重载列车编组次序对桥梁疲劳损伤的影响

王丽，赵欣欣，程建中，刘英伟

(1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2．朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平034000)

重载列车编组次序对桥梁疲劳损伤的影响

王丽1，赵欣欣1，程建中2，刘英伟2

(1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2．朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平034000)

针对我国既有客货共线铁路开行27 t轴重重载列车的情况，就不同编组次序的重载列车对于典型跨度桥梁的损伤度进行研究，以期得到使桥梁疲劳损伤达到最小的合理编组方式。采用STAAD/ PRO有限元软件建立典型跨度简支梁模型，将不同编组次序的重载列车通过简支梁，计算得到跨中弯矩历程，然后采用雨流法对弯矩历程进行分析，计算得到不同编组次序的列车通过桥梁时产生的损伤度。通过研究，掌握了编组次序对于不同跨度桥梁疲劳损伤的影响程度，并对合理的重载列车编组方式提出建议。

重载列车;编组次序;简支梁;弯矩;损伤度;疲劳

20世纪50年代以来，重载铁路运输以显著增加运量、提高运输效率并且降低运输成本，受到世界各国铁路部门的广泛重视［1-3］。2005年国际重载协会(IHHA)在巴西年会上规定重载运输应满足下列3项条件中的两项:①列车重量至少达到8 000 t;②轴重(计划轴重)在27 t及以上;③在至少150 km线路区段上单线年运量超过4 000万t。

在我国作为重载铁路专线的大秦线，目前主要采用的是25 t的C80货车，通过增加车辆的节数和运营密度来实现重载运输;虽在列车重量和年运量上达到了IHHA所规定的重载运输，但在轴重发展上却小于IHHA的规定，与其它重载技术发达国家的列车轴重相比，相差较大。

通过增大列车轴重来实现重载运输是我国继高速铁路客运专线之后铁路建设发展的重要方向。与客运专线不同，重载铁路主要是在既有铁路上通过挖掘潜力、强化改造来实现重载运输。结合我国机车车辆的发展和既有铁路基础设施的情况，我国铁路对机车车辆发展的合理轴重定位进行了研究，结果表明在合理确定货车参数、适当强化部分基础设施的前提下，既有线路基本可满足轴重27 t通用货车的开行，因此我国客货共线铁路可在现有轴重23 t、载重70 t级通用货车基础上研究发展轴重27 t、载重80 t级通用货车［4］。

由于我国客货共线铁路货物运输存在多样化的特点，车辆编组和载重也不可能统一均匀。为了掌握不同编组和载重条件下，重载列车对于桥梁疲劳损伤的影响，选择几种重载机车、车辆，研究不同编组次序下的损伤度，提出能使桥梁损伤度达到最小的合理编组方式，为我国重载列车的开行提供技术支持。

1　计算方法

采用STAAD/PRO计算软件建立有限元模型，将不同编组条件下的疲劳列车转化为移动荷载列通过典型跨度简支梁，计算跨中静弯矩历程，再采用雨流法统计得到弯矩谱，即弯矩幅值与次数的关系。然后依据公式(1)计算得到不同编组条件下疲劳列车对于桥梁的损伤度［5］

式中:D为损伤度;Mi为桥梁跨中弯矩幅值;ni为对应于桥梁跨中弯矩幅值Mi的循环次数。

2　计算工况的确定

桥梁的计算跨度选择4，8，16，32，64，128 m 6种常见跨度。机车选择HXD2和谐机车，货车选择轴重27 t的C80DH敞车和P80型棚车，它们的图式如图1、图2、图3所示。

图1　HXD2型重载机车(长度单位:m)

图2　C80DH型敞车(自重26 t，载重80 t;长度单位:m)

图3　P80型棚车(自重27 t，载重80 t;长度单位:m)

共制定了6种计算工况如下:

工况1，机车+敞重+敞轻+敞空+棚重+棚轻+棚空;

工况2，机车+敞空+敞轻+敞重+棚空+棚轻+棚重;

工况3，机车+敞重+敞空+敞轻+棚重+棚空+棚轻;

工况4，机车+敞重+棚重+敞轻+棚轻+敞空+棚空;

工况5，机车+敞空+棚空+敞轻+棚轻+敞重+棚重;

工况6，机车+敞重+棚重+敞空+棚空+敞轻+棚轻。

工况1—工况6下，列车的编组方式见表1。

表1　不同计算工况下的列车编组

3　损伤度分析

采用STAAD/PRO计算得到了不同工况下各种跨度梁的跨中弯矩历程，32 m梁在不同列车编组条件下的跨中弯矩历程见图4。采用雨流法统计得到了弯矩幅值与循环次数的关系，并对损伤度进行计算，见表2。

4，8，16，32，64，128 m几种跨度的最大最小损伤度和相应列车编组见表3。

从表3中可以看出:

1)损伤度最大的工况是在车辆轴重前后变化差异较大的情况下，如工况2和工况3;损伤度最小的工况是车辆轴重前后变化差异较小的情况下，如工况4和工况5。

2)小跨度(4 m)和大跨度(128 m)桥梁受编组次序的影响较小，中等跨度(32 m)桥梁受编组次序的影响较大。原因是由于小跨度桥梁的损伤度受车辆轴重和轴距影响较大，即每个轴或者每个转向架经过就会引起一次疲劳损伤;大跨度桥梁的损伤度受列车总重和列车全长影响较大，即一列车经过才会引起一次疲劳损伤，而车辆编组次序对这几个参数几乎没有影响。而对于中等跨度桥梁，其损伤度不仅与车辆轴重、轴距有关，还与车辆长度、重量相关，即大致1～2节车经过时会引起一次疲劳损伤，因此编组次序对其影响较大。

图4　32 m梁跨中弯矩历程

表2　32 m梁在不同工况下的损伤度

表3　各种跨度在不同工况下的损伤度比较

3)在实际车辆编组时，建议尽量采用工况4或工况5的编组方式，将重车、轻车、空车统一编组，并按照由重到轻或者由轻到重，重量渐变的方式排序，避免由重到空的突变，导致对桥梁产生较大的疲劳损伤。

4　结论

针对我国既有客货共线铁路开行27 t轴重重载列车的情况，就重载货物列车不同编组情况，对于典型跨度桥梁的损伤度进行了研究分析。结果表明:编组次序对小跨度和大跨度桥梁损伤的影响较小，对中等跨度桥梁的影响较大;车辆轴重前后变化差异较小时，桥梁的损伤度较小。因此建议将重车、轻车、空车统一编组，并按照由重到轻或者由轻到重，即以重量渐变的方式排序，避免由重到空的突变，导致对桥梁产生较大的疲劳损伤。

［1］钱立新．世界重载铁路运输技术的最新进展［J］．机车电传动，2010(1):3-7．

［2］钱立新．国际铁路重载运输发展概况［J］．国外铁路，2002，24(12):55-56．

［3］I．Korpanec，等．欧洲增加轴重的现状及展望［J］．国外铁道车辆，2007，44(6):1-6．

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

［5］潘际炎．铁路钢桥疲劳可靠度设计及铁路桥梁疲劳荷载谱研究［R］．北京:铁道部科学研究院，1990．

(责任审编 孟庆伶)

Inf luence of M arshalling Sequence of Heavy Haul Train on Fatigue Damage of Bridge

WANG Li1，ZHAO Xinxin1，CHENG Jianzhong2，LIU Yingwei2
(1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Yuanping Branch，Shuohuang Railway Development Co．，Ltd．，Yuanping Shanxi 034000，China)

The heavy haul train with 27 taxil loads may be operated on rail ways for both freights and passengers in China．Them arshalling sequence has asignificant effect on bridges with typical span lengths．In this paper，this influence was studied to optimizem arshalling sequence leading to am inimum fatigue damage．A simply supported beam model with typical span lengths was set up by ST AAD/PRO finite element software．The moment history at the mid-span was calculated under load cases with different marshalling sequences．The rain flow method was used to analyze the moment history to obtain damage degrees of each load case．In this way，the influence of marshalling sequence of heavy haul train on bridge fatigue damage was investigated，and corresponding suggesting on marshalling mode was proposed．

Heavy haul train;Marshalling sequence;Sim ply supported beam;Mom ent;Dam age degree;Fatigue

U441+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．01

1003-1995(2016)11-0001-04

2016-07-06;

2016-09-02

王丽(1981—)，女，助理研究员，博士。