重载列车与既有铁路简支梁桥的适应性研究①

戴公连，朱俊樸，闫斌

(中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

近年来，我国的重载铁路建设进入了迅速发展的阶段［1－2］。继大秦、大准铁路上成功运行了25 t重载列车后，我国即将建成运行轴重30 t列车的山西中南部铁路和蒙西至华中运煤铁路等重载运输通道［3］。同时针对包神、神朔铁路等重载电气化运煤专线进行技术改造以提高列车轴重［4－5］。桥梁作为重载铁路建设和改造的重要工程结构之一，研究重载列车与既有铁路桥梁的适应性问题具有重要意义。为研究既有铁路24 m简支梁桥上运行轴重30 t重载列车的可行性，本文建立了考虑温度、收缩徐变和活载的24 m普铁标准简支T梁和高铁标准简支箱梁空间有限元分析模型，分析了2种简支梁桥在现行活载模式及温度、收缩徐变组合作用下，桥梁的应力、强度、抗裂和变形等指标。提出2种适用于轴重30 t重载列车运行的24 m简支梁桥结构。

1 既有铁路简支梁桥在现行活载模式作用下的受力特性

普铁简支T梁结构形式参照通桥(2005)2101－II(图1)，梁体采用C55混凝土，桥上铺设双线有砟轨道，二期恒载180 kN/m2。基于大型通用有限元软件建立梁格法模型。基于梁格法采用梁单元建立4片T梁，除支座附近单元数加密外，其余单元长度取1 m，每隔4 m设置横隔板1道，为增强横向联系，2道横隔板间设置虚拟横梁，虚拟梁容重取0。用梁单元建立湿接缝，材料强度同梁体，解除两端转动约束形成铰接。通过虚拟连杆将湿接缝两端节点与主梁节点连接起来。通过等效力法，把预应力等效成集中力进行偏心施加［6］。

考虑2列车在桥上交汇时的情况，采用杆单元模拟双线轨道并定义活载模式和行车方式，组合成2车活载通过全桥时的最不利活载工况。在中－活载荷载组合(自重+二期恒载+预应力+温度+收缩徐变+列车活载)的作用下，可得出边梁和中梁上、下缘应力包络图，见图2。

计算运营阶段正截面抗弯强度、正截面抗裂性、斜截面抗裂性、混凝土压应力、预应力钢筋应力幅、混凝土剪应力、传力锚固阶段预应力钢筋锚下控制应力、传力锚固阶段的混凝土法向应力、梁体的竖向挠度和梁端转角等指标，各项计算结果均符合我国现有规范要求［7］。

高铁简支箱梁结构形式参照通桥(2008) 2322A－I图纸，梁体混凝土标号取为C50，混凝土容重取26 kN/m2，桥上铺设双线无砟轨道，二期恒载为150 kN/m2，截面图见图3。

图1 普铁简支T梁跨中截面图Fig.1 Midspan sectional view of common railway T－shaped beam

在ZK活载荷载组合(自重+二期恒载+预应力+温度+收缩徐变+列车活载)作用下，可得出梁体上缘和下缘应力包络图，见图4。

计算ZK活载组合下梁体的受力和变形特性，各项计算结果均符合我国现有规范要求［8］。

2 既有铁路简支梁桥在30 t轴重ZH活载组合作用下受力特性

对于普铁简支T梁，计算30 t轴重ZH活载组合(自重+二期恒载+预应力+温度+收缩徐变+列车活载)作用下的受力和变形特性，得到边梁和中梁上、下缘应力包络图，见图5。

图2 中－活载荷载组合作用下的应力Fig.2 Stress diagram under the action of CR－live load

图3 高铁箱梁跨中截面示意图Fig.3 Midspan sectional view of high－speed railway box girder

图5 ZH活载荷载组合作用下T梁的应力Fig.5 Stress diagram of T－shaped beam under the the action of ZH live load

运营阶段下缘的最大拉应力0.28 MPa不满足现有铁路桥梁规范;边梁的正截面抗弯强度系数为1.85小于2.00，中梁的正截面抗弯强度系数为1.99小于2.00均不满足现有铁路桥梁规范;运营阶段正截面抗裂性、斜截面抗裂性、混凝土压应力、预应力钢筋应力幅、混凝土剪应力和传力锚固阶段预应力钢筋锚下控制应力、混凝土法向应力、梁体的竖向挠度和梁端转角等指标均满足我国现有铁路桥梁规范。

对于高铁简支箱梁，计算30 t轴重ZH活载组合(自重+二期恒载+预应力+温度+收缩徐变+列车活载)作用下的受力和变形特性，得到梁体上、下缘应力包络图，见图6。

通过计算，得出高铁简支箱梁的受力和变形特性情况，见表2。在ZH活载作用下:箱梁的运营阶段正截面抗弯强度系数为1.95小于2.00不满足现有铁路桥梁规范;运营阶段上(下)缘的应力值、正截面抗裂性、斜截面抗裂性、混凝土压应力、预应力钢筋应力幅、混凝土剪应力和传力锚固阶段预应力钢筋锚下控制应力、梁体的竖向挠度和梁端转角等指标均满足我国现有铁路桥梁规范。

表1 普铁简支T梁在中－活载、ZH活载组合作用下的主要计算结果Table 1 Main results under the action of CR－live load and ZH live load of common railway T－shaped simply－supported beam

表2 高铁简支箱梁在ZK活载、ZH活载组合作用下的主要计算结果Table 2 Main results under the action of ZK live load and ZH live load of high－speed railway simply－supported box girder

图6 ZH活载荷载组合作用下箱梁的应力Fig.6 Stress diagram of box girder under the action of ZH live load

3 适用于30 t重载列车的24 m简支梁设计

为了运行30 t轴重的重载列车，可以在普铁通桥(2005)2101－II和高铁通桥(2008)2322A－I的基础上，通过增大梁高、增加预应力筋数量等措施设计适合30 t轴重重载列车运行的24 m简支T梁和简支箱梁。

3.1 简支T梁的设计

重载货车轴重大、轴对数多，其列车活载效应相当于标准中活载的1.35倍左右。同时线路在平原地区和枢纽站场内梁高往往受限，但梁高过低则不能满足结构受力及梁体刚度的要求［9－10］，为提高梁体承载力且控制梁高，在通桥(2005)2101－II基础上，将梁高由2.10 m仅增加到2.30 m;腹板厚度根据结构受力、预应力筋和普通钢筋保护层厚度的要求，以及规范中关于腹板高不大于腹板厚度15倍的规定［7］，将腹板厚度增加到0.24 m，截面如图7所示。

由于重载铁路桥梁二期恒载和活载均较大［11－13］，为减小下缘拉应力需增加预应力，但预应力过大又会引起梁体变形加大，同时还影响存梁、运输时支点的设置位置。本文提出:中梁的预应力采用与边梁相同的配置形式，通过调整中(边)梁预应力布置提高简支T梁对重载列车的适应性［14－15］。

图7 本文设计的T跨中截面图Fig.7 Midspan sectional view of new designed T－shaped beam

表3 T梁预应力钢筋设计参数比较Table 3 Comparison of T－shaped beam prestressed reinforcement design parameters

计算30 t轴重ZH活载组合(自重+二期恒载+预应力+温度+收缩徐变+列车活载)作用下梁体的受力和变形特性，得出的计算结果均符合我国现有铁路桥梁规范［16］，见表4。

3.2 简支箱梁的设计

与通桥(2008)2322A－Ⅰ相比，本文设计的简支箱梁在截面尺寸方面，梁高由2.45 m增加到2.55 m，截面见图8。

图8 本文设计的箱梁跨中截面图Fig.8 Midspan sectional view of new designed box girder

表4 本文设计的简支T梁在中－活载、ZH活载组合作用下主要计算结果Table 4 Main results under the action of CR－live load and ZH live load of new designed T－shaped simply－supported beam

考虑重载铁路二期恒载较大，本设计取二期恒载为190 kN/m2。预应力钢束进行了部分调整，见表5。

计算30 t轴重ZH活载组合(自重+二期恒载+预应力+温度+收缩徐变+列车活载)作用下梁体的受力和变形特性，得出的计算结果均符合我国现有铁路桥梁规范［16］。其主要计算结果见表6。

表5 箱梁预应力钢筋设计参数比较Table 5 Comparison of T－shaped beam prestressed reinforcement design parameters

表6 本文设计的简支箱梁在ZH活载组合作用下主要计算结果Table 6 Main results under the action of ZH live load of new designed simply－supported box girder

3.3 本文梁型与既有铁路梁型经济性比

为满足重载铁路对刚度的更大要求，本文设计的简支T梁与普铁简支T梁相比，混凝土用量多6.71%，钢绞线用量多11.82%。本文设计的简支箱梁与高铁简支箱梁相比，混凝土用量增加2.44%，钢绞线用量增加10.14%。本文设计的简支T梁在ZH活载组合作用下的下缘最小应力比中－活载组合作用下小42.32%;简支箱梁在ZH活载组合作用下的下缘最小应力比ZK活载组合作用下小63.12%，箱梁的应力变化值较T梁的大。与普铁简支T梁相比，本文设计的T梁重量增加6.75%;与高铁简支箱梁相比本文设计的箱梁重量增加了4.23%。重载铁路简支T梁和简支箱梁的重量有一定程度的增加，这主要是由于重载铁路对刚度要求更大［17］。关键截面的应力与变形数据见表7。

表7 关键截面的应力与变形Table 7 Stress and deformation of the key cross－sections

4 结论

(1)对于高铁24 m简支箱梁而言，其抗弯强度系数为1.95;对于普铁简支T梁而言，其抗弯强度系数小于1.99，跨中下缘最大拉应力达0.28 MPa，均不满足现有铁路桥梁规范。这说明普铁和高铁24m简支梁并不适用于运行轴重30 t重载列车。

(2)对于本文提出的可用于30 t重载列车运行的24 m简支T梁和箱梁结构形式，在现行活载模式以及温度、收缩徐变组合作用下，两者受力及变形情况均满足现行规范的要求，且有较强的经济性。

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