40 t轴重专用铁路列车荷载图式的制定研究

王 丽,胡所亭,赵欣欣

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所,北京 100081； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京 100081； 3.中国铁道科学研究院集团有限公司,北京 100081)

1 概述

近年来，随着新技术研究与应用，铁路重载运输得到了快速发展，运输效率不断提高，已成为世界铁路货物运输的主要发展方向之一。一般来说，实现重载运输可以通过增大列车轴重和增加列车编组数量来实现，其中通过增大列车轴重来实现重载运输具有很好的经济性，且增大列车轴重相比增加列车编组数量对于机车车辆和线下基础设施都更具挑战性，因此开行大轴重重载列车也是目前铁路相关各专业研究的重点之一。从世界范围来看，目前铁路列车最大轴重为40 t，在澳大利亚的矿石专用线上使用；美国重载铁路列车轴重大多集中在32.5～35.7 t；巴西部分重载铁路轴重也已达到了32.5 t[1]；我国新建煤炭专用线按30 t轴重进行设计[2-3]，部分设计荷载标准较低的既有煤炭专用线也正在进行线下基础设施适应30 t轴重的强化改造和养护措施方面的研究。对于线下基础设施，最为关键的设计参数为列车荷载图式，合理选择列车荷载图式，能够保证基础设施在设计寿命期内的安全性和经济性。目前世界各国列车荷载图式均为概化的图式，适应轴重也未达40 t，虽然有些规范规定可在基本图式的基础上乘以相应的荷载系数来适应更大或更小的轴重[4]，但是40 t轴重矿石车的车型与既有普通货车或者煤炭车差别较大，采用这种方法进行40 t轴重矿石线的设计是否合适，则需要展开相关的研究。

2 专用铁路列车荷载图式的选型及安全储备系数的确定

2.1 列车荷载图式的选型

列车荷载图式制定的初衷是由于铁路上运营各种不同类型的列车，在车型、轴重等方面均有较大的差别，为了便于设计，采用在荷载效应上能够包络各种类型列车并预留一定安全储备的荷载图式。这种列车荷载图式进行桥涵结构设计的特点在于，一方面对于不同跨度桥涵结构的安全储备不同；另一方面，列车荷载图式有时还被赋予了其他方面的责任，如美国和我国的列车荷载图式设置了特种荷载，其目的主要在于提高小跨度桥涵的设计储备，以解决其疲劳问题。事实上在桥涵结构设计时，除强度设计外还需要进行疲劳设计，在钢桥疲劳设计中通过损伤修正系数[5-6]来将图式效应换算至实车寿命期内的效应。从这一点看来，可以研究一种新的设计体系，将荷载图式中的特种荷载取消，通过损伤修正系数来解决小跨度桥涵结构的疲劳问题。

根据国内外铁路大轴重重载运输的现状，一般开行40 t轴重重载列车的线路为矿石专用线，与普通铁路不同，重载专用线路的车型相对单一和固定，可以采用实际运营车辆并预留一定的安全储备进行线下基础设施的设计。但是如果采用实际运营车辆进行设计，设计人员在计算时需要依次输入其轴重轴距数据，计算工作量较大；另一方面，采用实车进行设计与我国目前铁路桥梁的设计体系不一致[7]，因此建议采用基于实际运营车辆的概化图式并考虑一定的安全储备来进行设计。

根据已有研究成果[8]，列车单轴、固定轴距和邻轴距影响中、小跨度范围的桥涵受力，在概化图式中，通过集中力来考虑这一影响，包括邻轴和固定轴距在内一共有4个轴；在轴重一定的情况下，列车车体长度主要影响中等跨度以上荷载效应，在概化图式中，通过均布荷载来考虑列车对于大跨度桥梁的加载效应。因此，荷载图式仍采用4个集中荷载搭配左右两侧均布荷载的形式(图1)，其中，集中荷载的轴重即为列车轴重，均布荷载即为列车延米重，需要计算确定的参数包括4个集中荷载之间的距离、集中荷载与均布荷载之间的距离。

图1 重载列车荷载图式基本形式

2.2 安全储备系数的确定

对各国铁路列车荷载图式与主营货车之间的荷载效应比进行分析，见图2。从国外情况看，美国比值最大，南非比值最小，UIC和澳大利亚比值居中；我国既有客货共线铁路效应比值与UIC基本相当，我国大秦铁路效应比值略低于南非。美国铁路Cooper E80列车荷载标准[9]效应与轴重32.43 t主型运营货车效应平均比值为1.42，主要用于桥梁的新建和改建，用于远期发展轴重35～40 t级的重载运输；澳大利亚铁路300LA列车荷载标准效应[10]与轴重30 t主型煤炭漏斗车效应平均比值为1.23；南非铁路NR列车荷载标准效应[11]与轴重26 t运营货车效应平均比值为1.12；我国中-活载图式[12]效应与21 t和23 t轴重的主型通用货车效应平均比值为1.27；我国大秦线按中-活载图式设计，开行25 t轴重的专用敞车，其效应平均比值为1.09，从大秦线实际运营情况来看，存在储备不足的问题[13]。综合来看，各国铁路列车荷载图式的发展储备系数均在1.10以上。

图2 国内外铁路列车荷载标准与主型运营货车间效应比值

各国铁路列车荷载图式在制定时不仅要考虑图式对于实际运营最大荷载的安全储备，同时还要考虑未来车辆的进一步发展，因此将图式与主营车之间的荷载效应比定义为列车发展储备系数，我国在TB/T 3466—2016《铁路列车荷载图式》[14]规范中首次明确了其定义，并规定了“重载铁路列车荷载发展系数平均值不低于1.20、最小值不低于1.10”的取值原则。但是对于运输品单一的矿石专用线具有时限性，即在规定使用寿命范围内运输性质、轴重等相对固定，几乎不存在大的发展变化，因此无需考虑车辆(轴重)的未来发展，其安全储备相对普通线路来说，可适当降低。

综上，对于重载专用线路基础设施的设计，可考虑在相应实际运营车辆参数基础上进行合理概化形成设计荷载图式，预留1.10的安全储备。

3 40t轴重专用铁路列车荷载图式的研究制定

3.1 计算车型的选择确定

根据调研，目前世界轴重最大的铁路车辆为澳大利亚的40 t轴重矿石车，包括BHP矿石车[15]和FMG矿石车[16]，两种车辆的车型参数见图3、图4。两种车辆的荷载效应比见图5，可以看出，由于BHP矿石车车长较小，其荷载效应略大于FMG矿石车，平均大约6%。因此，在确定列车荷载图式时，以BHP矿石车作为基准车型进行计算分析。

图3 BHP矿石车(单位：m)

图4 FMG矿石车(单位：m)

图5 BHP矿石车与FMG矿石车荷载效应比

3.2 列车荷载图式的研究制定

在2.2节确定的列车荷载图式基本型式中，根据已有研究成果[17]，图式四轴集中荷载的轴距按照“固定轴距+邻轴距+固定轴距”的组合方式与实车中、小跨度荷载效应最为接近，因此直接将集中荷载按此种方式确定，如图6所示。

图6 集中荷载分布形式(单位：m)

集中荷载与均布荷载之间的距离考虑如表1中4种情况，计算结果见图7。

表1 集中荷载与均布荷载间距对概化图式效应影响对比

图7 概化图式与列车荷载效应比

可以看出，采用KB-4方案时，图式与列车荷载效应比整体为1，但是在部分跨度范围内存在图式效应小于列车荷载效应的情况。采用KB-3方案时，概化图式与列车荷载效应之间较为接近，且不存在图式效应小于列车荷载效应的情况。因此采用KB-3方案，即集中荷载与均布荷载间距为2.5 m，概化图式见图8。

图8 40 t轴重矿石车概化图式(单位：m)

将该概化图式提高10%，取整形成40 t轴重矿石车设计荷载图式，如图9所示。列车荷载与设计荷载图式之间的荷载效应比见图10，列车荷载整体为图式效应的0.88倍。

图9 40 t轴重矿石车(单位：m)

图10 40 t轴重矿石车与设计荷载图式效应比

3.3 与国内外重载铁路列车荷载图式的比较分析

将40 t轴重矿石车设计荷载图式与国内外重载铁路设计荷载图式进行比较，以40 t轴重矿石车设计荷载图式的荷载效应为基准1，我国重载铁路设计荷载1.3ZH约为其的0.805倍，美国E80[17]约为其的0.899倍，国际铁路联盟1.33LM71约为其的0.766倍。梁端剪力效应比见图11、跨中弯矩效应比见图12，各项指标平均值见表2。

图11 梁端剪力效应比

图12 跨中弯矩效应比

表2 国内外荷载图式与40 t轴重矿石车设计荷载图式比较

注：平均值指梁端剪力，1/8、1/4、3/8、1/2跨度位置处弯矩效应比的平均值。

4 结论

(1)由于重载专用线路的车型相对单一和固定，可以采用实际运营车辆并预留一定的安全储备进行线下基础设施的设计。但是采用实际运营车辆进行设计计算工作量较大，因此建议基于实际运营车辆的荷载效应，进行合理的概化，形成设计荷载图式进行设计。设计荷载图式可沿用目前铁路列车设计荷载图式的基本型式，轴距轴重根据实车效应适当调整。

(2)运输品单一的矿石专用线具有时限性，即在规定使用寿命范围内运输性质、轴重等相对固定，几乎不存在大的发展变化，无需考虑车辆(轴重)的未来发展，其安全储备系数可取1.10。

(3)根据确定的重载专用线设计荷载图式基本型式和安全储备系数，制定了40 t轴重矿石车的设计荷载图式，对于列车的荷载储备在各个跨度范围内较为均衡，列车荷载整体为图式效应的0.88。

(4)以制定的40 t轴重矿石车设计荷载图式的荷载效应为基准1，整体来说，我国重载铁路设计荷载1.3ZH约为其0.805倍，美国E80约为其0.899倍，国际铁路联盟1.33LM71约为其0.766倍，具体到各个跨度有所差别。