朔黄重载铁路提速试验研究

石江

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350）

0 引言

近年来我国铁路事业蓬勃发展，尤其表现在重载铁路提速方面［1-2]。由于我国的重载铁路大多建于20 世纪90年代前，当时设计标准较低，且运营了一定年限，既有重载铁路能否满足全面提速的要求成为研究的首要问题［3-4]。

在重载铁路提速试验研究方面，罗慧刚［5]以朔黄铁路南运河特大桥为研究对象，通过有限元仿真分析结合现场动力性能试验，研究列车在提速作用下对桥梁结构动力性能的影响，结果表明，桥跨结构横向加速度值与列车轴重有关，横向振幅和横向加速度随速度增大而增大的趋势不显著。管天保［6]介绍沪宁线的特点及其面临的挑战和对策，以及沪宁线的旅客列车和货物列车提速试验情况，结果表明，目前的移频自动闭塞设备已不能适应需要，可将现有的8 min 追踪间隔改为7 min。龙卫国等［7-10]以朔黄线温塘河特大桥为例，采用一系轴箱悬挂货车模型，建立重载列车－有砟轨道－桥梁的空间动力学方程组，采用迭代求解，编制了相应重载铁路车－桥耦合振动分析程序，通过仿真计算和现场试验分析了重载列车速度对重载铁路简支梁桥的各种动力性能指标的影响，结果表明，列车速度对桥梁的各项动力性能影响较大，桥梁的各项动力指标随着列车速度的增加而增大，但不是线性递增。肖彦君［11]通过回顾我国既有铁路的提速， 重点论述目前全国既有铁路普遍提速的总体思路与目标以及普遍提速的关键技术，结果表明，列车提速后，可以在胶济线、浙赣线和鹰厦线上安全运行。重载铁路可以采取增加车辆轴重、提高牵引质量、提高列车运行速度等措施，使既有线路运能在较短时间内获得大幅度提升，顺利实现大幅度提高年运量的目标［12-13]。但无论哪种提高年运量的方式，都会改变原有列车运行状态，列车能否安全运行也不可知，因此需要有完整的评价体系去分析线路的平顺性和列车运行的安全性。而朔黄铁路部分区段为小半径大坡道，导致神池南—原平南、南湾—西柏坡区段重载列车限速为70 km/h，制约了朔黄铁路的运输能力的提高，如何提高该区段的运输能力成为一个热点问题。

由上述研究现状可以看出，目前针对重载铁路提速方面涉及的理论很少，而且大多数是以数值模拟为主，其分析结果的正确性有待试验验证。同时，对于重载铁路来说，线路提速对线路的运营状态提出了更高要求，需要全方位分析评价线路的稳定性。因此，以朔黄铁路北大牛—原平南区间上行线K75+200—K81+578的限制速度从75 km/h提高至80 km/h为例，进行重载列车提速试验线桥监测试验，可为今后重载铁路提速试验研究积累经验。

1 工程概况

以朔黄铁路北岗中桥（见图1）为对象，研究重载铁路提速对线路运营性能的影响。桥梁中心里程为K75+453，双线桥，全长88.26 m，桥跨布置为4×16 m。全桥位于直线-12‰的坡道上，重车线路为无缝线路，钢轨采用75 kg/m、Ⅲ型轨枕。桥梁上部结构采用粗钢筋先张法预应力混凝土T 梁，梁高1.9 m，重车线T 梁采用纵向预应力碳纤维板加固，横隔板处采用横向预应力加固；下部结构采用双线圆端形桥墩和T 型桥台，桥墩全高12.2～14.2 m，墩底横向宽度7.35～7.42 m；0号台采用扩大基础，其余墩台均采用桩基础，扩大基础基底为卵石土，设计荷载均为中-活载，地震基烈度8度，最大冻结深度1.1 m。

2 试验方案

根据朔黄铁路工务设备特点及病害情况，在上行线选择有代表性的桥涵工点进行监测，以评估重载列车提速的安全性及对工务设备的影响。

2.1 试验列车与试验速度

排DF4B+4 节C80重车+DF4B以5 km/h 速度（反方向）通过各试验工点，进行准静态标定。各工点之间的速度不作限定。

试验列车采用普列、1 万t 列车和2 万t 列车，重载列车以70、75、80 km/h 的试验速度通过试验段。每一编组下，每速度档进行3次试验。在正式试验之前，安

图1 朔黄重载铁路北岗中桥

2.2 测试方法与设备

梁体、墩柱的振幅和加速度采用振动传感器直接测试。强振频率通过截取列车通过时段的振动时域波形作频谱分析求取。梁体动应变采用应变传感器直接或组成桥路，配合数据采集与处理系统进行测试。梁体竖向动挠度和支座动位移采用位移计，配合数据采集与处理系统进行测试。

桥梁动力性能测试采用高精度、高稳定性的传感器和网络分布数据采集分析系统，建立数据自动采集、远程无线传输和数据处理一体化测试系统，保证检测数据的有效性。整个检测系统包括数据传感系统、采集系统、远程控制系统、无线传输系统和供电系统，实现了采集无人值守、数据实时分析（见图2）。

图2 桥梁动力性能测试系统

2.3 测点布置

试验工点K75+453北岗中桥选择3孔梁体与相应桥墩进行测试，具体测点布置见图3。测点现场布置见图4。

图3 K75+453北岗中桥测点布置图

3 适应性分析

3.1 梁体跨中挠度与挠跨比

3.1.1 准静态挠度与挠跨比

在运行速度5 km/h 的准静态标定列车（DF4B+4C80+DF4B）荷载下，第4 孔梁体跨中挠度典型时域波形见图5。从图中可以看出实测梁体跨中挠度1.07 mm，理论计算值2.61 mm，挠度校验系数0.410。换算至中-活载作用下的挠度为1.33 mm，换算挠跨比1/12030，小于《铁路桥梁检定规范》（铁运函〔2004〕120 号）（简称《桥检规》）普通高度预应力混凝土梁跨中竖向挠跨比通常值1/1800，说明挠跨比未超限，梁体结构处于安全状态。

3.1.2 动挠度与速度关系

在重载列车作用下，第4孔梁体跨中挠度典型时域波形见图6，梁体跨中最大挠度与行车速度关系见表1。通过对比图6 和表1 可以看出实测梁体挠度最大值为1.25 mm，出现在C80货车以68 km/h速度通过的时间点。实测梁体跨中挠度与行车速度关系不是很明显，但梁体跨中挠度实测值随列车轴重加载效率的增加而增大，说明增加轴重对梁体性能影响比较大。

3.2 跨中横向、竖向振幅

3.2.1 横向振幅

在重载列车作用下，第2～4 孔梁体跨中横向振动典型时域波形见图7，梁体跨中最大横向振幅与行车速度关系见表2。

通过对比图7 和表2，可以发现不同列车编组下，C64、C70、C80列车作用第2 孔梁体跨中最大横向振幅分别为0.16、0.17 和0.24 mm，第3 孔梁体跨中最大横向振幅分别为0.18、0.18 和0.26 mm，第4 孔梁体跨中最大横向振幅分别为0.21、0.21 和0.20 mm，均小于《桥检规》货车（V≤80 km/h）下预应力混凝土梁跨中横向最大振幅值1.27 mm。各类货车作用下，梁体跨中横向振幅随行车速度增加增长幅度较小，而且在试验车速范围内未发现梁体横向共振现象，说明梁体结构可以承受上部变化的列车荷载。

图4 桥梁测点示意图

图5 准静态标定列车作用下实测跨中挠度时域波

图6 试验C80重载列车作用下实测跨中挠度典型时域波形图

表1 试验重载列车作用下实测跨中最大挠度及行车速度

图7 试验重载列车作用下实测跨中横向振动典型时域波形图

表2 试验重载列车作用下实测跨中最大横向振幅及行车速度

3.2.2 竖向振幅

在重载列车荷载作用下，梁体跨中竖向振动典型时域波形见图8。不同列车编组下，C64、C70、C80列车作用第2 孔梁体跨中最大竖向振幅分别为0.28、0.32 和0.28 mm，第3 孔梁体跨中最大竖向振幅分别为0.41、0.41 和0.34 mm，第4 孔梁体跨中最大竖向振幅分别为0.31、0.35 和0.29 mm。各类货车作用下梁体跨中竖向振幅随行车速度的增加竖向振幅变化幅度较小，且试验车速范围内未发现梁体竖向共振现象，说明将列车速度提高到80 km/h，桥梁结构可以保证其运营安全性。

3.3 跨中横向加速度

在重载列车作用下，第4孔梁体跨中横向振动加速度典型时域波形见图9，梁体跨中最大横向加速度与行车速度关系见表3。由表3 可以看出，不同列车编组下，C64、C70、C80列车作用梁体跨中最大横向加速度分别为0.11、0.08、0.10 m/s2，小于《桥检规》桥跨结构横向加速度限值1.4 m/s2。从而反映了各类货车作用下梁体跨中横向加速度随行车速度的增加而增大，但未超过规范限值。

图8 试验重载列车作用下实测跨中竖向振动典型时域波形图

图9 试验重载列车作用下实测跨中横向加速度典型时域波形图

表3 试验重载列车作用下实测跨中最大横向加速度及行车速度

3.4 墩顶横向振幅

试验重载列车作用下，2 号墩和3 号墩顶横向振动典型时域波形见图10，墩顶最大横向振幅与行车速度关系见表4。从表4 可以看出，不同列车编组下，2 号墩顶最大横向振幅为0.11 mm，小于《桥检规》规定的该墩顶横向振幅通常值0.95 mm；3 号墩顶最大横向振幅为0.11 mm，小于《桥检规》规定的该墩顶横向振幅通常值0.89 mm。对比发现各类货车作用下墩顶横向振幅随行车速度的增加而增大，但未超过规范限值，说明桥梁结构可以承受列车荷载变化的影响。

图10 试验重载列车作用下实测墩顶横向振幅典型时域波形图

表4 试验重载列车作用下实测墩顶最大横向振幅及行车速度

3.5 支座位移

支座位移在一定程度上可以反映桥梁结构的受力性能。在重载列车荷载作用下，第4 孔梁两端3 号墩和4号台处支座纵向位移典型时域波形见图11，支座最大纵向位移与行车速度关系见表5。从表5 可以看出，不同列车编组下，3 号墩顶支座测点DL3-1、DL3-2 和4 号台顶支座测点DL4-1 实测最大纵向位移分别为0.06、0.08、0.06 mm。各类货车作用下支座纵向位移与行车速度关系不明显。在第4 孔梁两端3 号墩和4 号台处支座实测纵向位移均较小，通过现场观察发现，支座处锈蚀严重，严重影响了支座的活动，因而支座位移随列车速度的增加，变化幅度不是很大。

图11 试验重载列车作用下实测支座纵向位移典型时域波形图

表5 试验重载列车作用下实测支座最大纵向位移及行车速度

4 结论

由K75+453北岗中桥的试验结果分析得出，在C64、C70与C80编组列车作用下，试验测试速度范围内，梁体跨中横向振幅等随列车速度的提高呈增长趋势，但未超出《桥检规》规定的限值，因此桥涵结构可满足提速至80 km/h的安全运营要求。

（1）K75+453北岗中桥实测梁体挠跨比、跨中横向振幅、横向加速度以及墩顶横向振幅，均小于《桥检规》规定的安全限值和通常值，说明列车提速后，可以在桥梁结构上安全运行。

（2）实测桥梁梁体跨中挠度、跨中竖向振幅、跨中横向加速度、跨中应变，以及墩顶横向振幅等随列车运行速度的增加而增大，其中梁体跨中挠度实测值随列车轴重加载效率的增加而增大，但都在规范值以内，因而不影响行车安全性。

（3）北岗中桥实测梁体梁端支座纵向位移随列车速度的增加而增大，但变化幅值很小。通过现场查验，发现支座严重锈蚀，影响了支座的服役性能，为保证列车安全运行建议更换支座。