新建巴准线桥梁对重载铁路新活载标准适应性研究

张涛

(神华包神铁路集团公司，内蒙古包头014014)

新建巴准线桥梁对重载铁路新活载标准适应性研究

张涛

(神华包神铁路集团公司，内蒙古包头014014)

新建巴准线是神华集团重载运输铁路网的重要组成部分。在巴准线建设过程中，我国重载铁路新活载标准已经确定，既有活载标准已经不能满足重载运输需要。本文通过比较国内外重载铁路静活载发展储备系数论证了巴准线适应新活载标准中的1.0级ZH活载;通过梁轨一体化分析获得巴准线桥梁重载运输列车纵向力分布规律，据此将桥梁纵向刚度设计标准提升到设计活载的12.5%;采用新老活载标准验算巴准线桥梁结构性能，从而确定设计改进措施;通过施工监控系统地验证了改进设计后巴准线桥梁成桥状态良好。研究成果提升了巴准线承载能力，扩大了运营发展空间。

重载铁路 ZH活载图式 纵向力 桥梁施工监控

1 工程概述

新建铁路巴准线位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗和准格尔旗境内，线路自包神铁路巴图塔站引出，沿公涅尔盖沟，经准格尔召、四道柳、暖水、纳林、西五色、浪沟、十里长川、黑岱沟，接入大准铁路点岱沟站，正线全长128.102 km，疏解线6.395 km，总计134.497 km。新建巴准线桥涵主要为小跨度涵洞、标准跨度简支梁结构和大跨度连续梁。其中，简支梁上部结构采用“通桥(2005)2101”混凝土T梁通用参考图;连续梁桥梁是巴准线建设中的重点工程，分别是公涅尔盖沟大桥(中心里程DK08+749.663)的(60+ 100+60)m连续梁、纳林川特大桥(中心里程DK083 +801.655)的2×(48+3×80+48)m连续梁。

根据神华集团铁路的发展规划，到“十二五”末期，神华自有铁路运营总里程将达到3 300 km，基本形成西到银川、北到蒙古国、东到黄骅港、天津港、山东东营、龙口港，并连接大秦线、集通线的自有铁路网，初步形成以煤运通道为骨干、集疏运系统相配套的煤运重载铁路网络构架。将开行万吨和两万吨以上的重载列车，保证神华多个亿吨级煤炭基地的投产使用。在这个网络规划中，新建巴准线是西连包神线、东接大准线的重要联络线，也是蒙西煤炭资源外运的重要通道。保证巴准线的重载运输能力对于提升神华集团铁路网的整体服务水平意义重大，同时也关系着我国西煤东运的整体战略布局。

巴准线建设期间我国重载铁路规范正在编制，其中重载铁路设计活载图式已经确定，提升轴重已被明确提升为未来重载铁路运输重要发展方向。新建巴准线桥梁设计依据现行的《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)，设计活载为“中—活载”图式。既有运营经验表明，依据现行“中—活载”设计的桥梁已经不能很好地适应25 t轴重及以上列车的重载运输。为了满足巴准线未来重载运输需求，提升大轴重货车运输能力，在其建设期间开展新建巴准线桥梁适应新活载标准体系的研究十分必要。

2 研究思路

1)收集分析巴准线设计和建设资料，了解巴准线建设目标和设计标准。

2)系统地收集分析我国重载铁路研究和试验成果。研究巴准线在重载铁路新活载标准体系中具体适用的活载图式及参数等级，确定巴准线适应新活载标准后可以适应的活载轴重水平。

3)总结巴准线连续梁桥和典型简支梁桥桥墩纵向刚度分布规律，进行重载列车纵向力传递规律的研究，提出巴准线桥梁下部结构适应新活载标准所需要的制动力设计标准。

4)结合巴准线典型桥梁的设计资料，分别根据既有中—活载标准和新活载标准对巴准线桥梁结构进行检算分析，研究桥梁结构在不同活载标准下的性能，确定巴准线桥梁适应新活载标准需要改进的关键设计参数。

5)提出巴准线桥梁适应新活载标准的设计改进措施，并在工程中应用。

6)在巴准线桥梁建设过程中，利用监控设备，依据新活载标准验证桥梁结构的设计改进措施的效果及成桥性能。

3 关键技术

3.1 新建巴准线桥梁对新活载标准的适应性研究

巴准线依据的是现行“中—活载”图式(图1)。为适应新时期铁路运输发展的需要，原铁道部科技司于2004年立项，明确要求结合我国铁路的实际情况，研究和制订客货共线和货运铁路桥梁活载标准。中国铁道科学研究院在历年研究成果的基础上，总结了现行中—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，并在图式选型上与国际铁路联盟UIC图式接轨，研究制订了适用于我国不同线路特征的新活载图式。目前，我国《重载铁路设计规范》(送审稿)已将“中—活载(2010)”活载图式(本文称为新活载)纳入，铁路管理部门正组织进行《铁路桥涵设计基本规范》的修订，其中设计活载标准及配套设计参数也将进行修订。新活载标准体系中包括ZC，ZK，ZKH和ZH活载，用于货运铁路设计的“ZH图式”如图2所示。对于新建货运专线“ZH图式”中的z＞1.1，在以货运为主的重载铁路巴准线适应新活载的“ZH活载”研究中，应综合考虑增加的建设成本及未来运营能力，合理确定“ZH活载”中的z的取值。

图1 中—活载图式

图2 ZH活载图式

巴准线适应新活载标准研究采用比较静活载发展储备系数的方法。世界重载铁路运输发达国家和地区主要包括美国、欧洲、巴西、澳大利亚、南非、俄罗斯等，通过研究各国的设计荷载标准对实际运营车的静活载发展储备系数统计出一个静活载发展系数的合理区间。各国图式的特点均是中小跨度的储备量大于大跨度的，在80 m以上储备量基本趋于平缓。其中，俄罗斯和美国活载图式的平均静活载发展储备系数最大，为1.5以上;其次为UIC的25 t轴重线路，为1.3;其余国家相差不大，在1.2～1.3，见表1。

表1 各国铁路设计荷载标准对实际运营车的静活载发展储备系数

我国《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)的“中—活载”对轴重23 t、载重70 t级通用货车的静活载储备系数在1.1～1.5，平均为1.328，储备量适当。“中—活载”对25 t级专用敞车储备系数在1.0～1.4，平均为1.106。部分小跨度(≤3 m)和大跨度(≥130 m)图式的荷载效应与车辆的荷载效应已基本接近，没有储备(图3)。因此，“中—活载”图式对25 t轴重的专用敞车储备偏低，且突出体现在小跨度和大跨度桥涵活载储备偏弱。

图3 “中—活载”对25 t级专用敞车(C80)的静储备

通过研究，巴准线适应新活载标准体系中的1.0 ZH活载图式，对于25 t轴重车辆的储备系数在1.049～1.629(图4)，平均值为1.209。储备适当，可以满足25 t轴重货车的安全运营要求。

3.2 巴准线重载列车纵向作用力研究

书中记录了一些医学认识，如疾病：癞病、白痂、生疮、烧伤、疥廯皮疹、秃发、衣物长霉、房屋长霉，但治疗方法当时非常简单，就是知道什么是不洁的不碰，碰了以后要清洗或烧掉。而对于病人，当时能够使用的方法就是隔离或驱逐，因为没有办法治疗。而制止一次瘟疫的方法竟然是杀死了两个人，这与其说是用巫术的方法消灭瘟疫，不如说是用巫术的方法掩盖杀人的罪行。可是，一些疾病恰恰来源于它们的生活习惯，来源于他们还不能认识的细菌和病毒。

我国《铁路桥涵设计基本规范》4.3.7条规定:“制动力或牵引力应按列车竖向静活载的10%计算”。通过研究发现，国家铁路联盟、德国、南非等国家的铁路桥梁纵向力设计标准均大于我国，我国尚缺乏针对重载铁路的桥梁纵向力的研究。我国既有铁路重载运输经验表明，桥梁支承体系病害比较突出。为了保证巴准线重载运输安全，减少桥梁维护费用，本文针对巴准线桥梁结构实际情况开展重载铁路列车纵向力分布规律研究，为巴准线适应新活载提供桥梁纵向力设计标准。巴准线重载列车纵向作用力研究利用非线性梁—轨一体化模型有限元分析技术，模型示意图见图5。

图4 1.0 ZH对25 t轴重重载列车的静活载发展储备

图5 纵向力计算模型示意

建立15跨巴准线32 m单线简支梁模型，由墩台制动力分布特征图(图6)可以看出，设置固定支座的桥台、中墩桥墩的制动力大于规范值。设置固定支座的桥台的最大制动力为竖向活载的29%，桥墩最大制动力为竖向活载的7%～14%。

图6 桥梁墩台制动力占竖向活载百分比

在巴准线7座桥梁工点中，涵盖有单线桥、双线桥、大桥、特大桥、等跨布置简支T梁、不同配跨情况连续梁、不同桥跨形式连续梁、墩身刚度差异较小的多跨桥、刚度差异较大的多跨桥等多种桥梁墩台结构布置形式(表2)。

图7给出了巴准线工点1墩台水平力分析结果，其中列车制动力为实际万吨运营列车(C80)在桥梁不同位置制动时根据梁—轨相互作用得到的桥梁墩台水平反力的最大值;同时给出了竖向设计活载12.5%的计算值。研究结果表明，巴准线桥梁墩台纵向力设计值应取设计活载的12.5%。

表2 工点信息描述

图7 工点1(哈拉沟大桥)墩台水平力计算结果

3.3 新建巴准线桥涵结构适应新活载设计应用研究

利用结构性能分析技术和特大桥施工过程有限元模拟技术展开巴准线桥梁针对新老标准的检算研究，给出设计改进措施，监控纳林川特大桥施工过程中的实际结构性能参数，与理论分析结果对比研究，验证设计改进措施应用效果。

依据“中—活载”和新活载标准对巴准线的简支梁、连续梁、涵洞、桥墩及桩基础进行检算，检算内容包括梁体挠度、梁体混凝土应力、梁体自振频率、墩身应力、桩基承载力等，具体检算结果不再详述。根据检算结果，确定巴准线桥梁适应新活载标准设计改进措施如下:

2)简支梁。对通桥(2005)2101跨度32，24和16 m梁，修改部分钢束规格。

3)连续梁。纳林川特大桥(48+3×80+48)m连续梁调整预应力筋布置。

4)墩身。部分墩身主筋直径由16 mm改为20 mm。

5)桩基。增加部分桩长。

纳林川特大桥(38+3×80+48)m连续梁是巴准线体系最复杂、长度最长的桥梁，在其施工过程中，对其进行有限元理论分析(图8)。根据新活载标准要求，分析其在新活载标准条件下混凝土应力变化，并与现场实测结果对比。连续梁各工况的实测应力与理论应力比较一致，结构受力安全，两个悬臂受力趋势相同，成桥结构应力状态合理。连续梁预应力施加准确，线形良好，合龙精度高，大桥整体施工效果与设计要求比较一致，连续梁适应新活载标准的设计措施得到落实。

图8 连续梁仿真计算模型

4 经济社会效益分析

2011年，根据世界重载铁路的发展趋势和我国铁路货车技术的发展，结合我国铁路基础设施设计和运营现状，《铁路主要技术政策》(修订版)已将既有线重载改造后的货车轴重目标值定为27 t，新建重载铁路货车轴重目标值定为30 t及以上。发展大轴重重载运输是我国铁路的主要方向之一。

结合《重载铁路设计规范》编制过程中的研究成果和巴准线桥梁特点，基于ZH活载标准提出设计参数。在新建巴准线桥梁设计中局部优化调整(增加少量预应力束，增加截面或少量配筋)，使新建巴准线桥梁能够适应新设计活载标准(ZH活载图式)。巴准线运营期间可以良好适应25 t轴重货车，通过与运营同样列车的大秦等既有线路横向比较，可以减少巴准线运营期间桥梁病害的出现，减少运营维护工作。同时，巴准线可以满足27 t轴重货车的使用，避免了桥梁加固，节约费用6 300万元左右，包括全线桥梁支承体系改进费用4 500万元左右，纳林川特大桥的加固费用1 200万元，其它墩台基础加固600万元。

本课题研究成果为我国《重载铁路设计规范》桥梁章节的编制提供了技术支撑，为我国其他新建货运铁路提供了参考依据，相关研究成果在神华集团准池铁路进行部分推广应用。

5 结论

1)现行设计活载(“中—活载”)已不能适应铁路重载运输的发展。中—活载(2010)中1.0 ZH对于25和27 t轴重车的静活载发展储备系数平均为1.2左右。巴准线适用1.0 ZH活载基本可以满足25 t轴重车的安全运营需要。

2)现行规范中桥梁墩台制动力按10%的中—活载设计明显偏低;在桥墩刚度均匀的情况下，开行25 t轴重的专用敞车，巴准线墩台结构设计纵向力应为设计活载的12.5%;由于墩台之间刚度的差异，设置纵向固定支座的桥台承受的纵向力较大，约为桥墩的一倍，需要采用增加锚固螺栓直径等措施，以增大桥台支座纵向抗剪能力。

3)经过设计检算研究，巴准线桥梁结构通过采用设计改进措施，可以达到适应新活载标准的需要。

4)连续梁的应力监控结果与理论分析结果对比表明，公涅尔盖沟大桥(60+100+60)m连续梁和纳林川特大桥2×(48+3×80+48)m连续梁的预应力施加准确，线形良好，合龙精度高，大桥整体施工效果与设计要求比较一致，连续梁适应新活载标准的设计措施得到落实。

5)巴准线桥梁结构采用本文课题研究成果，完全具备良好运营25 t轴重列车需求，同时具备运行27 t轴重列车的试验条件。

本文研究成果对于拟采用27 t轴重车辆的新建铁路具有重要的指导价值，经济和社会效益显著。

［1］中华人民共和国铁道部．TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［2］中华人民共和国铁道部．TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［3］中铁第四勘察设计院集团有限公司．TB 10015—2010铁路无缝线路设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2010．

［4］付建军，张涛．采用新设计活载标准提升巴准线重载运营能力的研究［J］．铁道建筑，2013(4):38-41．

［5］宋福．混凝土连续梁成桥方法对结构和施工支架受力状态的影响分析［J］．铁道建筑，2013(5):1-4．

［6］李帅，刘乙建，班新林．巴准线公涅尔盖沟大桥(60+100+ 60)m连续梁预应力施工控制研究［J］．铁道建筑，2014 (11):6-10．

(责任审编李付军)

U441+．2

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．01

1003-1995(2015)03-0001-04

2014-09-05;

2014-10-26

张涛(1970—)，女，山东荣城人，高级工程师。