新建巴準線橋梁對重載鐵路新活載標準適應(yīng)性研究

張濤

(神華包神鐵路集團公司，內(nèi)蒙古包頭014014)

新建巴準線橋梁對重載鐵路新活載標準適應(yīng)性研究

張濤

(神華包神鐵路集團公司，內(nèi)蒙古包頭014014)

新建巴準線是神華集團重載運輸鐵路網(wǎng)的重要組成部分。在巴準線建設(shè)過程中，我國重載鐵路新活載標準已經(jīng)確定，既有活載標準已經(jīng)不能滿足重載運輸需要。本文通過比較國內(nèi)外重載鐵路靜活載發(fā)展儲備系數(shù)論證了巴準線適應(yīng)新活載標準中的1.0級ZH活載;通過梁軌一體化分析獲得巴準線橋梁重載運輸列車縱向力分布規(guī)律，據(jù)此將橋梁縱向剛度設(shè)計標準提升到設(shè)計活載的12.5%;采用新老活載標準驗算巴準線橋梁結(jié)構(gòu)性能，從而確定設(shè)計改進措施;通過施工監(jiān)控系統(tǒng)地驗證了改進設(shè)計后巴準線橋梁成橋狀態(tài)良好。研究成果提升了巴準線承載能力，擴大了運營發(fā)展空間。

重載鐵路 ZH活載圖式 縱向力 橋梁施工監(jiān)控

1 工程概述

新建鐵路巴準線位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗和準格爾旗境內(nèi)，線路自包神鐵路巴圖塔站引出，沿公涅爾蓋溝，經(jīng)準格爾召、四道柳、暖水、納林、西五色、浪溝、十里長川、黑岱溝，接入大準鐵路點岱溝站，正線全長128.102 km，疏解線6.395 km，總計134.497 km。新建巴準線橋涵主要為小跨度涵洞、標準跨度簡支梁結(jié)構(gòu)和大跨度連續(xù)梁。其中，簡支梁上部結(jié)構(gòu)采用“通橋(2005)2101”混凝土T梁通用參考圖;連續(xù)梁橋梁是巴準線建設(shè)中的重點工程，分別是公涅爾蓋溝大橋(中心里程DK08+749.663)的(60+ 100+60)m連續(xù)梁、納林川特大橋(中心里程DK083 +801.655)的2×(48+3×80+48)m連續(xù)梁。

根據(jù)神華集團鐵路的發(fā)展規(guī)劃，到“十二五”末期，神華自有鐵路運營總里程將達到3 300 km，基本形成西到銀川、北到蒙古國、東到黃驊港、天津港、山東東營、龍口港，并連接大秦線、集通線的自有鐵路網(wǎng)，初步形成以煤運通道為骨干、集疏運系統(tǒng)相配套的煤運重載鐵路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。將開行萬噸和兩萬噸以上的重載列車，保證神華多個億噸級煤炭基地的投產(chǎn)使用。在這個網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，新建巴準線是西連包神線、東接大準線的重要聯(lián)絡(luò)線，也是蒙西煤炭資源外運的重要通道。保證巴準線的重載運輸能力對于提升神華集團鐵路網(wǎng)的整體服務(wù)水平意義重大，同時也關(guān)系著我國西煤東運的整體戰(zhàn)略布局。

巴準線建設(shè)期間我國重載鐵路規(guī)范正在編制，其中重載鐵路設(shè)計活載圖式已經(jīng)確定，提升軸重已被明確提升為未來重載鐵路運輸重要發(fā)展方向。新建巴準線橋梁設(shè)計依據(jù)現(xiàn)行的《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)，設(shè)計活載為“中—活載”圖式。既有運營經(jīng)驗表明，依據(jù)現(xiàn)行“中—活載”設(shè)計的橋梁已經(jīng)不能很好地適應(yīng)25 t軸重及以上列車的重載運輸。為了滿足巴準線未來重載運輸需求，提升大軸重貨車運輸能力，在其建設(shè)期間開展新建巴準線橋梁適應(yīng)新活載標準體系的研究十分必要。

2 研究思路

1)收集分析巴準線設(shè)計和建設(shè)資料，了解巴準線建設(shè)目標和設(shè)計標準。

2)系統(tǒng)地收集分析我國重載鐵路研究和試驗成果。研究巴準線在重載鐵路新活載標準體系中具體適用的活載圖式及參數(shù)等級，確定巴準線適應(yīng)新活載標準后可以適應(yīng)的活載軸重水平。

3)總結(jié)巴準線連續(xù)梁橋和典型簡支梁橋橋墩縱向剛度分布規(guī)律，進行重載列車縱向力傳遞規(guī)律的研究，提出巴準線橋梁下部結(jié)構(gòu)適應(yīng)新活載標準所需要的制動力設(shè)計標準。

4)結(jié)合巴準線典型橋梁的設(shè)計資料，分別根據(jù)既有中—活載標準和新活載標準對巴準線橋梁結(jié)構(gòu)進行檢算分析，研究橋梁結(jié)構(gòu)在不同活載標準下的性能，確定巴準線橋梁適應(yīng)新活載標準需要改進的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。

5)提出巴準線橋梁適應(yīng)新活載標準的設(shè)計改進措施，并在工程中應(yīng)用。

6)在巴準線橋梁建設(shè)過程中，利用監(jiān)控設(shè)備，依據(jù)新活載標準驗證橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計改進措施的效果及成橋性能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 新建巴準線橋梁對新活載標準的適應(yīng)性研究

巴準線依據(jù)的是現(xiàn)行“中—活載”圖式(圖1)。為適應(yīng)新時期鐵路運輸發(fā)展的需要，原鐵道部科技司于2004年立項，明確要求結(jié)合我國鐵路的實際情況，研究和制訂客貨共線和貨運鐵路橋梁活載標準。中國鐵道科學(xué)研究院在歷年研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了現(xiàn)行中—活載圖式實施30多年的工程實踐效果和鐵路運輸發(fā)展趨勢，并在圖式選型上與國際鐵路聯(lián)盟UIC圖式接軌，研究制訂了適用于我國不同線路特征的新活載圖式。目前，我國《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》(送審稿)已將“中—活載(2010)”活載圖式(本文稱為新活載)納入，鐵路管理部門正組織進行《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》的修訂，其中設(shè)計活載標準及配套設(shè)計參數(shù)也將進行修訂。新活載標準體系中包括ZC，ZK，ZKH和ZH活載，用于貨運鐵路設(shè)計的“ZH圖式”如圖2所示。對于新建貨運專線“ZH圖式”中的z＞1.1，在以貨運為主的重載鐵路巴準線適應(yīng)新活載的“ZH活載”研究中，應(yīng)綜合考慮增加的建設(shè)成本及未來運營能力，合理確定“ZH活載”中的z的取值。

圖1 中—活載圖式

圖2 ZH活載圖式

巴準線適應(yīng)新活載標準研究采用比較靜活載發(fā)展儲備系數(shù)的方法。世界重載鐵路運輸發(fā)達國家和地區(qū)主要包括美國、歐洲、巴西、澳大利亞、南非、俄羅斯等，通過研究各國的設(shè)計荷載標準對實際運營車的靜活載發(fā)展儲備系數(shù)統(tǒng)計出一個靜活載發(fā)展系數(shù)的合理區(qū)間。各國圖式的特點均是中小跨度的儲備量大于大跨度的，在80 m以上儲備量基本趨于平緩。其中，俄羅斯和美國活載圖式的平均靜活載發(fā)展儲備系數(shù)最大，為1.5以上;其次為UIC的25 t軸重線路，為1.3;其余國家相差不大，在1.2～1.3，見表1。

表1 各國鐵路設(shè)計荷載標準對實際運營車的靜活載發(fā)展儲備系數(shù)

我國《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)的“中—活載”對軸重23 t、載重70 t級通用貨車的靜活載儲備系數(shù)在1.1～1.5，平均為1.328，儲備量適當(dāng)?！爸小钶d”對25 t級專用敞車儲備系數(shù)在1.0～1.4，平均為1.106。部分小跨度(≤3 m)和大跨度(≥130 m)圖式的荷載效應(yīng)與車輛的荷載效應(yīng)已基本接近，沒有儲備(圖3)。因此，“中—活載”圖式對25 t軸重的專用敞車儲備偏低，且突出體現(xiàn)在小跨度和大跨度橋涵活載儲備偏弱。

圖3 “中—活載”對25 t級專用敞車(C80)的靜儲備

通過研究，巴準線適應(yīng)新活載標準體系中的1.0 ZH活載圖式，對于25 t軸重車輛的儲備系數(shù)在1.049～1.629(圖4)，平均值為1.209。儲備適當(dāng)，可以滿足25 t軸重貨車的安全運營要求。

3.2 巴準線重載列車縱向作用力研究

書中記錄了一些醫(yī)學(xué)認識，如疾?。喊]病、白痂、生瘡、燒傷、疥廯皮疹、禿發(fā)、衣物長霉、房屋長霉，但治療方法當(dāng)時非常簡單，就是知道什么是不潔的不碰，碰了以后要清洗或燒掉。而對于病人，當(dāng)時能夠使用的方法就是隔離或驅(qū)逐，因為沒有辦法治療。而制止一次瘟疫的方法竟然是殺死了兩個人，這與其說是用巫術(shù)的方法消滅瘟疫，不如說是用巫術(shù)的方法掩蓋殺人的罪行?？墒?，一些疾病恰恰來源于它們的生活習(xí)慣，來源于他們還不能認識的細菌和病毒。

我國《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》4.3.7條規(guī)定:“制動力或牽引力應(yīng)按列車豎向靜活載的10%計算”。通過研究發(fā)現(xiàn)，國家鐵路聯(lián)盟、德國、南非等國家的鐵路橋梁縱向力設(shè)計標準均大于我國，我國尚缺乏針對重載鐵路的橋梁縱向力的研究。我國既有鐵路重載運輸經(jīng)驗表明，橋梁支承體系病害比較突出。為了保證巴準線重載運輸安全，減少橋梁維護費用，本文針對巴準線橋梁結(jié)構(gòu)實際情況開展重載鐵路列車縱向力分布規(guī)律研究，為巴準線適應(yīng)新活載提供橋梁縱向力設(shè)計標準。巴準線重載列車縱向作用力研究利用非線性梁—軌一體化模型有限元分析技術(shù)，模型示意圖見圖5。

圖4 1.0 ZH對25 t軸重重載列車的靜活載發(fā)展儲備

圖5 縱向力計算模型示意

建立15跨巴準線32 m單線簡支梁模型，由墩臺制動力分布特征圖(圖6)可以看出，設(shè)置固定支座的橋臺、中墩橋墩的制動力大于規(guī)范值。設(shè)置固定支座的橋臺的最大制動力為豎向活載的29%，橋墩最大制動力為豎向活載的7%～14%。

圖6 橋梁墩臺制動力占豎向活載百分比

在巴準線7座橋梁工點中，涵蓋有單線橋、雙線橋、大橋、特大橋、等跨布置簡支T梁、不同配跨情況連續(xù)梁、不同橋跨形式連續(xù)梁、墩身剛度差異較小的多跨橋、剛度差異較大的多跨橋等多種橋梁墩臺結(jié)構(gòu)布置形式(表2)。

圖7給出了巴準線工點1墩臺水平力分析結(jié)果，其中列車制動力為實際萬噸運營列車(C80)在橋梁不同位置制動時根據(jù)梁—軌相互作用得到的橋梁墩臺水平反力的最大值;同時給出了豎向設(shè)計活載12.5%的計算值。研究結(jié)果表明，巴準線橋梁墩臺縱向力設(shè)計值應(yīng)取設(shè)計活載的12.5%。

表2 工點信息描述

圖7 工點1(哈拉溝大橋)墩臺水平力計算結(jié)果

3.3 新建巴準線橋涵結(jié)構(gòu)適應(yīng)新活載設(shè)計應(yīng)用研究

利用結(jié)構(gòu)性能分析技術(shù)和特大橋施工過程有限元模擬技術(shù)展開巴準線橋梁針對新老標準的檢算研究，給出設(shè)計改進措施，監(jiān)控納林川特大橋施工過程中的實際結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，與理論分析結(jié)果對比研究，驗證設(shè)計改進措施應(yīng)用效果。

依據(jù)“中—活載”和新活載標準對巴準線的簡支梁、連續(xù)梁、涵洞、橋墩及樁基礎(chǔ)進行檢算，檢算內(nèi)容包括梁體撓度、梁體混凝土應(yīng)力、梁體自振頻率、墩身應(yīng)力、樁基承載力等，具體檢算結(jié)果不再詳述。根據(jù)檢算結(jié)果，確定巴準線橋梁適應(yīng)新活載標準設(shè)計改進措施如下:

2)簡支梁。對通橋(2005)2101跨度32，24和16 m梁，修改部分鋼束規(guī)格。

3)連續(xù)梁。納林川特大橋(48+3×80+48)m連續(xù)梁調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋布置。

4)墩身。部分墩身主筋直徑由16 mm改為20 mm。

5)樁基。增加部分樁長。

納林川特大橋(38+3×80+48)m連續(xù)梁是巴準線體系最復(fù)雜、長度最長的橋梁，在其施工過程中，對其進行有限元理論分析(圖8)。根據(jù)新活載標準要求，分析其在新活載標準條件下混凝土應(yīng)力變化，并與現(xiàn)場實測結(jié)果對比。連續(xù)梁各工況的實測應(yīng)力與理論應(yīng)力比較一致，結(jié)構(gòu)受力安全，兩個懸臂受力趨勢相同，成橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)合理。連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力施加準確，線形良好，合龍精度高，大橋整體施工效果與設(shè)計要求比較一致，連續(xù)梁適應(yīng)新活載標準的設(shè)計措施得到落實。

圖8 連續(xù)梁仿真計算模型

4 經(jīng)濟社會效益分析

2011年，根據(jù)世界重載鐵路的發(fā)展趨勢和我國鐵路貨車技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計和運營現(xiàn)狀，《鐵路主要技術(shù)政策》(修訂版)已將既有線重載改造后的貨車軸重目標值定為27 t，新建重載鐵路貨車軸重目標值定為30 t及以上。發(fā)展大軸重重載運輸是我國鐵路的主要方向之一。

結(jié)合《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》編制過程中的研究成果和巴準線橋梁特點，基于ZH活載標準提出設(shè)計參數(shù)。在新建巴準線橋梁設(shè)計中局部優(yōu)化調(diào)整(增加少量預(yù)應(yīng)力束，增加截面或少量配筋)，使新建巴準線橋梁能夠適應(yīng)新設(shè)計活載標準(ZH活載圖式)。巴準線運營期間可以良好適應(yīng)25 t軸重貨車，通過與運營同樣列車的大秦等既有線路橫向比較，可以減少巴準線運營期間橋梁病害的出現(xiàn)，減少運營維護工作。同時，巴準線可以滿足27 t軸重貨車的使用，避免了橋梁加固，節(jié)約費用6 300萬元左右，包括全線橋梁支承體系改進費用4 500萬元左右，納林川特大橋的加固費用1 200萬元，其它墩臺基礎(chǔ)加固600萬元。

本課題研究成果為我國《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》橋梁章節(jié)的編制提供了技術(shù)支撐，為我國其他新建貨運鐵路提供了參考依據(jù)，相關(guān)研究成果在神華集團準池鐵路進行部分推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

1)現(xiàn)行設(shè)計活載(“中—活載”)已不能適應(yīng)鐵路重載運輸?shù)陌l(fā)展。中—活載(2010)中1.0 ZH對于25和27 t軸重車的靜活載發(fā)展儲備系數(shù)平均為1.2左右。巴準線適用1.0 ZH活載基本可以滿足25 t軸重車的安全運營需要。

2)現(xiàn)行規(guī)范中橋梁墩臺制動力按10%的中—活載設(shè)計明顯偏低;在橋墩剛度均勻的情況下，開行25 t軸重的專用敞車，巴準線墩臺結(jié)構(gòu)設(shè)計縱向力應(yīng)為設(shè)計活載的12.5%;由于墩臺之間剛度的差異，設(shè)置縱向固定支座的橋臺承受的縱向力較大，約為橋墩的一倍，需要采用增加錨固螺栓直徑等措施，以增大橋臺支座縱向抗剪能力。

3)經(jīng)過設(shè)計檢算研究，巴準線橋梁結(jié)構(gòu)通過采用設(shè)計改進措施，可以達到適應(yīng)新活載標準的需要。

4)連續(xù)梁的應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果與理論分析結(jié)果對比表明，公涅爾蓋溝大橋(60+100+60)m連續(xù)梁和納林川特大橋2×(48+3×80+48)m連續(xù)梁的預(yù)應(yīng)力施加準確，線形良好，合龍精度高，大橋整體施工效果與設(shè)計要求比較一致，連續(xù)梁適應(yīng)新活載標準的設(shè)計措施得到落實。

5)巴準線橋梁結(jié)構(gòu)采用本文課題研究成果，完全具備良好運營25 t軸重列車需求，同時具備運行27 t軸重列車的試驗條件。

本文研究成果對于擬采用27 t軸重車輛的新建鐵路具有重要的指導(dǎo)價值，經(jīng)濟和社會效益顯著。

［1］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［3］中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司．TB 10015—2010鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［4］付建軍，張濤．采用新設(shè)計活載標準提升巴準線重載運營能力的研究［J］．鐵道建筑，2013(4):38-41．

［5］宋福．混凝土連續(xù)梁成橋方法對結(jié)構(gòu)和施工支架受力狀態(tài)的影響分析［J］．鐵道建筑，2013(5):1-4．

［6］李帥，劉乙建，班新林．巴準線公涅爾蓋溝大橋(60+100+ 60)m連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力施工控制研究［J］．鐵道建筑，2014 (11):6-10．

(責(zé)任審編李付軍)

U441+．2

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．01

1003-1995(2015)03-0001-04

2014-09-05;

2014-10-26

張濤(1970—)，女，山東榮城人，高級工程師。