《铁路列车荷载图式》制定研究

胡所亭，魏峰，王丽，蔡超勋

（1. 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081；2. 中国铁路总公司 科技管理部，北京 100844）

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《铁路列车荷载图式》制定研究

胡所亭1，魏峰2，王丽1，蔡超勋1

（1. 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081；2. 中国铁路总公司 科技管理部，北京 100844）

编者按

列车荷载是铁路线路基础设施设计的重要荷载，也是铁路区别于其他交通的主要特征。由于铁路客货运列车、运维列车种类多，通常将线路可能运营的列车概化为统一的列车荷载图式，作为对线路基础设施作用特征的表达形式。列车荷载图式代表运营列车作用特征，包络运营列车作用量值，并通过预留合理的储备和发展系数满足移动装备发展需要。《铁路列车荷载图式》对适用于不同线路类型的列车荷载图式进行了规定，该标准适用于新建铁路设计，改建铁路设计可参照执行。《铁路列车荷载图式》是铁路行业重要的基础性标准，在铁路移动装备发展和固定线路基础设施匹配方面进行了顶层设计，在满足不同类型铁路线路基础设施设计的同时，也为铁路移动装备发展提供支撑，具有重要意义。

铁路列车荷载图式是铁路列车对线路工程结构静态作用的概化表达形式，主要用于铁路桥涵结构的设计。随着我国铁路运输的发展，不同类型线路的运营列车在轴重、速度、运输密度等方面具有较大差异，单一列车荷载图式难以反映新形势下的铁路运输特征。自20世纪90年代以来，我国研究制定了适用于高速铁路、城际铁路、客货共线铁路、重载铁路的列车荷载图式，形成了铁道行业标准TB/T 3466—2016《铁路列车荷载图式》。回顾我国铁路列车荷载图式的研究和发展情况，重点对各种类型荷载图式及相应动力系数的研究思路进行研讨，并提出进一步研究方向。

列车荷载；荷载图式；发展历程；动力系数

铁路列车荷载图式是铁路列车对线路静态作用的概化表达形式，主要用于铁路桥涵结构的设计，通过在图式静效应基础上采用动力系数考虑列车动态作用。制定列车荷载图式时，一般在运营列车效应基础上预留合理储备与发展系数，以适应机车车辆装备技术的发展。早期多将“列车荷载”称为“活载”。此次研究除对应既有图式等描述外，统一表述为“列车荷载”。

1 铁路列车荷载图式研究与应用情况

20世纪50年代，我国铁路以“蒸汽机车+煤水车+车辆”为原型，研究制定了用于客货共线铁路设计的中-Z活载图式；70年代中期，在中-22级活载图式的基础上，研究制定了中-活载图式[1]；90年代以来，根据不同类型客货线路运输特征，较系统开展了列车荷载图式的研究工作，为适应不同类型铁路运输特征，我国研究制定了适用于高速铁路、城际铁路、客货共线铁路、重载铁路的列车荷载图式。铁路列车荷载图式研究情况见表1。

2016年，我国铁路颁布了TB/T 3466—2016《铁路列车荷载图式》，对适用于不同线路类型的列车荷载图式进行规定（见表2）。由于列车荷载图式除直接用于桥涵结构强度设计外，对桥梁结构刚度、频率等都有直接或间接影响，其对于列车速度的适应性也是通过控制结构刚度、频率等动力学指标实现的；此外，列车纵向力（机车牵引力、列车制动力）、离心力等也是在荷载图式基础上通过采用相应系数计算得到的。因此，当选用的图式与线路类型不一致时，应研究确定图式配套的参数体系。

2 客货共线和重载铁路列车荷载图式制定研讨

2.1 运营实践经验

我国在客货共线铁路列车荷载图式制定方面积累了丰富的实践经验。采用中-活载图式（见图1）设计的桥涵结构，适应了铁路蒸汽、内燃、电力机车牵引，适应了铁路货车由载重50 t级向60 t级、70 t级升级和普速旅客列车、动车组列车开行。目前，全路轴重21 t、载重60 t级货车和轴重23 t、载重70 t级货车分别约占货车总量的58%和35%，是运营货车的主力车型；典型铁路通用敞车与中-活载图式对跨度1~200 m桥涵作用效应比平均约为77%（见图2），即桥涵结构在列车荷载图式方面具有20%左右的储备与发展系数。客货共线铁路桥涵结构运维实践证明，在运营列车和列车荷载图式间预留合理的储备能够有助于降低运维工作量。

表1 铁路列车荷载图式研究情况

表2 铁路列车荷载图式

图1 中-活载图式

图2 铁路通用敞车效应与列车荷载图式效应对比

大秦重载铁路桥涵结构也采用中-活载图式设计，目前开行的25 t轴重运煤专用敞车重达83.3 kN/m，超过图式中代表车辆荷载（80 kN/m）。值得注意的是，大秦铁路桥梁跨度均在32 m及以下，采用列车荷载图式加载计算时，图式中代表煤水车荷载92 kN/m，更为控制结构设计，即实际车辆每延米重约为设计值的90%。从大秦铁路专用敞车效应与列车荷载图式效应对比（见图3）可以看出，受轴重、邻轴加载控制的跨度16 m以下的桥涵结构，运营列车荷载效应接近列车荷载图式，导致运营期间维修与改造的工作量大[5]。

客货共线列车运行速度相对较低，列车速度效应一般不会引起结构在竖向出现较大的振动或共振现象，桥涵结构设计主要以强度控制设计为主。列车动效应采用动力系数进行描述，动力系数是在大量实测数据基础上拟合得到的，具有实际意义，设计时根据结构的类型、跨度计算得到。2005年，考虑到蒸汽机车不再作为铁路的牵引动力，对桥梁动力系数进行了适当降低（见图4）。我国尚未针对重载铁路制定专门的动力系数，现阶段参照客货共线铁路取用。列车对桥涵结构动效应通过动力系数进行考虑后，荷载图式制定主要考虑移动装备发展定位和合理储备系数。

图3 大秦铁路专用敞车效应与列车荷载图式效应对比

图4 客货共线铁路桥梁动力系数

2.2 客货共线铁路列车荷载图式

客货共线铁路列车主要以机车牵引货物列车或旅客列车为主，牵引动力已由蒸汽机车发展为内燃和电力机车，图1代表蒸汽机车轴重的5个220 kN的集中荷载、煤水车的92 kN/m均布荷载原型已不存在。荷载图式制定时，在符合移动装备特点和发展的同时，尚应结合既有约10万km的客货共线铁路网综合确定，满足新建客货共线铁路与既有路网间的互联互通要求，即新制定的列车荷载图式首先应符合铁路客货运输装备特征，考虑合理的储备量，但不宜大幅提高设计荷载图式的效应。

普通荷载图式选型方面与国际铁路联盟（UIC）Load Model 71图式[6]（简称UIC图式）相一致，由集中荷载和均布荷载组成。经论证，4个代表轴重及邻轴加载效应的集中荷载取250 kN，代表车辆加载效应的均布荷载取85 kN/m；同时提出了4轴特种荷载，荷载值仍按250 kN取用，荷载间距由普通荷载图式的1.6 m调整为1.4 m，提高对影响线加载长度短的混凝土桥涵及钢桥杆（构）件的加载效应；形成了我国客货共线铁路列车荷载图式——ZKH荷载图式（见表2）。ZKH荷载图式可包络25 t轴重机车车辆效应，与既有中-活载图式效应相比，截面弯矩加载效应适当提高，截面剪力加载效应基本相当（见图5）；ZKH荷载图式用于替换既有中-活载图式。

图5 ZKH荷载图式与中-活载图式加载效应比

2.3 重载铁路列车荷载图式

在重载铁路列车荷载图式研究之初，提出在ZKH荷载图式基础上采用不小于1.0的荷载系数 z 取用。随着我国重载运输实践，对大轴重货车在轴重、相邻车辆间四轴加载作用特征认识也在不断深入。重载列车采用的牵引杆技术使得车辆间邻轴距离进一步降低，目前30 t轴重货车邻轴距低至1.50 m，比货车转向架固定轴距1.86 m更小，更为控制小跨度桥涵结构的加载效应（见图6）。此外，虽然随着轴重的提高，货车每延米重总体也在提高，但两者并不同比例增长[7]。

图6 大轴重货车车体参数示意图

为了使列车荷载图式更符合重载列车作用特征，同时避免取用过大的荷载系数 z ，研究提出将ZKH荷载图式中的特种荷载进行局部修定，将集中荷载量值由250 kN增大至280 kN，荷载间距1.40 m保持不变，形成了我国重载铁路列车荷载图式——ZH荷载图式（见表2）。综合考虑我国铁路主型运输品类型、移动装备技术发展等因素，我国新建重载铁路应能适应轴重30 t以上、载重100 t级货车发展需求，根据荷载储备发展系数平均值不小于1.20、最小值不小于1.10的原则，荷载系数 z 建议取1.30。

综上，客货共线铁路和重载铁路列车荷载图式的制定思路与我国既有中-活载图式总体一致，在确定移动装备发展定位的基础上，预留合理的发展储备系数综合制定；新的荷载图式更符合现代铁路运输特征。重载铁路列车荷载图式在支撑我国新建重载铁路设计的同时，也可为后续利用客货共线铁路发展重载运输提供借鉴。

3 高速铁路和城际铁路列车荷载图式制定研讨

3.1 国际研究路线

国际铁路联盟研究制定的UIC荷载图式为概化图式，涵盖了集中牵引的旅客列车和重载货车、高速动车组等6种运营列车。由于车型、运营速度等差异，不同列车引起的桥梁的动力系数具有较大差异，难以用统一的公式予以描述。国际铁路联盟提出了列车荷载图式与“设计动力系数”、运营列车与“运营动力系数”配套使用的理念，即桥梁设计时应满足列车荷载图式效应大于运营列车效应，即“铁路荷载图式静效应×设计动力系数”>“运营车辆静效应×运营动力系数”。国际铁路联盟制定的“设计动力系数”是概化的公式，考虑不同等级线路养修，为跨度或加载长度的函数，并无实际意义；而实际“运营动力系数”主要考虑移动荷载效应和轨道、车轮不平顺影响两部分。对于高速动车组，会出现“设计动力系数”小于“运营动力系数”的情况；由于高速动车组车体自重较轻，仍能保证设计列车荷载效应大于运营列车效应[8-10]。

日本采用接近于实际运营列车的N、P和H等标准荷载图式进行桥梁的设计，对于运营不同车辆的线路，分别通过不同的动力系数予以考虑，而不区分“设计动力系数”和“运营动力系数”的概念。动力系数也主要考虑移动荷载效应和轨道、车轮不平顺影响两部分。为适应近年来新干线高速化发展的现状，在进行大量车、线、桥动力计算分析和试验的基础上，引入了新的动力系数计算方法；对于由于连续移动荷载引起的动力系数，根据不同的车辆类型制订了基于“梁跨与车辆长度的比值”查照图表[11-12]。

综上，国际铁路联盟和日本在高速铁路列车荷载图式研究方面采用了不同的路线。国际铁路联盟基于互联互通的要求等因素，采用的是包络荷载图式，日本采用了接近于实际运营列车的荷载图式；国际铁路联盟采用了统一概化动力系数，日本则针对不同跨度、基频等参数制定了系列的动力系数查照图表。

3.2 高速铁路列车荷载图式

20世纪90年代，基于我国高速铁路速度目标值、本线与跨线列车的运输模式、必要时满足货物列车运行条件，综合考虑高速列车、机车牵引旅客列车、机车牵引轻型货车以及养路机械车辆等，以及荷载图式与国际接轨等因素，研究提出将0.80倍UIC荷载图式作为普通荷载图式，配套提出了特种荷载图式，形成了我国高速铁路列车荷载图式——ZK荷载图式（见表2）。经前期研究论证，在配套动力系数方面，采用了UIC图式配套的动力系数（精确养修线路）。

从我国客货共线铁路与国际铁路联盟动力系数规定对比（见图7）可以看出，与我国通过实测数据拟合的动力系数相比，国际铁路联盟在跨度67 m以上桥梁结构不计入动力系数以及结合线路养修等级制定不同动力系数的思路，差异较大。

图7 我国客货共线铁路与国际铁路联盟动力系数规定对比

ZK荷载图式在型式上与前述客货共线ZKH荷载图式相类似，但两者物理意义方面有明显的区别。一是对于跨度67 m以下的桥涵结构，“ZK荷载图式静效应×设计动力系数”>“运营车辆静效应×运营动力系数”，并可能会出现运营动力系数大于设计动力系数的情况；而对于跨度67 m以上的桥梁结构，由于设计系数为1.00，相应地“ZK荷载图式静效应”>“运营车辆静效应×运营动力系数”，即荷载图式需要包络运营列车静动效应。

理论和试验表明，高速列车运行条件下桥梁结构可能会产生较大的动力系数。由于对于不同跨度的桥梁，ZK荷载图式静效应、设计动力系数、高速列车静效应均是确定的，只能将动力系数限值到一定范围来满足荷载图式效应大于运营列车效应的条件，此时可行的方案是通过合理确定梁体的频率，提高车桥共振速度范围（见图8）。

图8 研究思路流程

3.3 城际铁路列车荷载图式

对于仅开行高速列车的城际铁路，研究提出将0.60倍UIC荷载图式作为普通荷载图式，配套提出了特种荷载图式，形成了我国城际铁路列车荷载图式——ZC荷载图式（见表2），并取用与高速铁路相同的设计动力系数。

城际铁路荷载标准体系与高速铁路基本一致[13]。采用ZC荷载图式设计，列车荷载图式效应降低了25%；基于设计列车效应大于运营列车效应的原则，高速铁路运营动力系数的限值也需要降低25%（见图8）。相应地，需要进一步提高梁体的频率，达到降低运营动力系数的目的。为了避免频率、刚度指标过于控制结构的设计，ZC荷载图式适用于一定的速度范围，推荐在设计速度200 km/h及以下的城际铁路使用。

3.4 关于列车荷载图式取用的研讨

桥上高速列车运营的安全性和舒适性与桥梁频率、刚度等动力学指标相关，在相同速度条件下桥梁的动力学设计指标与荷载图式的选取并无直接关系。即无论是采用ZK、ZC荷载图式设计的桥梁，或者是直接采用高速动车组作为设计荷载，在相同速度条件下需要满足高速列车安全、舒适运营的目标是相同的，对桥梁的动力学性能要求是相同的。

列车荷载图式差异主要影响桥梁强度设计。以跨度32 m、时速350 km高速铁路标准梁桥为例，由ZK荷载图式调整为ZC荷载图式进行设计，由于桥上高速列车安全性、舒适性要求没有改变，梁体频率、刚度等指标不应随着列车荷载图式的降低而随之降低，可优化调整的主要为用于强度设计、长期变形设计的预应力束等。当然，其前提是采用ZC荷载图式必须保证荷载图式效应大于运营列车效应（见图8）；当不满足时，若通过提高频率的方式予以解决，将会导致动力学指标更为控制桥梁设计，也是不经济的。

除了采用设计荷载图式外，高速铁路桥梁也可采用高速动车组进行设计，这也是日本一直以来采用的研究路线，采用高速动力组进行设计，首先要针对不同跨度、不同动力学的桥梁特性制定详尽的动力系数；还要研究制定配套参数体系。此外，对于我国采用制运架建造模式的高速铁路标准梁桥适用性也需要进一步研究。

综上，高速铁路和城际铁路列车荷载图式的制定思路与国际铁路联盟总体一致，虽然仍采用了“荷载图式”和“动力系数”形式，但与我国既有中-活载图式制定思路具有明显差异。由于高速列车对桥梁动力性能要求高，不应简单地按高速列车静效应与荷载图式静效应进行对比。对于仅考虑运行动车组的线路，降低设计荷载图式是进一步研究的方向，但应同时研究制定完善的配套参数体系。

4 结束语

经过多年的实践和研究，我国铁路制定了适用于不同运输特征的铁路列车荷载图式。后续工作中，还需进一步开展配套竖向动力系数、横向摇摆力、离心力、纵向牵引力和制动力等研究工作，并结合铁路线路基础设施设计转轨工作，进一步完善基于可靠性理论的列车荷载标准体系。

[1] 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].

[2] 中华人民共和国铁道部. TB 10621—2009 高速铁路设计规范[S].

[3] 国家铁路局. TB 10623—2014 城际铁路设计规范[S].

[4] 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所. 铁路中-活载图式修订和分级标准研究[R]. 北京，2005.

[5] 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所. 新建货运铁路列车荷载标准研究[R]. 北京，2016.

[6] UIC. Load to be considered in railway bridge design[S]，2006.

[7] 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.

[8] 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所. 客运专线铁路常用跨度桥梁结构刚度和基频标准研究报告[R]. 北京，2009.

[9] UIC Code. Track/bridge Interaction Recommendations for calculations[S]，2001.

[10] BRITISH STANDARD. Eurocode 1：Actions on structures：Part2：Traffic loads on bridges[S]，2003.

[11] 日本铁道综合技术研究所. 日本铁路结构设计标准和解释：混凝土结构[S]，2004.

[12] 杜宝军. 中外铁路荷载标准制定方法及中国高铁荷载标准“走出去”适应性分析[J]. 中国铁路，2016(9)：10-16.

[13] 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所. 时速250公里及以下客运专线（城际铁路）设计活载及桥梁结构相关技术标准研究报告[R]. 北京，2011.

责任编辑李葳

Development and Research of Train Load Schema

HU Suoting1，WEI Feng2，WANG Li1，CAI Chaoxun1
（1. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Science and Technology Management Department，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China）

The train load schema is a generalized expression mode of the static effect of trains on the engineering structure of railways and is mainly used in the structure design of railway bridges and culverts. With the development of China’s railway transportation, great differences exist in operating trains on different types of railways in terms of axle load, speed, transport density and other aspects. Therefore, it is diff cult to ref ect the features of railway transportation in the new context with a single load schema. Since 1990s, China has developed the train load schemas for high-speed railways, intercity railways, mixed passenger and freight railways and heavy-haul railways, having formed the standard of the railway industry-TB/T 3466-2016 Train Load Schema. Reviewing the research and development of China’s train load schema, this article focuses on the research idea of different types of load schemas and corresponding dynamic coeff cient and puts forward further research orientation.

train load；load schema；development history；dynamic coeff cient

U442.5

A

1001-683X（2017）04-0001-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.04.001

2016-12-20

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（Z2016-G001）；铁道科学技术研究发展中心项目（J2015G005）

胡所亭（1980—），男，副研究员，博士。E-mail：tinghs@rails.cn