>1時(shí)，不宜通行。

1.4.2 系數(shù)取值

1）偏載系數(shù)。關(guān)于偏載系數(shù)，公路混凝土箱梁橋中偏載引起的約束扭轉(zhuǎn)和畸變正應(yīng)力約為相應(yīng)彎曲正應(yīng)力的15%，偏載引起的剪應(yīng)力為相應(yīng)彎曲剪應(yīng)力的5%［6］。參照公路橋梁中荷載橫向分布系數(shù)的定義［7］，通過空間結(jié)構(gòu)計(jì)算的某一片結(jié)構(gòu)上的最大效應(yīng)除以每片結(jié)構(gòu)平均荷載效應(yīng)，則得到偏載系數(shù)［8］。既有研究成果表明：雙線箱梁在單線、雙線UIC活載作用下，L≤40 m的撓度比為0.6，L>40 m的撓度比為0.55，因撓度比理論值為0.5，則L≤40 m、L>40 m的雙線箱梁偏載系數(shù)分別為1.2、1.1。

2）動(dòng)力系數(shù)

①設(shè)計(jì)活載與救援列車動(dòng)力系數(shù)按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］計(jì)算，救援列車動(dòng)力系數(shù)同ZKH活載取值。

②運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)按TG/GW 209—2014《高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢定規(guī)定（試行）》［10］4.4.1計(jì)算。

對(duì)于L≤32 m的動(dòng)力運(yùn)營(yíng)系數(shù)計(jì)算式為

式中：u'、μ″均為中間參數(shù)。μ′=K/(1-K+K4)，K=

其中，v為動(dòng)車組列車速度，km/h，按《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》［1］第289條規(guī)定取160 km/h；n0為實(shí)測(cè)簡(jiǎn)支箱梁一階豎向自振頻率，Hz。當(dāng)L<24 m時(shí)，豎向一階自振頻率按TB 10002—2017取值；當(dāng)L=24，32 m時(shí)，按通橋（2009）2229系列圖紙取值。

對(duì)于L>32 m的動(dòng)力運(yùn)營(yíng)系數(shù)計(jì)算式為

3）系數(shù)取值。動(dòng)效應(yīng)系數(shù)見表1。

表1 動(dòng)效應(yīng)系數(shù)

2 豎向內(nèi)力分析

2.1 救援列車通行單線簡(jiǎn)支梁

救援列車與ZK活載、ZKH活載及中-活載的靜荷載效應(yīng)見圖1?？梢?，救援列車荷載效應(yīng)在100 m跨度以下均大于ZK活載。救援列車通行高速鐵路橋梁的受限跨度范圍較大。中-活載設(shè)計(jì)橋梁的受限跨度范圍為L(zhǎng)≤40 m，ZKH活載為L(zhǎng)≤24 m。

圖1 救援列車活載系數(shù)（靜效應(yīng)）

救援列車靜效應(yīng)、動(dòng)效應(yīng)及限速5 km/s后的活載系數(shù)見圖2?？梢?，常用跨度20～40 m內(nèi)梁端剪力換算均布活載超過設(shè)計(jì)活載更明顯，救援列車降速5 km/h時(shí)通行32 m跨度的活載系數(shù)為1.17。

圖2 通行單線簡(jiǎn)支梁救援列車活載系數(shù)

限速效果見表2。可見，限速后16～90 m跨度范圍內(nèi)活載系數(shù)大于1。

表2 通行單線簡(jiǎn)支梁跨時(shí)救援列車限速效果（梁端剪力）

2.2 救援列車通行雙線簡(jiǎn)支梁

救援列車通行雙線簡(jiǎn)支梁時(shí)分2種工況：①單獨(dú)通行雙線梁跨；②與運(yùn)營(yíng)車（下稱CRH3列車）同時(shí)通行雙線梁跨。

2.2.1 救援列車單獨(dú)通行雙線梁跨

雙線梁具有雙倍設(shè)計(jì)活載的儲(chǔ)備，救援列車單獨(dú)通行雙線簡(jiǎn)支梁活載系數(shù)見圖3?？芍?，當(dāng)救援列車單獨(dú)通行時(shí)靜效應(yīng)、動(dòng)效應(yīng)均小于設(shè)計(jì)活載。就豎向受力而言無需限速。

圖3 救援列車單獨(dú)通行雙線簡(jiǎn)支梁活載系數(shù)

2.2.2 救援列車與CRH3列車同時(shí)通行雙線簡(jiǎn)支梁

救援列車荷載效應(yīng)為CRH3列車的2.5倍，考慮偏載效應(yīng)，偏載系數(shù)取值同單獨(dú)通行雙線梁跨工況。救援列車與CRH3列車同時(shí)通行雙線簡(jiǎn)支梁活載系數(shù)見圖4?？芍瑒?dòng)效應(yīng)活載系數(shù)在跨度12～40 m范圍內(nèi)大于1，限速60 km/h可將活載系數(shù)控制在0.95以下。

圖4 救援列車與CRH3列車同時(shí)通行雙線簡(jiǎn)支梁活載系數(shù)

救援列車與CRH3列車同時(shí)通行雙線梁跨限速效果見表3。

表3 救援列車與CRH3列車同時(shí)通行雙線梁跨限速效果

3 橫向內(nèi)力分析

起重機(jī)為救援列車編組中的控制車輛。NS1600型救援起重機(jī)軸重、軸距分別為230 kN、1.1 m，相比ZK特種活載的荷載集度更密集，需進(jìn)行橫框分析。單線偏心活載控制箱梁頂板、底板橫向應(yīng)力，截面應(yīng)力分布不均情況以跨中截面最為明顯［11］。取縱向1 m區(qū)段跨中橫框，約束于兩腹板與底板交界處，實(shí)際約束為整截面，橫框模型理論結(jié)果偏于保守，起重機(jī)荷載不考慮偏載系數(shù)。

3.1 32 m雙線箱梁橫框檢算

32 m雙線箱梁橫框依據(jù)通橋（2009）2229?IV（雙塊式）截面建模計(jì)算，設(shè)計(jì)活載為ZK荷載的特種活載。梁?jiǎn)卧Ｐ凸灿?8個(gè)節(jié)點(diǎn)，66個(gè)單元，材料采用C50混凝土，雙線箱梁橫框模型見圖5。

圖5 雙線箱梁橫框模型

建立左線ZK活載、右線ZK活載、左線起重機(jī)、右線運(yùn)營(yíng)車4個(gè)靜力工況，通過相加組合模擬兩種情形：①救援列車單獨(dú)通行；②救援列車與CRH3列車同時(shí)通行。相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，單個(gè)軸重縱向分布長(zhǎng)度實(shí)測(cè)值比規(guī)范計(jì)算值增大了1.2 m，鄰軸之間軸重疊加。因此縱向活載換算為橫向活載時(shí)，單個(gè)軸重縱向分布長(zhǎng)度取值原則為：實(shí)際軸距大于1.2 m時(shí)取1.2 m；實(shí)際軸距小于1.2 m時(shí)取實(shí)際軸距。雙線橫框荷載取值見表4。

表4 雙線橫框荷載取值

ZK活載下橫框彎矩包絡(luò)圖見圖6，包括單線活載與雙線活載工況。救援列車通行工況橫框彎矩見圖7。

圖6 ZK活載下橫框彎矩包絡(luò)圖（含動(dòng)力系數(shù)）（單位：kN·m）

圖7 救援列車單獨(dú)通行、與CRH3列車同時(shí)通行雙線簡(jiǎn)支梁橫框彎矩圖（縱向1.0 m分布，含動(dòng)力系數(shù)，單位：kN·m）

起重機(jī)軸重按實(shí)際軸距1.1m縱向分配計(jì)算時(shí)，32 m雙線箱梁在2種通行工況下橫向受力均小于設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)，活載系數(shù)最大值為0.92。

對(duì)比彎矩與剪力可知，起重機(jī)軸重按1.0 m縱向分配計(jì)算時(shí)，救援列車單獨(dú)通行雙線箱梁時(shí)超過設(shè)計(jì)活載的截面范圍更大，主要為截面10—12上緣、截面14—16下緣、截面22—23上緣、截面43—50外側(cè)、截面54—61內(nèi)側(cè)，降速至60 km/h時(shí)可將活載系數(shù)控制在0.95及以下。

救援列車單獨(dú)通行雙線箱梁時(shí)荷載超出量較小，約為設(shè)計(jì)活載1%，對(duì)鋼筋應(yīng)力影響較小。以截面14—16下緣為例，高速鐵路箱梁橫框在主力+附加力設(shè)計(jì)荷載作用下，該位置設(shè)計(jì)彎矩為90 kN?m，設(shè)計(jì)鋼筋應(yīng)力為210 MPa（恒載+ZK活載+附加力），1.01倍（救援列車活載下橫框彎矩/ZK活載下橫框彎矩=1.01）情況下（恒載+附加力）救援列車單獨(dú)通行時(shí)該位置總應(yīng)力為212 MPa，小于容許值270 MPa。同理底板頂面與底面彎矩絕對(duì)值在80 kN·m以下，應(yīng)力在180 MPa以下，單獨(dú)通行救援列車時(shí)鋼筋應(yīng)力為182 MPa，同樣小于容許值270 MPa。

高速鐵路橋梁梁體狀態(tài)不一，保守考慮救援列車通行32 m雙線箱梁宜限速60 km/h。

3.2 32 m單線箱梁橫框檢算

32 m單線箱梁橫框依據(jù)通橋（2005）2211?Ⅱ截面建模計(jì)算，橋面橫向設(shè)計(jì)活載為ZK特種活載，跨中梁高2.8 m，橫橋向支座中心距3.0 m。因單線箱梁列車活載關(guān)于箱梁中心線對(duì)稱，因此直接對(duì)比橫向均布活載大小即可得到荷載效應(yīng)比值。計(jì)算橫向均布活載時(shí)：橫向分布寬度考慮道砟厚度0.35 m，按1∶1自枕底擴(kuò)散后為3.3 m；縱向分布寬度為設(shè)計(jì)活載1.2 m，起重機(jī)活載分別考慮1.1，1.0 m；動(dòng)力系數(shù)依據(jù)TB 10002—2017取值，橫向支撐跨度取3.5 m，起重機(jī)活載動(dòng)力系數(shù)為1.358，ZK活載動(dòng)力系數(shù)為1.667。單線橫框荷載取值及活載系數(shù)見表5?？梢?，由于ZK活載動(dòng)力系數(shù)較大，縱向分布寬度按保守軸距1.0 m計(jì)算時(shí)的NS1600起重機(jī)活載效應(yīng)依舊小于ZK活載。

表5 單線橫框荷載取值及活載系數(shù)

4 （18+24+18）m單線鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)內(nèi)力檢算

由2.1節(jié)可知，救援列車限速5 km/h通行跨度16～90 m單線簡(jiǎn)支梁跨時(shí)Q>1。為進(jìn)一步了解該跨度范圍的連續(xù)梁荷載效應(yīng)，建模檢算（18+24+18）m單線連續(xù)剛構(gòu)。該剛構(gòu)設(shè)計(jì)活載為ZK活載，橋身采用C40混凝土、基礎(chǔ)采用C35混凝土。模型共79個(gè)節(jié)點(diǎn)，76個(gè)單元，兩端為活動(dòng)支座，中間為固結(jié)。計(jì)算了ZK活載、ZK活載特種活載，救援列車編組（見1.2節(jié)）3個(gè)工況。各截面動(dòng)力系數(shù)按實(shí)際跨度取值。連續(xù)剛構(gòu)梁跨最大、最小彎矩活載系數(shù)見圖8。

圖8 連續(xù)剛構(gòu)梁跨最大、最小彎矩活載系數(shù)

由圖8可知，救援列車限速5 km/h時(shí)，最大彎矩活載系數(shù)小于1。最小彎矩活載系數(shù)在中跨1/4、3/4處為1.19，ZK活載、救援列車活載下最小彎矩分別為1 077，1 281 kN?m；最小彎矩活載系數(shù)在邊跨1/4處為1.36，ZK活載、救援列車活載下最小彎矩分別為181，247 kN?m，邊跨彎矩相對(duì)較小。因此中跨1/4、3/4處更為不利。

連續(xù)剛構(gòu)梁跨最大剪力活載系數(shù)及最大剪力見圖9?？芍仍熊囅匏? km/h時(shí)的最大剪力與ZK活載包絡(luò)最大剪力十分接近。雖然邊跨1/4處最大剪力活載系數(shù)為1.52，但最大剪力相比支承處小。而在中跨大部分區(qū)域內(nèi)最大剪力活載系數(shù)大于1.0（最大值為1.17）且量值較大，ZK活載、救援列車活載下最大剪力分別在1 050～1 347、1 120～1 458 kN。因此中跨較邊跨更為不利。除此之外，連續(xù)剛構(gòu)下部結(jié)構(gòu)各項(xiàng)內(nèi)力活載系數(shù)小于0.93。

圖9 限速5 km/h時(shí)連續(xù)剛構(gòu)梁跨最大剪力

綜合最小彎矩及剪力結(jié)果考慮，認(rèn)為鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)的中跨近支承處最為不利，通行救援列車應(yīng)進(jìn)一步分析計(jì)算該范圍應(yīng)力和裂縫。

5 結(jié)論

綜合考慮豎向、橫向荷載效應(yīng)，得到NS1600救援列車通行常用跨度混凝土梁限速情況。結(jié)論如下：

1）NS1600救援列車通行單線16～90 m跨度梁限速5 km/h時(shí)超過設(shè)計(jì)活載荷載效應(yīng)，若通行須進(jìn)一步檢算。

2）NS1600救援列車通行（18+24+16）m單線鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)時(shí)，中跨近支承處最為不利，應(yīng)進(jìn)一步分析計(jì)算該范圍應(yīng)力和裂縫。

3）NS1600救援列車單獨(dú)通行雙線梁時(shí)，豎向活載系數(shù)小于1，橫框荷載效應(yīng)超過設(shè)計(jì)活載1%，保守考慮宜限速60 km/h。

4）NS1600救援列車與CRH3列車同時(shí)通行雙線梁時(shí)，救援列車限速60 km/h時(shí)跨度12～40 m豎向活載系數(shù)小于1，橫框荷載效應(yīng)超過設(shè)計(jì)活載1%，救援列車應(yīng)限速60 km/h。

具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)線路條件、橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)和救援起重機(jī)、運(yùn)營(yíng)列車的具體運(yùn)行要求，綜合制定救援列車的運(yùn)行條件。