摘要：制約超重貨物列車運(yùn)輸?shù)闹饕蛩厥菢蛄?。超重貨物列車通過橋梁時(shí)，運(yùn)行活載的活載系數(shù)Q必須小于橋梁結(jié)構(gòu)的檢定承載系數(shù)K，否則需采取加掛隔離車或限制列車運(yùn)行速度的方法。本文以D26B型超重貨物列車通過鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔謩e對(duì)橋梁檢定承載系數(shù)K≥1、K＜1和僅允許以5 km/h通過三種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，若限制列車運(yùn)行速度仍不能確保超重貨物列車安全通過橋梁，則應(yīng)采用加固橋梁或者繞行其他徑路等方法，以保證運(yùn)輸安全。

關(guān)鍵詞：超重貨物列車；簡(jiǎn)支梁橋；活載系數(shù)Q；限制速度；實(shí)例

作者簡(jiǎn)介：張偉光，男，高級(jí)工程師。

貨物列車裝車后，載重車總重活載效應(yīng)超過橋涵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載（中-活載）的貨物，稱為超重貨物［1］。該定義是在假設(shè)運(yùn)營中的橋梁均為符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（中-活載）且無病害的理想狀況下，即在橋梁的檢定承載系數(shù)K≥1的前提下，列車車輛及裝載貨物（含加固設(shè)備等）的總重活載效應(yīng)超過橋涵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載（中-活載）效應(yīng)。實(shí)際上運(yùn)營中的橋梁設(shè)備因建設(shè)年代不同，所依據(jù)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)不同，加上橋梁運(yùn)營過程中的裂損及病害，并非都能符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（中-活載），即橋梁的檢定承載系數(shù)K＜1?？傊鼗钶d效應(yīng)超過該情形下的鐵路橋梁允許通行的運(yùn)行活載效應(yīng)的，也應(yīng)視為超重貨物。

隨著國內(nèi)交通運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，超限超重等長(zhǎng)大貨物運(yùn)輸需求迅速增長(zhǎng)，長(zhǎng)大貨物特種車輛也不斷涌現(xiàn)，在我國鐵路運(yùn)輸上出現(xiàn)得越來越頻繁。因此對(duì)超重貨物列車過橋應(yīng)采取相應(yīng)的措施，以確保其安全過橋。本文以超重貨物列車安全通過橋梁的限速計(jì)算為例，較為系統(tǒng)地研究超重貨物列車過橋需滿足的條件。

1過橋限制速度的理論推導(dǎo)

橋梁的檢定承載能力是以橋梁的檢定承載系數(shù)K來表示的，K為結(jié)構(gòu)所能承受的荷載相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)活載（中-活載）的倍數(shù)。當(dāng)K≥1時(shí)，表示橋梁承載能力滿足標(biāo)準(zhǔn)活載的要求；當(dāng)K＜1時(shí)，橋上容許通行的運(yùn)行活載系數(shù)Q必須滿足Q≤K［2］155。

對(duì)于長(zhǎng)大貨物車裝載后，按常規(guī)的橋梁檢定方法進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)其在橋上的運(yùn)行活載系數(shù)Q超過橋梁的檢定承載系數(shù)K時(shí)，應(yīng)對(duì)該長(zhǎng)大貨物車進(jìn)行過橋?qū)Σ邫z算，以確定能否安全承運(yùn)。橋梁運(yùn)行活載系數(shù)Q按式（1）計(jì)算。

Q=kq（1+μ′）k0（1+μ）（1）

式中kq——運(yùn)行活載的換算均布活載；

k0——標(biāo)準(zhǔn)活載的換算均布活載；

1+μ，1+μ′——標(biāo)準(zhǔn)活載、運(yùn)行活載的動(dòng)力系數(shù)。

除采用空車作為隔離車來優(yōu)化車輛編組外，長(zhǎng)大貨物車過橋還可采用限速措施來降低動(dòng)力系數(shù)，即使得Q≤K，以期達(dá)到降低車輛對(duì)橋梁的沖擊影響，確保長(zhǎng)大貨物車安全通過橋梁。

對(duì)于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，蒸汽機(jī)車動(dòng)力系數(shù)采用式（2）計(jì)算［3］，［4］21。

1+μ=1+α（630+L）（2）

式中，α=0.32×（3-h）2，填土厚度h＜0.5 m時(shí)h取0.5 m，本文均按填土厚度h＜0.5 m考慮，α=2，即

1+μ=1+1230+L

對(duì)于混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁簡(jiǎn)支梁橋，內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車及車輛運(yùn)行速度在60～120 km/h范圍內(nèi)，動(dòng)力系數(shù)要進(jìn)行折減，采用式（3）計(jì)算［4］21。

1+μ=1+0.75·1230+L （3）

內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車及車輛限制速度v＜60 km/h時(shí)，動(dòng)力系數(shù)應(yīng)還再次折減，采用式（4）計(jì)算［2］22，［4］21。

1+μ′=1+0.75·1230+L·v60 （4）

式中，L為橋梁跨度（m）；v為限制速度（km/h）。

由式（1）、式（3）、式（4）可知，長(zhǎng)大貨物列車限速后的活載系數(shù)Q′可按式（5）計(jì)算。

Q′=kq（1+μ′×v60）k0（1+μ） （5）

（1）K≥1的情況下，超重貨物列車過橋時(shí)，要使車輛限速后安全通過橋梁的條件為Q′≤1，即

Q′=kq（1+μ′×v60）k0（1+μ）≤1

式（1）、式（5）聯(lián)立得式（6）。

v≤60μ′（1+μ′Q－1）=（1+μ′）－Qμ′Q×60" （6）

（2）K＜1的情況下，超重貨物列車過橋時(shí)，要使車輛限速后安全通過橋梁的條件為Q′≤K，即

Q′=kq（1+μ′×ν60）k0（1+μ）≤K

式（1）、式（6）式聯(lián)立得式（7）。

ν≤60μ′（1+μ′QK－1）=K（1+μ′）－Qμ′Q×60 （7）

2研究對(duì)象的選取

2.1橋梁的選取

國內(nèi)既有鐵路線路上廣泛使用的中小跨度簡(jiǎn)支梁橋，在超重貨物列車運(yùn)輸過程中最易受到損壞，因此簡(jiǎn)支梁橋是限制長(zhǎng)大貨物車過橋的主要的橋梁類型，本文擬選簡(jiǎn)支梁橋作為研究對(duì)象。最常見的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁是由兩片T形梁組成。

2.2超重貨物列車的選取

選取D26B型超重貨物列車為研究對(duì)象，該車型自重107 t，標(biāo)記載重290 t，鉤舌內(nèi)側(cè)距離40 096 mm，軸數(shù)為16，軸距如圖1所示。D26B型超重貨物列車通過圬工梁橋的控制跨度為20 m。

3超重貨物列車過橋限制速度計(jì)算

3.1超重貨物列車運(yùn)輸情況

有一件貨物重 290 t，使用D26B型超重貨物列車裝運(yùn)，車列編組為隔離平車3輛、超重貨物列車1輛、隔離平車1輛、客車4輛（其中1輛代工具維修車）、隔離平車1輛，計(jì)10輛。

假定擬經(jīng)線路上有一跨度20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T形梁，對(duì)該T形梁處于不同承載能力狀態(tài)下的限速情況進(jìn)行分析。

3.2橋梁的檢定系數(shù)K≥1

由于D26B型超重貨物列車控制跨度為20 m，由《鐵路橋梁檢定規(guī)范》可知，1/2處換算均布活載k0=110.2/2 kN/m=55.1 kN/m，端部換算均布活載k′0=129.4/2 kN/m=64.7 kN/m。

在車輛不發(fā)生偏載情況下各車輪對(duì)橋梁的作用力為

P=自重+載重車輪數(shù)=107+2902×16×9.8 kN=121.58 kN

由結(jié)構(gòu)力學(xué)中利用影響線求移動(dòng)荷載的方法求得最不利荷載，最不利荷載位置判定方法不再贅述，可參照結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行判定。下面分別對(duì)最大彎矩M和最大剪力F進(jìn)行計(jì)算。

（1）第4車輪位于跨中位置時(shí)，移動(dòng)荷載產(chǎn)生的彎矩M最大，彎矩M最大時(shí)車輪位置及影響線量值如圖2所示。

M=∑ni=1Piyi=3 003.03 kN/m

換算均布活載

kq=MA=∑PiyiA=60.06 kN/m

動(dòng)力系數(shù)1+μ=1.24，1+μ′=1.18。

活載系數(shù)QM=1.04。

（2）第1車輪位于端部位置時(shí)移動(dòng)荷載產(chǎn)生的剪力F最大。

F=∑ni=1Piyi=673.6 kN/m

換算均布荷載

kq=FA=∑PiyiA=67.36 kN/m

活載系數(shù)

QF=kq（1+μ′）k0（1+μ）=67.36×1.1864.7×1.24=0.99

QMgt;QF，故該T形梁由跨中彎矩控制。1.00＜QM≤1.05，由《鐵路超限超重貨物運(yùn)輸規(guī)則》可知，D26B型超重貨物列車針對(duì)擬經(jīng)線路上跨度20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁屬于一級(jí)超重。

依據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（TB 10002—2017）中長(zhǎng)大貨物車過橋?qū)Σ撸刎浳锪熊囘^橋需限制車輛運(yùn)行速度。根據(jù)式（6）可知超重貨物列車限制速度v。

v≤（1+μ′）-Qμ′Q×60 km/h=44.87 km/h

因此，超重貨物列車過橋限制速度v=44 km/h。

3.3橋梁的檢定承載系數(shù)K＜1

對(duì)于“正常狀態(tài)”的橋梁而言，經(jīng)過前面的檢算或限速，即可保證超重貨物列車安全過橋，但由于不同年代建造橋梁依據(jù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，再加上使用周期長(zhǎng)及設(shè)備病害等原因，既有線上存在一定數(shù)量的橋梁的實(shí)際承載能力小于按“中-活載”標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計(jì)承載能力，造成鐵路橋梁承載能力不足［5］，即K＜1。

假定上述20 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁有病害，橋梁檢定系數(shù)K=0.95＜1。根據(jù)第3.2節(jié)所計(jì)算的Q=1.04，要使超重貨物列車安全通過病害橋梁的條件為Q′≤K。根據(jù)式（7）可得超重貨物列車限制速度v≤25.96 km/h。

因此，超重貨物列車通過病害橋梁限制速度為25 km/h。

3.4假定橋梁僅允許超重貨物列車以5 km/h通過

實(shí)際工作中，通常認(rèn)為超重貨物列車通過橋梁的速度不能小于5 km/h，否則橋梁需加固或改變列車運(yùn)行徑路。假定該20 m跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T形梁橋梁僅允許上述D26B型超重貨物列車以5 km/h通過。將v=5 km/h代入根據(jù)式（4）可得1+μ′=1.015。 將v=5 km/h、Q=1.04、1+μ′=1.015代入式（7）可得K≥1.03，即該預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁的既有或者加固后的檢定系數(shù)K不得少于1.03，否則超重貨物列車不能安全過橋，需改變列車運(yùn)行路徑。

4超重貨物列車安全通過橋梁的運(yùn)輸條件

本文在不考慮貨物偏載的前提下，只從限制超重貨物列車運(yùn)行速度方面進(jìn)行分析，通過上述分析、公式推導(dǎo)及計(jì)算實(shí)例，超重貨物列車通過橋梁必須滿足以下運(yùn)輸條件：

（1）超重貨物列車安全通過橋梁的基本條件為超重貨物列車對(duì)橋梁的活載效應(yīng)必須小于橋梁的實(shí)際承載能力，即Q≤K。

（2）除采用隔離車等措施外，應(yīng)限制超重貨物列車運(yùn)行速度以降低動(dòng)力系數(shù)，避免對(duì)橋梁造成損傷，確保超重貨物列車安全通過橋梁。

（3）限制超重貨物列車過橋速度v≥5 km/h，且滿足式（6）或式（7），則可安全通過橋梁。

（4）若增加隔離車或者限制橋上運(yùn)行速度，均不能保證超重貨物列車安全通過橋梁，則需對(duì)橋梁進(jìn)行加固或者改變運(yùn)行徑路，以確保超重貨物列車安全通過橋梁。

5結(jié)語

超重貨物列車是否能夠安全通過橋梁，不但與橋梁的承載能力、車輛編組方案有關(guān)，還與車輛運(yùn)行速度有關(guān)。本文選取D26B型超重貨物列車通過跨度20 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T形梁橋?yàn)橛?jì)算實(shí)例，以超重貨物列車通過橋梁需限制運(yùn)行速度為前提條件，旨在介紹超重貨物列車運(yùn)輸限制速度的計(jì)算。同時(shí)通過計(jì)算實(shí)例，也驗(yàn)證了限制超重貨物列車運(yùn)行速度，可在一定程度上降低超重貨物列車對(duì)橋梁的影響，保證橋梁和超重貨物列車的安全。通過計(jì)算，若采取限制速度措施后仍不能保證超重貨物列車安全通過橋梁，則應(yīng)采取加固橋梁等其他工程措施，或改變超重貨物列車運(yùn)行徑路。

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