我国既有铁路桥涵对大轴重货车开行适应性分析

胡所亭，牛 斌，柯在田

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

世界重载运输发达的国家普遍认为，大轴重的单元或大宗列车具有较好的经济性。国外重载运输多是在未对基础设施进行大规模投资建设情况下，通过对既有铁路的改造、采用预防性养护维修体制和完善轮轨管理等措施实现的。由于各国铁路既有线设计标准、工艺水平存在差异，线路改造后运营的货车轴重也具有较大的差异。国外重载铁路开行的货车轴重大多集中在28.0～32.5 t之间，最大轴重可达40 t。我国既有线设计、建设标准相对低且不统一，比国外单一线路情况复杂。目前，我国铁路开行的普通货车轴重为21～23 t，运煤专用货车轴重为25 t，与重载运输发达国家相比具有一定差距，重载列车和普通货车轴重均有一定的提高空间。

我国既有铁路桥涵大量采用标准设计，常用跨度桥梁一般采用钢筋混凝土或预应力混凝土双片式T梁结构，两片T梁间多采用横隔板联结，部分20m以下的双片式T梁无横向联结。桥梁的类型以混凝土梁为主，6 m及以下跨度一般采用钢筋混凝土盖板涵或框架涵;钢筋混凝土梁跨度多为8～20m;预应力混凝土梁跨度多为12～40m，其中绝大部分为16 m，24 m和32 m梁;更大跨度多采用预应力混凝土连续梁桥。跨度40m及以下的钢桥多采用简支钢板梁桥，40m以上的跨度多采用穿式或半穿式钢桁梁桥。

货车轴重的提高，相应加大了作用在轨道、桥梁和路基等结构上的荷载，需要评估基础设施的适应性问题，特别是桥梁承载能力。原则上既有线开行的重载列车效应不宜超过结构物的设计活载效应，以避免对基础设施进行大范围的改造或大幅增加运营期间养护维修工作量。通过介绍我国铁路设计活载标准和货车的发展历程，对运行不同轴重货车作用下1～200m跨度的桥梁活载效应进行对比分析，结合既有研究成果分析了既有桥涵开行大轴重货车需要解决的关键问题，并提出了我国既有线开行的货车轴重和参数建议值。

1 我国铁路设计活载标准和货车发展历程

铁路列车活载图式是设计各类铁路工程结构的技术标准，也是桥梁设计的核心参数。新中国成立以来，我国《铁路桥涵设计规范》共正式颁布实施(含修订)过6次，分别为1951年、1959年、1975年、1985年、2000年和2005年版本。1951年“规范”采用中-Z活载图式(图1)，按铁路不同等级分别采用中-22～中-26级活载图式;1959年“规范”沿用中-Z活载图式，按铁路不同等级分别采用中-18～中-26级活载图式;1975年及以后“规范”统一采用中—活载图式(图2)。中—活载图式主要源自中-Z活载图式系列的中-22级，但修订时考虑到牵引车辆重量的增加、机车与车辆重量比的降低等因素，将代表车辆的均布荷载66 kN/m提高到80 kN/m，将特种活载轴重由242 kN提高至250 kN。为适应新时期铁路运输发展的需要，铁道部于2004年立项研究客货共线和货运铁路桥梁活载标准，分析了现行“中—活载图式”实施30多年的工程实践效果和铁路运输发展趋势，新的图式选型上与国际UIC图式接轨，并研究制订了适用于我国不同线路特征的新中—活载图式。

图1 中-Z活载图式(长度单位:m)

图2 中-活载图式(长度单位:m)

在货车制造技术方面，新中国成立初期，我国自行研制了第1代铁路货物列车，包括 C1、P1、P3、N1和G3等型车，其中C1和P1为当时主型货车，轴重分别为10.88 t和11.60 t。20世纪50年代，研制了第2代货车C50和P50，轴重分别为17.5 t和17.9 t。20世纪60年代—80年代，研制了C62和C64货车，轴重分别为20.15 t和20.88 t。21世纪初，研制了轴重23 t、速度120 km/h、载重70 t级的新型通用货车，并于2006年全面推广应用70 t级货车，并停止生产60 t级货车;同时针对重载运输需求，研制了以 C80(H)、C80B(BH)、C80AH、C80C为代表的新型25 t轴重运煤专用敞车。近年来，针对我国重载铁路领域新的发展需求，铁道部开展了大轴重货车技术等相关研究，并提出了《大轴重铁路货车总体技术条件(暂行)》。

图3 铁路货车轴式(长度单位:m)

2 C70和C80货车作用下桥涵结构竖向承载适应性分析

针对既有采用“中—活载”图式设计的桥涵结构，以设计活载图式静效应为基准，分别计算了C70货车和C80货车运行条件下(图3)，1～200m跨度范围桥涵截面弯矩和剪力静效应比值(图4和表1)。C70货车作用下，1～200m跨度桥梁截面弯矩和剪力静效应分别为设计效应的0.67～0.92和0.70～0.92，平均静效应比值为0.75。C80货车作用下，受轴重加载控制，跨度3 m及以下的小跨度桥涵活载效应与设计效应相同;受货车均布荷载加载控制，跨度140m及以上的大跨度桥梁活载效应超过设计效应;1～200m跨度桥梁截面弯矩和剪力静效应分别为设计效应的0.82～1.02和0.85～1.00，平均静效应比值为0.91。

目前，我国铁路已全面开行了23 t轴重的通用货车，从理论分析和运营实践看，桥涵结构在竖向承载能力方面能够适应23 t轴重货车的开行。大秦线已开行了25 t轴重的专用货车，该货车单节车体长度为12.0m，均布荷载达83.3 kN/m，超过中—活载图式中的代表车辆的均布荷载(80.0 kN/m);但由于大秦线桥梁全部为跨度32 m及以下的混凝土结构，中—活载图式中代表煤水车的均布荷载(92.0 kN/m)更为控制桥涵结构设计，即除小跨度桥涵运营活载效应达到设计效应外，大秦线其余跨度桥涵尚具有少量的活载储备量。通过逐步对小跨度桥涵进行强化改造，大秦线桥涵结构竖向承载方面基本适应25 t轴重的专用货车的开行;但若在既有铁路全面开行C80货车，尚需要解决钢梁桥杆(构件)和大跨度桥梁受力问题。

图4 货车车辆与设计活载作用下桥涵静效应对比

表1 货车与设计活载作用下桥涵静效应对比

3 大轴重货车作用下桥涵结构竖向承载适应性分析

我国《大轴重铁路货车总体技术条件(暂行)》规定了25 t以上的货车固定轴距为1.86 m。针对既有采用“中—活载”图式设计的桥涵结构，以轴重27 t、轴距1.86 m的货车为例，分别考虑邻轴距和车体定距(图5)变化时，计算1～200m跨度范围桥涵截面弯矩和剪力静效应比值，分析车辆邻轴距、定距和车体长度等参数对桥涵受力产生的影响。从图6可以看出:①车辆轴距确定、其余参数变化的情况下，跨度5m及以下的桥涵静效应比值保持不变，即车辆轴距主要影响5m及以下跨度桥涵受力;②邻轴距确定、其余参数变化情况下，跨度20m以下的桥涵静效应比值基本保持不变，即车辆邻轴距主要影响6～20m范围的桥梁受力;③随着车辆邻轴距和定距的增大，车体长度相应增加，对跨度20m以上的桥涵结构影响相应降低。

图5 铁路货车轴式定义

图6 车辆参数对桥涵结构的影响

3.1 5m及以下跨度桥涵适应性分析

受轴重、轴距加载控制，大轴重货车对小跨度桥涵影响最为显著。在27 t轴重、1.86 m轴距货车作用下，1～5m跨度桥涵的运营活载效应与设计活载效应的比值分别为 1.08，1.08，1.08，0.99，0.97，其中 1 ～3 m跨度桥涵超过设计活载效应的8%。同时，由于重载列车作用下，小跨度桥涵的疲劳次数将进一步增加，其受力更为不利;大秦线运营实践也表明，25 t货车开行的条件下，桥涵结构呈现出明显的不适应性。因此，大轴重货车开行前，应对该部分桥涵进行评估和强化改造。

3.2 跨度6～20m桥梁适应性分析

跨度6～20m的桥梁受邻轴距加载控制，不同邻轴距的27 t轴重货车与设计静效应对比结果如图7，可以看出，随着邻轴距加大，运营活载与设计活载静效应比值相应降低;其中，邻轴距为1.94 m，2.25m，2.50m，2.94 m时，静效应比值分别在0.90～1.03、0.88～0.98，0.87～0.95和0.85～0.91。我国既有铁路存在大量的跨度6～20m桥梁结构，大轴重货车的开行应以不改造或少量改造该部分桥梁为原则。根据我国《铁路桥涵设计基本规范》中双线桥梁设计活载按0.90折减的规定，同时参考C80专用货车静效应比值，新型27 t轴重货车的邻轴距不宜小于2.94 m。

图7 邻轴距参数对跨度6～20m桥梁结构影响

3.3 跨度20m以上桥梁适应性分析

图8 车体长度参数对跨度20m以上桥梁结构影响

跨度20m以上桥梁受货车均布荷载加载控制，不同车体长度的27 t轴重货车与设计静效应对比结果如图8，可以看出，随着车体长度的增加，运营活载与设计活载静效应比值相应降低，车体长度为13.0m，13.5m，14.0m，14.5m和15.0m时，静效应比值分别在 0.85～1.02，0.84～0.98，0.82～0.95，0.80～0.92和0.78～0.89之间。根据我国《铁路桥涵设计基本规范》中双线桥梁设计活载按0.90折减的规定，新型27 t轴重货车的车体长度不宜小于15.0m;考虑到既有铁路跨度100.0m以上的桥梁多为连续梁结构，且原设计加载计算时中—活载图式可任意截取，偏于安全，建议新型27 t轴重货车的车体长度不小于14.0m。

3.4 大轴重货车运行条件下桥梁动力系数分析

我国铁路桥梁通过设计动力系数(1+μ)考虑活载的动力效应，铁路桥梁规范规定的动力系数是根据大量实测动力系数拟合得到的。规范修订时，考虑到铁路机车类型已由蒸汽机车向内燃和电力机车过渡，适当降低了动力系数取值。针对各种货车车型运行条件下的桥梁动力系数进行了仿真分析(图9)，结果表明，除小跨度桥梁理论计算值明显大于规范值以外，其余跨度理论值和规范值基本吻合，受车辆长度、转向架动力性能影响，不同货车运行条件下动力系数具有一定的差异。

图9 不同跨度混凝土桥梁动力系数对比

综上，大轴重货车各项参数对于桥涵结构受力具有直接的影响，对于27 t轴重的通用货车(图10)，除需对跨度5m及以下的桥涵进行竖向强化改造和对钢梁桥杆(构件)进行评估外，既有铁路桥涵的竖向承载力理论上能够满足27 t轴重的通用货车开行(图11)要求。

图1027 t轴重通用货车参数建议(单位:m)

图11 27 t轴重通用货车与设计活载作用下桥涵静效应对比

4 既有铁路桥涵开行大轴重货车需解决的关键问题

既有桥涵对重载货物列车适应性是一个涉及范围很广泛的问题，需要综合考虑桥涵当初的设计荷载和标准、建造年代、材料、制造工艺水平、结构和构造细节设计、设计的安全余量，以及在长期使用中由于列车荷载作用和环境影响及偶发事件引起的桥梁损伤等诸多因素。货物列车提高轴重对于桥涵结构的作用表现在竖向、横向和纵向三个方面，开行大轴重货车需要解决以下关键问题。

1)货物列车对于桥梁竖向的影响包括承载能力和疲劳性能两方面。其中，承载能力受影响较大的结构为小跨度钢筋混凝土桥涵(分片式盖板涵尤为突出)、16～32 m的全预应力混凝土梁(抗裂性控制)及墩台基础;疲劳性能受影响较大的结构为小跨度桥涵和钢梁结构。

2)货物列车对于桥梁横向的影响主要表现在引起桥梁结构较大的横向振动，且影响行车安全。受影响较大的结构为双片式并置梁、中高型桥墩及采用橡胶支座的桥梁等。

3)货物列车对于桥梁纵向的影响主要表现在桥梁支座和墩台纵向受力方面。我国既有桥梁下部结构承受的纵向作用力主要考虑列车牵引和制动，在量值上统一按竖向荷载的10%考虑。随着货车轴重的提高和同步制动性能改善，列车产生的纵向荷载已达到或超过设计值，桥梁支座及墩台病害日益突出。

此外，针对既有铁路桥梁调研表明，修建于20世纪60年代及以前的桥涵结构耐久性病害逐步凸显，在外观上主要表现在梁体表面混凝土剥落、钢筋锈蚀和支座钢板锈蚀等;既有梁体检测结果表明混凝土碳化深度已达到(部分超过)钢筋保护层厚度，需特别予以关注。

5 结语

提高货车轴重能显著提高运输效率，具有良好的经济性;与国外相比，我国铁路货车轴重具有一定的提高空间，通过发展更大轴重货车以满足铁路货运需求是必要的。根据理论分析结果，结合大秦线运营实践及我国铁路桥涵运营现状，建议我国新型27 t轴重货车邻轴距不小于2.94 m、车体长度不小于14.0m。除需对既有铁路跨度5m及以下的桥涵进行竖向强化改造和对钢梁桥杆(构件)进行评估外，桥涵结构的竖向承载力理论上能够满足27 t轴重的通用货车开行。由于需要综合考虑既有铁路桥涵当初的标准、建造情况及使用中结构损伤病害等因素，在既有铁路提高货车轴重的过程中还需要开展系列的试验研究和长期监测工作。

［1］中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.大秦线年运量2亿吨条件下桥梁结构加固和寿命评估试验研究报告［R］.北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，2011.

［2］中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.重载铁路发展趋势及关键技术深化研究报告［R］.北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，2011.

［3］中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.新建煤运通道设计荷载标准及相关参数研究报告［R］.北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，2011.

［4］中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.客货分线后线桥隧适应货运重载关键技术及相关运输模式研究报告［R］.北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，2011.

［5］耿志修.大秦铁路重载运输技术［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

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