铁路枢纽工程中-活载2005的研究

铁路枢纽工程中-活载2005的研究

随着经济的快速可持续发展，提高铁路运输能力是缓解运输压力、适应市场经济发展的必要方式。铁路列车活载是设计各类铁路工程结构的主要依据。它是一组由不同轴距和轴重、按一定规律排列的具有可变速度的移动作用力。它随着运量的发展逐步增长。为适应铁路运输发展重载和高速的需要,本文在铁道部历年相关课题研究成果的基础上,对中-活载图式进行修订研究。1铁路运输组织形式和规范滞后,成为全国路网发展的主导地位自1975年以来,我国铁路桥梁设计采用的中-活载标准图式是在蒸汽机车牵引和运输编组背景下考虑一定发展储备制订的。过去30年的实践证明,中-活载图式发挥了积极的作用,基本满足了铁路发展的需要。30年后我国铁路运输特征发生了巨大变化,为了满足社会需求,铁道部不断调整运输组织形式和规范,完善全国路网的发展规划和格局。因此,中-活载标准图式不论从等级上还是图式上不再适应我国铁路发展的要求,主要体现在以下5个方面。1将作为轴重冷人的列车测重方案实际列车装载量几乎用足装运能力,新计划用230kN替代原210kN的轴重货车,更将使列车重量整体提升。为适当留有安全储备,中-活载标准需要适当提高。2铁路路网面积客运提速到200km·h-1,货运120km·h-1,将在铁路路网较大面积上实现。桥梁承受列车静活载和动活载不再是中-活载图式体系所描述的关系。3货运专线的运输为达到客运快速、货运重载的合理目标,客运专线、城际轨道交通、客货共线、货运专线的运输格局正在逐渐形成。中-活载作为单一的活载标准图式,不能适应这种多元化发展。4使桥梁受力体系逐步调整蒸汽机车已经不再作为运营列车的牵引动力,车辆的结构构造逐步向有利于降低车对桥的动力作用、增加载重的方向发展,这些都使桥梁受力体系发生变化。中-活载图式是以蒸汽机车为原型,继续用它计算桥梁结构受力,不能反映运营列车的特征。5铁路发展与国际一体化铁路建设各项标准发展方向是与国际先进标准接轨,中-活载图式不能适应。2kmh-1列车基本图式铁路活载图式标准修订应以在少增加工程量和投资的前提下,充分利用现有资源、合理改善运营条件、保持全路运输有序持续发展为目的。修订的原则是:1)以现有运营主流列车为基本评定标准,合理调整预留发展储备;2)修订后的图式应适应250kN轴重列车和120km·h-1速度货物列车的需要;3)客货共线活载作为基本图式,在原中-活载图式基础上适当提高,其动效应不低于中-活载,充分发挥既有桥梁等设备承受能力的潜力;4)在统一全国铁路设计活载图式前提下,根据客运、货运各自特点作不同规定,实现铁路不同等级技术装备并存的技术政策,为货运重载、客运高速、城际轨道交通等开辟技术通道;5)图式起到机车车辆发展和运输编组外包络的作用。3活载图式等级的影响图1给出了美国、欧洲国际铁路联盟委员会推荐的UIC、日本、前苏联铁路设计活载图式对桥梁的活载动效应。分析各国活载图式轴重、分布以及对桥梁的效应情况可以看出,美国和前苏联的活载图式等级最高;日本的活载图式等级最低;UIC图式与中-活载图式相近,它的静效应比中-活载稍大,在5%以下,但对35m以上跨度桥梁的动效应比中-活载小。由于UIC图式是为适应欧洲各国活载图式而定,因此可以分级使用,而且它不仅可以在整个图式基础上等比例分级,还可以根据需要对集中荷载和均布荷载分别确定提高或降低系数。所以,采用中间4个集中荷载、两边对称均布荷载的UIC图式比较适合我国国情。4铁路列车运营标准的修订和研究4.1图的研究4.1.1基于应时计划的荷载模型基本图式以客货共线的一般线路为基本对象。在修订活载图式的最大轴重方面,根据各国经验和试验研究成果[11,12,13,14,15,16],250kN轴重货车是铁路货车车辆今后发展的较佳极限,因此预测在一般客货共线铁路的机车车辆最大轴重在今后较长时间内不超过250kN;在分析活载图式的延米载重方面,根据车辆构造预测车辆延米载重不超过85kN·m-1;在分析列车活载远期效应时,以全路运营数量最多且重量较大的C62货车和DF4内燃机车作为当前运营主流列车,以100年设计基准期内超越概率5%作为确定实际列车荷载特征值的依据,车辆轴重增长取主轴重210kN发展到250kN、最大限值为100年不超过300kN的三角形经验分布作为发展系数的概率分布,车辆均布载重增长取60.8kN·m-1发展到85kN·m-1的三角形经验分布作为发展系数的概率分布。分析结果见表1。分析表明,UIC作为基本荷载图式,能够较合理地反映运营列车的特征,但需要进行调整:对小跨度梁需要通过特种活载弥补储备偏低的不足;对大跨度梁需要提高均布荷载等级以适应机车牵引能力增加、车辆荷载相对较重的现状和发展趋势。特种活载图式的制订思路:在小跨度时运营荷载与设计荷载的比值与中、大跨度基本相同(0.75左右),使得不同跨度桥梁的活载发展裕度基本一致,从而使桥梁的利用更加经济合理。具体可以通过改变轴数、轴距和轴重来实现。研究结果表明,采用改变轴距的方案,即4个250kN集中荷载、轴距1.4m,对桥梁可操作性强,比较合理。针对我国机车牵引能力增加、车辆荷载相对较重的发展趋势,对UIC图式下的均布载重从80kN·m-1提高到85kN·m-1、中间保留4个250kN集中荷载的方案进行分析,结果表明该方案有较多优势。4.1.2采用重车荷载检算由于新形势对运输的需要,长大车在我国铁路出现越来越频繁,以往对长大车过桥作为临时荷载进行检算的解决方法已经严重影响到运输效率和铁路形象,需要尽快研究制订标准。调查分析表明,我国现有41种长大货车,采用国际铁路联盟推荐的重车荷载图式SW/2作为检算荷载,可以基本包住。因此本文提出建议增加长大重车活载图式,作为桥梁设计检算荷载。4.1.3uc动力系数与中-活载对于已经集中运营250kN轴重重载列车的大秦线,可以作为货运专线考虑。根据铁路技术政策,预计在货运需求大的区段,还将修建或改建货运专线。从总体讲,货运专线所占比例不大。在考虑列车活载标准时,通过活载分级方案解决货运专线的荷载标准问题。关于动力系数的取值,考虑3个方案:①直接采用UIC动力系数;②根据修订后活载图式的动效应不低于现行中-活载动效应的原则,在UIC图式动力系数和中-活载图式动力系数公式基础上进行调整;③继续采用中-活载图式动力系数。经计算分析比较,对采用UIC图式动力系数的方案,由于其随着跨度的增大衰减太快,对小跨度梁提高太多,而对大跨度梁下降太多,无法使各种跨度均达到现行中-活载动效应的程度,所以否定直接采用UIC动力系数,对在已有动力系数形式基础上进行调整的方案,调整目标是使其动效应不低于中-活载动效应,主要将蒸汽机车冲击系数公式进行下调,但该方案有一定的主观性。因此,在目前的条件下,从偏于安全角度考虑,认为动力系数取值继续采用现行中-活载相应的动力系数较为合理。对于长大货车的动力系数取值,由于一般长大货车的构造速度是60km·h-1,因此不需采用一般列车动力系数。根据桥梁检定规范关于内燃电力机车冲击力约为蒸汽机车冲击力75%的条文,建议长大车检算的动力系数按照现行中-活载动力系数1+μ中的0.75μ取值。4.2客列车分级方案根据目前铁路运营特征,活载可大体分为4级:城际轨道交通、客运专线铁路、客货共线铁路和货运专线铁路。对欧洲国际铁路联盟UIC的分级系数公式1.1k、德国规范的分级系数1.12k以及一般0.8,0.6或1.1,1.2的习惯分级方法进行分析,认为采用0.8,0.6或1.1,1.2,1.3……的分级方案较佳。此外,鉴于客运列车与货运列车的牵引特征不同,采用不同的分级基数,充分利用分级的优点。分析中采用各种运营线路常用的最不利车型,即城际轨道交通取城市快速列车6节A型轴式图、客运专线取较重的SS1+YZ22客车轴式图、客货共线取数量多重量大的DF4+C62M轴式图、货运专线取目前重量最大的DF8B+C80轴式图,作为典型运营列车,进行相应活载各种分级的安全储备计算。其目标是使典型运营列车的安全储备大体在0.5～0.7范围。4.3线路检算图式根据上述研究,建议中-活载(2005)图式由设计图式和检算图式组成。中-活载(2005)图式包括一般荷载和特种荷载。在应用中,可根据线路的运营特征取用相应的分级图式,见表2。中-活载(2005)长大重车检算图式见图2所示。4.4中-活载式2005年中-活载(2005)图式中的客货共线活载对桥梁产生的荷载效应较现行中-活载总体提高6%,较好地解决了现行中—活载存在的问题,满足了实际工程的需要。相对当前最大的C80型250kN超短货车,其弯矩效应储备见表3。对铁路典型钢梁和混凝土梁的试设计结果表明,采用中-活载(2005)图式中的客货共线铁路活载比现行中-活载图式设计的桥梁结构内力和应力有增加,初步分析相应增加的工程量在3%左右。通常可通过长大重车检算,设计图纸不需变动。5客、货互通共建的基本设计图式-中-活载1)作为现行中-活载图式制订原型的蒸汽机车已经不再使用,单一中-活载标准不能同时满足客运提速、货运重载等强化运输措施的发展格局,不利于与国际接轨。因此不宜作为今后铁路列车荷载的设计标准图式,需要尽快修订。2)根据使全路设计活载图式一致,遵循客运、货运铁路各自特点作不同规定的原则,提出由基本设计图式和长大重车检算图式组成的中-活载(2005)图式。它集中了UIC和现行中-活载的优点,保留了符合我国国情的原设计规范基本体系。客货共线铁路活载标准比现行中-活载标准有适当提高。增加的长大重车检算图式对有通过长大货车要求的桥梁在中跨度范围得到加强。在增加投资较少的前歪下,使桥梁安全储备综合指标更加均衡和合理,改善了实际结构性能,提高了结构的安全度。