新型重载铁路跨度32 m双线预应力混凝土简支梁运营性能试验研究

魏峰（中国铁路总公司科技管理部，北京　100844）



新型重载铁路跨度32 m双线预应力混凝土简支梁运营性能试验研究

魏峰
（中国铁路总公司科技管理部，北京100844）

摘要新建山西中南部铁路通道是我国第一条采用300 kN轴重设计的重载铁路，开展实车重载试验研究是检验其运营性能是否满足重载运输要求的有效方法。本文针对该线用量最大的跨度32 m双线预应力混凝土简支梁，选择2座典型工点桥梁开展了300 kN轴重重载列车不同工况作用下的计算分析和静动力参数测试，以系统地掌握梁体的应力、挠度、振幅、振动加速度、动力系数、横向活载分配系数等受力状态。试验结果表明，桥梁运营性能满足300 kN轴重试验列车要求。研究成果可为后续结构设计优化和运营测试提供参考，并为我国重载铁路桥梁发展提供技术支撑。

关键词重载铁路；简支梁；运营性能；300 kN轴重；横向联结

以美国、加拿大、澳大利亚、南非为代表的重载运输发达国家正在不断发展和扩大列车质量，其中共同关键技术是货车轴重不断提高，轴重基本集中在280 ～325 kN，最大达到400 kN。我国既有重载铁路以运行230 kN轴重C70货车和250 kN轴重C80货车为主，牵引质量1万～2万t，其中大秦线为最具代表性的重载货运专线［1］。按照国际重载运输的标准要求，我国在牵引质量、运行里程和年运量方面均属世界前列，但在货车轴重方面还未达到国际重载标准要求［2］。

我国现行《铁路主要技术政策》要求“新建重载铁路设计速度不大于100 km/h，轴重不小于300 kN，列车牵引质量万吨级及以上”［3］。新建山西中南部铁路通道运营列车为新型300 kN轴重机车、车辆，线下工程按300 kN轴重标准设计，并首次采用了新型的桥梁、轨道、路基等结构形式。为检验新型结构在重载列车作用下的受力情况、评估其运营性能，中国铁路总公司选择山西中南部铁路通道长子南站（含）—平顺站（含）区段为综合试验段，于2014年9月—2015年1月组织开展了重载运输综合试验［4］。其中，桥梁作为铁路基础设施中的重要组成部分，是山西中南部铁路通道重载综合试验的重要内容之一。

1桥梁特征与主要结构尺寸

1. 1桥梁特征

我国既有普速铁路桥梁主要采用等跨布置的混凝土简支结构，常用跨度包括16，20，24，32 m等，设计活载主要采用中-活载图式［5］。从实际运营情况来看，既有铁路桥梁还存在一些问题，如梁体和桥墩横向刚度不足、板式橡胶支座开裂、摇轴钢支座销钉剪断、桥面防排水体系不完善等病害，影响了桥梁的正常运营性能，并加速了结构劣化发展［6］。

山西中南部铁路通道桥梁主要为混凝土结构，按300 kN轴重标准设计，设计活载采用“中-活载（2005）图式（z = 1. 2）”，见图1［7］。桥梁主要采用跨度16，20，24，32 m预应力混凝土简支梁，并以32 m跨度为主。针对既有铁路混凝土桥梁的常见病害问题，新建桥梁采用了横隔板处施加横向预应力的双线整体桥面板、双线整体桥墩、球型钢支座、新型TTXF弹性体伸缩缝等多种技术措施，取得了良好的应用效果。

图1　中-活载（2005）图式（z = 1. 2）（长度单位：m）

1. 2桥梁主要结构尺寸

跨度32 m双线预应力混凝土简支梁的设计图号为专桥（2010）2103-Ⅰ，直、曲线桥面布置见图2。梁体主要结构尺寸［8］：①梁全长32. 6 m，计算跨度32. 0 m；②梁高2. 6 m，轨底至梁底建筑高度3. 3 m，预制边梁顶宽2. 3 m、下缘宽0. 88 m、单片质量146. 18 t，预制中梁顶宽1. 7 m、下缘宽0. 88 m，单片质量138. 38 t；③双线铁路线间距4. 0 m，桥面宽8. 9 m，线间距在4. 0～5. 0 m时通过调整中梁间的湿接缝宽度来适应。

图2　1 /2桥面布置（单位：mm）

2　试验条件

2. 1试验列车编组及试验速度

重载试验列车编组分为5 000，8 000和12 000 t 共3种。试验主要速度档为60，70，80，90，100，110 km/h，共6个速度级，不同工况试验前进行地面测点的5 km/h准静态标定。

2. 2试验工点

选择试验段内2座典型桥梁的跨度32 m预应力混凝土梁做为试验工点。

2. 3结构计算分析模型

从梁体结构形式和受力特征来看，桥面板横向联结后双线梁与既有单线梁的主要区别在于，单线荷载作用下双线梁的4片梁之间存在偏载问题，此现象在重载作用下更为突出。为掌握双线预应力混凝土简支梁在运营单、双线荷载作用下的结构受力情况，分别采用MIDAS CIVIL，MIDAS FEA软件建立了梁体平面杆系单元模型和梁体空间实体模型，用以分析结构在不同荷载工况下的应力、变形情况。模型中材料强度、弹性模量、重度、泊松比等参数按现行设计规范取值，计算模型见图3。

图3　计算模型

2. 4试验工况和测点布置

试验工况主要包括静力性能试验和动力性能试验两部分。

静力性能试验分下行线（重车方向）单线加载和上下行线双线加载两种工况，每线的试验列车编组均为机车+ 6辆C96货车，每种加载工况分为3个轮位，加载顺序为轮位3→轮位2→轮位1，加载轮位布置见图4。测试内容主要包括跨中截面的应变和挠度，测点布置见图5。

图4　梁体静力性能试验加载轮位布置（单位：mm）

图5　梁体静力性能试验跨中截面应变测点布置示意（单位：mm）

桥梁动力性能试验准静态和各速度级均为试验列车单线通过工况，测试内容包括梁体跨中截面应变及动力系数、挠度及动力系数、竖向振幅、横向振幅、竖向振动加速度、横向振动加速度等。测点布置见图6。

图6　梁体动力性能试验跨中截面布置示意（单位：mm）

3　静力性能试验研究

3. 1梁体混凝土应力

工点1、工点2静力加载工况梁体混凝土应力实测结果见表1、表2。表中混凝土应力实测值和理论值计算时弹性模量均取设计值。试验结果表明：①双线对称加载时，两线梁体各承担约50％的活载，与计算状态吻合；②单线偏载加载时，1#—4#梁下缘混凝土应力沿横桥向呈线性递减趋势，两线梁体共同承担活载，加载侧梁体分配约70％的活载，空载侧梁体分配约30％的活载，分配规律与空间实体模型的计算状态吻合；③双线对称加载时，实测混凝土应力校验系数在0. 65左右，小于预应力混凝土梁应力校验系数通常值范围（0. 90～1. 00）［9］；④实测混凝土应变沿梁体截面高度呈线性变化分布，截面整体协同受力状态良好。

3. 2梁体挠度

表1　双线加载跨中截面混凝土应力测试结果

表2　单线加载跨中截面混凝土应力测试结果

表3　双线加载跨中挠度测试结果　mm

工点1、工点2双线静力加载工况梁体挠度实测结果见表3、表4。表中挠度计算时混凝土弹性模量取设计值。试验结果表明：①梁体双线、单线加载时，4片梁挠度沿横桥向的分布规律与混凝土应变分布规律一致，也与计算状态吻合，梁体变形状态正常；②双线加载时，梁体跨中挠度最大值为7. 93 mm，换算至设计静活载作用为11. 39 mm，挠跨比为1 /2 809，满足预应力混凝土梁竖向挠跨比通常值要求（1 /1 800），梁体竖向刚度满足要求；③双线加载时，实测梁体挠度校验系数在0. 65左右，小于预应力混凝土梁挠度校验系数通常值范围（0. 7～0. 8）［9］。

表4　单线加载跨中挠度测试结果　mm

4　动力性能试验研究

4. 1梁体混凝土动应变

试验列车以速度5 km/h准静态单线通过时，通过梁体跨中下缘混凝土应变推算的1#—4#梁活载分配情况见图7。分布特征与静力性能试验结果一致。

图7　通过梁体跨中下缘混凝土应变推算的1#—4#梁活载分配系数

5 000，8 000和12 000 t编组试验列车以不同速度级通过时，梁体跨中下缘混凝土动应变分布情况见图8。根据测试结果统计，梁体混凝土应变动力系数最大值为1. 103，小于动力系数设计值（1. 194）［10］。

4. 2梁体动挠度

试验列车以速度5 km/h准静态单线通过时，通过梁体跨中挠度推算的1#—4#梁活载分配情况见图9。分布特征与静力性能试验结果一致。

试验列车通过时梁体跨中动挠度分布情况见图10。根据测试结果统计，梁体挠度动力系数最大值为1. 182，小于动力系数设计值（1. 194）［10］。

4. 3梁体横向和竖向振幅

实测梁体跨中横向振幅统计情况见图11，实测横向振幅最大值为0. 90 mm，满足安全限值要求（3. 56 mm），并在通常值范围内（2. 54 mm）；横向振幅随车速增加而逐渐增大。

实测梁体跨中竖向振幅统计情况见图12。跨太焦线特大桥竖向振幅在0. 06～0. 92 mm之间，跨长晋高速公路特大桥竖向振幅在0. 08～1. 47 mm之间，竖向振幅随车速增加而逐渐增大。

图8　1#—4#梁混凝土动应变分布

图9　通过梁体跨中挠度推算的1#—4#梁活载分配系数

图11　横向振幅统计

图12　竖向振幅统计

4. 4梁体横向和竖向振动加速度

实测梁体跨中横向振动加速度统计情况见图13。振动加速度分布在0. 06～0. 36 m/s2之间，并随车速增加而逐渐增大；最大横向振动加速度为0. 36 m/s2，满足不应超过1. 4 m/s2的要求［9］。

图13　工点2横向振动加速度统计

实测梁体跨中竖向振动加速度统计情况见图14。2个工点桥梁的最大值分别为0. 77，1. 21 m/s2，满足不超过3. 5 m/s2的要求［10］。

图14　竖向振动加速度统计

5　结论与建议

1）实测梁体应力校验系数、挠度校验系数、竖向挠跨比等静力性能指标在规定范围内，动力系数、振幅、振动加速度等动力性能指标满足要求，桥梁运营性能正常，满足300 kN轴重试验列车运营要求。

2）双线桥的桥面板、横隔板为横向整体联结，两线梁体共同受力，单线列车作用下加载侧梁体分配活载约70％，空载侧梁体分配活载约30％。双线桥构造增强了桥梁的整体性，提高了梁体横向刚度，横向动力性能较单线梁有明显改善。

3）从移动装备技术的发展看，为更好地适应新型300 kN及以上大轴重货车开行，新建线路宜研究提高设计列车荷载标准。

参考文献

［1］中国铁道科学研究院.重载铁路发展趋势与关键技术深化研究报告［R］.北京：中国铁道科学研究院，2011.

［2］苏永华，胡所亭，谷牧，等. 27 t轴重混编货车作用下既有线钢筋混凝土梁受力特性试验研究［J］.铁道建筑，2015（1）：7-13.

［3］中华人民共和国铁道部. 2012年第34号部令铁路主要技术政策［Z］.北京：铁道部办公厅，2013.

［4］中国铁道科学研究院.山西中南部铁路通道重载综合试验大纲［R］.北京：中国铁道科学研究院，2014.

［5］胡所亭.我国铁路列车荷载图式的研究与应用［J］.铁道建筑，2015（10）：26-30.

［6］苏永华，陈心亮，张兴华，等.既有线开行重载货物列车后桥涵存在的主要问题［C］/ /铁路重载运输货车暨工务研讨会论文集.齐齐哈尔：中国铁道学会，2011.

［7］胡所亭.铁路重载条件下桥梁活载标准研究［D］.北京：中国铁道科学研究院，2013.

［8］中铁工程设计咨询集团有限公司.后张法预应力混凝土简支箱梁设计书（专桥［2010］2103-Ⅰ）［Z］.北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2010.

［9］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号铁路桥梁检定规范［S］.北京：中国铁道出版社，2004.

［10］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.

（责任审编孟庆伶）

Experimental Study on Operational Performance of 32 m Double-Track Prestressed Concrete Simply-Supported Girder on New-type Heavy Haul Railway

WEI Feng
（Science and Technology Management Department，China Railway Corporation，Beijing 100081，China）

AbstractNewly built Shanxi Central South Railway is the first heavy haul railway in China with 300 kN axial design load. Field test is an necessary approach to assess whether the bridge operation performance satisfies heavy haul transport requirements. T he research studied the performance of 32 m double-line prestressed concrete girder，the longest prestressed concrete simple span bridge in this railway. T wo typical bridge was selectred for dynamic and static tests loaded with 300 kN heavy haul wagons in different operation conditions and stress，deflection，amplitude，acceleration，dynamic coefficient and lateral live load distribution factor were analyzed. T he test results show the bridge operation performance satisfies 300 kN axial load test requirements. T he research may be useful for railway operation test and optimization of bridge design，contributing to heavy haul railway bridge development in China.

Key wordsHeavy haul railway；Simple supported span；Operation performance；300 kN axial load；Lateral connection

中图分类号U446. 1

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 01

文章编号：1003-1995（2016）06-0001-06

收稿日期：2016-01-10；修回日期：2016-05-08

基金项目：中国铁路总公司专项综合试验（Z2014-033）

作者简介：魏峰（1980—），男，高级工程师。