几内亚西芒杜40 t轴重重载铁路专用线列车设计活载选用探讨

杜振华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

1.1 重载运输特点

重载铁路运输具有运能大、效率高、运输成本低等特点，是矿石、煤炭等大宗散装货物最经济的运输方式，也是世界铁路货物运输的主要发展方向之一。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达到了32.5 t[1]，澳大利亚由于铁矿石出口的运输需要，多次刷新世界重载运输记录，重载货车最大轴重达到40 t，其中FMG公司在2015年运用轴重已达42 t[2]，2017年初进行了45 t轴重车辆的运用考验[3]。

1.2 几内亚西芒杜40 t轴重重载铁路专用线概况

西非几内亚西芒杜矿山铁路连接Morebaya港口与西芒杜矿区，正线全长约643 km[4]。主要技术标准如下。

(1)线路等级：重载铁路，轴重40 t。

(2)线路情况：单线，有砟轨道。

(3)设计行车速度：重车80 km/h，空车100 km/h。

(4)限制坡度：重车方向6‰，空车方向18‰。

(5)牵引种类：内燃。

(6)牵引质量：牵引质量3.8万t。

(7)列车编组：6台机车240辆矿车，编组为2台机车+120辆矿车+2台机车+120辆矿车+2台机车形式，列车总长度2823 m。

(8)开采年限：38年。

全线铁路桥梁共26座，总长度2835 m，占线路总长的0.431%，全部为跨越河流，均采用简支梁桥，最长桥梁241.1 m，为10×24 m。本项目主要采用24.1 m和31.1 m两种跨度简支梁(简支梁跨度为梁缝中心线长度)，无特殊大跨结构。

我国部分煤炭专用线按30 t轴重进行设计[5-9]，TB10625—2017《重载铁路设计规范》适用的最大轴重也是30 t，缺乏针对40 t轴重重载铁路桥涵设计的相关规定及工程实例，有必要结合本项目的特点开展40 t轴重桥涵列车荷载图示及相关技术标准的研究工作，为本项目后期设计工作做好技术储备。

2 40 t轴重运营荷载

2.1 40 t轴重货车主要参数

我国重载线路运行的货车类型主要为敞车，轴重有23 t(C76)、25 t(C80)、30 t(C96)等[10]，暂时没有投入使用轴重40 t的货车，但为世界矿业巨头—澳大利亚必和必拓(BHP)、力拓公司研制出口过40 t轴重不锈钢矿石车[11-13]，40 t轴重矿石车2辆为一组，每组车包含1辆控制车和1辆辅助车，其主要技术参数见表1，相应的车辆荷载图示见图1、图2。

2.2 机车主要参数

发展大轴重机车车辆是世界铁路货运发展的大趋势，加拿大、巴西、澳大利亚在其主要干线的重载运输中均采用了30 t的列车。我国重载铁路中运用的是轴重25 t的电力机车，同时也开展了大轴重铁路机车的技术研究工作[16]。

表1 出口澳大利亚必和必拓、力拓公司40 t轴重不锈钢矿石车主要技术参数[14-15]

图1 出口澳大利亚必和必拓公司40 t轴重不锈钢矿石车荷载(单位：mm)

图2 出口澳大利亚力拓公司40 t轴重Q系列不锈钢矿石车荷载(单位：mm)

本项目拟采用轴重32 t机车，其主要技术参数见表2、图3。

表2 32 t轴重机车主要技术参数

图3 机车轴距(单位：mm)

2.3 国内外重载铁路列车荷载图示对比分析

铁路列车荷载标准是铁路桥涵设计的重要依据和核心参数，关系着设计的安全性和经济性[17]。活载图示的拟定需要结合项目的运输模式、运营速度及加载方式，并考虑后期可能存在的移动装备发展与升级等多方面因素确定。我国铁路桥涵设计活载也开展了多次研究及修订工作[18-22]。

目前铁路及轨道交通桥梁的设计活载主要有两种模式，一种是采用实际运营车辆并预留一定的安全储备作为线下基础设施的设计荷载，如我国城市轨道交通桥梁设计采用的地铁A型车、B型车及温州市域铁路设计荷载ZS荷载[23]等均采用的是这种思路；另一种是采用概化的荷载图示，如我国的ZH、ZKH、ZK、ZC荷载、国际铁路联盟(UIC)Load Model 71荷载图示等。

国外公司在本项目可研设计文件中采用以下3种荷载图示中的最大值作为设计荷载。

(1)荷载图示1：力拓公司40 t轴重Q系列不锈钢矿石车车辆荷载，如图2所示；

(2)荷载图示2：Load Model 71(α=1.46)，如图4所示。

图4 Load Model71荷载图示(α=1.46)(单位：m)

(3)荷载图示3：SW/2活载。SW/2活载为静活载，不考虑冲击系数，见图5及表3。

图5 SW/2活载图示

表3 荷载模型SW/0和SW/2竖向荷载标准值

荷载模型SW/0反映了正常铁路交通在连续结构上产生的静载效应，荷载模型SW/2代表重型铁路交通，即经过特殊设计以承担重型交通的铁路。SW/0和SW/2荷载集度均小于40 t轴重矿石车每延米重，其活载效应不控制设计。

TB 10625—2017《重载铁路设计规范》提出了设计轴重25 t、27 t、30 t的重载铁路设计荷载—ZH荷载(图6)，并专门设立荷载系数z为更大轴重重载铁路留出通道。图6中4个250 kN的集中荷载代表机车车辆轴重效应和货车邻轴效应，85 kN/m的均布荷载代表货车车辆的延米重效应。荷载系数z的取值由线路的运输定位、主型机车和车辆、预留的活载储备和发展以及经济性等因素综合确定，对于考虑开行轴重350 kN及以上重载列车的新建重载铁路，规范建议根据主型移动装配情况合理研究确定荷载系数，技术论证阶段，缺乏相关资料时可暂按1.50取用。

图6 ZH荷载图示(单位：m)

美国铁路重载运输采用的是反映蒸汽机车牵引特征的CooperE系列静活载图示，澳大利亚重载铁路采用300LA列车荷载标准。ZH荷载和CooperE系列静活载图示中均有特种荷载模式，以提高小跨度桥涵的荷载效应。

2.4 静活载效应对比

根据40 t轴重货车、机车的主要参数及重载铁路列车编组方式可知：机车轴重小于货车轴重且固定轴距比货车的大，货车不仅轴重大、车身长度短且编组长度长，控制结构设计的应为对应列车编组中的车辆荷载部分，机车荷载不控制设计。

计算跨径(加载长度)10～120 m时，ZH活载、Load Model 71、Cooper E80、300LA、BHP矿石车车辆荷载、力拓矿石车车辆荷载产生的跨中弯矩换算均布荷载、支点最大剪力换算均布荷载值见表4、表5。

表4 跨中弯矩换算均布活载效应 kN/m

表5 支点反力换算均布活载 kN/m

对以上计算结果进行分析，可以得出如下结论。

(1)力拓40 t轴重矿石车车辆长度、固定轴距均较小，其每延米质量最大，产生的跨中弯矩及支点剪力也最大，跨度(影响线加载长度)越大，按车辆荷载计算所得换算均布荷载值越接近于车辆的每延米重。

(2)在不计冲击系数的情况下，BHP矿石车车辆荷载效应为ZH荷载的1.21～1.68倍，力拓矿石车车辆荷载效应为ZH荷载的1.26～1.85倍，Cooper E80荷载效应为ZH荷载的1.35～1.54倍，Load Model 71荷载效应为ZH荷载的0.95～0.99倍，采用1.5ZH荷载作为40 t轴重重载铁路设计活载不能完全包络实际运营车辆荷载产生的荷载效应，跨度小时偏大，跨度大时偏小。

(3)ZH荷载图示中集中荷载轴重与均布荷载的比值为2.94，Load Model 71荷载中集中荷载轴重与均布荷载的比值为3.13，与40 t轴重重载铁路运输特点不匹配，仅仅通过调整ZH荷载的荷载系数z或者Load Model 71荷载的调整系数α不能保证对于实际运营荷载的储备在不同范围内较为均衡。由于40 t轴重重载铁路机车车辆轴重小于货车，且货车编组较长，若采用类似ZH或Load Model 71形式的概化荷载，应能反映货车车辆轴重效应、邻轴效应和货车每延米重效应，需结合40 t轴重重载车辆装备及编组特点开展进一步的研究。

(4)本项目桥梁以小跨度桥涵为主，桥梁计算跨度均小于32 m，对32 m以下简支梁，BHP矿石车车辆荷载效应为ZH荷载的1.21～1.49倍，力拓矿石车车辆荷载效应为ZH荷载的1.2～1.6倍，为LM71荷载效应1.26～1.65倍，控制设计的是力拓矿石车车辆荷载。本项目为铁矿石专用线，运行的车辆相对单一和固定，桥梁结构形式均为32 m以下单线简支梁，车辆选型确定后可采用实际货车车辆荷载进行线下基础设施的设计，在缺乏相关资料时，从静力荷载等效的角度考虑，可以近似采用1.6ZH荷载作为本项目的列车设计活载。

2.5 冲击系数对比分析

桥梁设计中通过冲击系数计算及列车荷载的动力影响分析。列车对桥梁的动力作用，不仅取决于桥梁结构本身的振动特性，而且决定于运行列车的机车类型、振动特性及运行速度，同时还与桥上线路的状态有关。冲击系数是上述各种因素的综合反映[24]。

各国制定动力系数计算公式的思路基本相仿，实际在桥梁动力系数的规范取值上却具有较大的差异，中国规范计算动力系数时区分了钢桥、混凝土桥和钢混结合梁桥，而美国AREMA规范和欧洲规范中未对此区别对待。从图7计算结果来看：按欧洲规范计算的动力系数，小跨度梁较大而大跨度梁偏小，且随着跨度的增加衰减较快；按中国规范混凝土梁计算的动力系数比美国规范计算值要小，但衰减程度接近，且随着跨度的增加衰减较慢。

桥梁设计时并不是只用列车静活载进行设计，而是采用静活载和冲击荷载之和，由于不同的设计规范算出的冲击系数相差较大，在确定列车活载图示时，将冲击系数和活载发展储备系数二者同时考虑相对较为合理。我国目前尚缺乏40 t轴重重载铁路桥梁冲击系数的相关计算方法和测试数据，建议结合活载图示的研究同步开展40 t轴重重载运输条件下列车冲击系数的研究。欧洲重载铁路建设经验相对不足，而美国在重载铁路方面的研究和经验较为丰富，澳大利亚重载铁路设计中也部分参考了美国规范，建议本项目动力系数参照美国规范取值。

图7 动力系数比较

2.6 活载发展储备系数对上部结构工程量的影响分析

铁路常用跨度预应力混凝土简支梁主要采用箱梁和T梁两种形式，简支T梁为分片式组合结构，常采用梁场集中预制，分片运输和架设的施工方法。单片预制T梁体积小、质量小，架设方法灵活，造价较低，在我国时速200 km以下客货共线铁路、重载铁路中得到广泛应用[25]。但多片式简支T梁在架设完成后，需要在桥位处施工横向连接构造，由于施工环境差，施工质量不易保证。目前大量使用的简支T梁，多采用翼缘板悬臂安装角钢人行道支架，桥梁角钢支架人行道主要维护内容为除锈涂装，只能采用人工方式，费时、费工、作业效率低、涂装质量不易保证，且存在一定作业风险，维护困难大、成本高，运营维护安全风险大[26]，在相同静活载作用下，相同梁高简支T梁的跨中竖向变形、梁端转角均大于箱梁，基频小于箱梁，后期养护维修费用高于箱梁。

本项目线路长度较长，桥梁数量较少且工点较为分散，交通运输不便，采用全线集中预制架设存在施工运输距离过长的问题，若设置多个预制场，不仅不经济，对环境的影响也较大。本项目桥梁比重极小，和混凝土简支T梁相比，采用箱梁增加的费用对整个项目的投资影响较小，但能极大地减小后期养护维修成本，全寿命周期成本低于T梁，推荐采用支架现浇预应力混凝土简支箱梁。

活载发展储备系数反映的是设计荷载超出实际运营荷载的程度，是一条铁路线路可承受的未来载重增加的能力，提高轴重和增加轴数是发展重载运输的两个方向，40 t轴重矿石车时如果轴重有10%的增幅，即最大运用轴重可提升为44 t，单车最高载重可达155 t，载重可增加16 t。本项目位于经济相对落后的西非，主要运输单一的铁矿石，在使用期内轴重、运输性质相对比较固定，其活载发展储备系数安全储备相应可以降低。

为进一步研究采用不同的活载发展储备系数对上部结构工程量及造价的影响，以本项目31.1 m单线预应力混凝土现浇简支箱梁(直线梁)为背景，活载分别采用1.0，1.1，1.2倍力拓公司40 t轴重Q系列不锈钢矿石车车辆荷载进行加载，在保证结构强度安全系数基本接近且各检算指标准均满足我国重载铁路设计规范要求的前提下，对比分析上部结构主要工程数量的变化。

跨度31.1 m单线预应力混凝土简支箱梁采用等高度单箱单室截面，梁端顶底板及腹板局部向内外侧加厚。梁长31 m，计算跨度29.5 m，支座中心至梁端0.75 m，横桥向支座中心距2.6 m，箱梁截面中心高度为2.5 m，桥面宽7.1 m。跨中及梁端截面见图8。

图8 31.1 m单线简支箱梁跨中及梁端截面(单位：mm)

其主要计算参数如下。

(1)梁体自重：γ取26.0 kN/m3。

(2)二期恒载：二期恒载包括桥上有砟轨道线路设备重，以及防水层、保护层、人行道栏杆、挡砟墙等附属设施重，二期恒载取65 kN/m。

(3)活载：分别采用1.0,1.1,1.2倍力拓公司40 t轴重Q系列不锈钢矿石车车辆荷载进行加载，动力系数参照美国规范计算。

结构检算按TB 10625—2017《重载铁路设计规范》执行，计算结果见表6。

由表6计算结果可以得出如下结论。

(1)对40 t轴重重载铁路单线梁而言，活载内力已经超过了恒载内力，恒活比较小，结构设计对活载的变化相对比较敏感。

(2)在截面尺寸不变，活载提高至实际运营活载1.2倍的情况下，梁体刚度仍大于0.6×L/900的规范限值，说明箱梁整体刚度较大，比较适用于大轴重重载铁路。

表6 纵向计算结果对比

(3)在梁体截面尺寸不变的情况下，活载增加0.1倍时，梁体预应力钢绞线用量约增加350 kg，每孔梁工程造价约增加1.3%，对整个项目桥梁工程投资影响不大。

(4)本项目为铁矿石专用线，运行的车辆相对单一和固定，且轴重较大，后期增加轴重的可能性较小，可以预留较小的活载发展系数，建议参照TB 10625—2017《重载铁路设计规范》要求采用最小值1.1，即采用1.1倍的实际运营车辆荷载编组作为本线设计活载。

3 结论及建议

(1)根据40 t轴重货车、机车的主要参数及列车编组方式可知，车辆荷载轴重大、车身长度短且编组长度长，控制结构设计的荷载为对应列车编组中的车辆荷载部分，机车荷载不控制设计。在邻轴距和固定轴距相同的情况下，车辆越短荷载效应越大。

(2)ZH荷载图示中集中荷载轴重与均布荷载的比值为2.94，Load Model 71荷载中集中荷载轴重与均布荷载的比值为3.13，与40 t轴重重载铁路运输特点不匹配，仅仅通过调整ZH荷载的荷载系数z或者Load Model 71荷载的调整系数α不能保证对于实际运营荷载的储备在不同范围内较为均衡。

(3)本项目为铁矿石专用线，运行的车辆相对单一和固定，车辆选型确定后可采用实际货车车辆荷载进行线下基础设施的设计，活载发展储备系数可以参照TB 10625—2017《重载铁路设计规范》要求采用最小值1.1，即采用1.1倍的实际运营车辆荷载编组作为本线设计活载。

(4)分别采用1.0，1.1，1.2倍力拓公司40 t矿石车车辆荷载作为设计活载对本项目32 m简支箱梁进行了试算，结果表明，在冲击系数取值相同的情况下，活载提高对本项目上部结构造价影响较小。

(5)桥梁设计中采用的是静活载和冲击荷载之和，按不同的设计规范算出的冲击系数相差较大，在确定列车活载标准时将冲击系数和活载发展系数两者合并考虑相对较为合理。目前缺乏40 t轴重重载铁路桥梁冲击系数的相关计算方法，建议结合活载图示的研究同步开展40 t轴重重载运输条件下列车冲击系数的研究。