救援起重机和救援列车通行简支梁荷载特征图式

杨心怡

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

我国TB/T 3466—2016《铁路列车荷载图式》规定［1］，列车荷载图式是铁路列车对线路基础设施静态作用的概化表达形式。纵观我国铁路列车荷载图式的发展历程，变化的主要依据是适应机车车辆装备技术的发展［2］。各铁路局的救援列车有多种排列形式，车辆类别、顺序及数量，起重机型号各不相同。既有铁路桥梁有多种线路类别、桥梁形式及设计活载，与救援列车组合起来运行条件十分复杂。救援列车没有代表荷载图式，因此过桥适应性检算评估工作比较繁琐。陶晓燕等［3］研究了9种既有救援起重机单机过桥的适应性，发现国内目前100 t和125 t的5种救援起重机单机均不能全速通行ZK活载设计的20 m及以下某些跨度，国内4种160 t救援起重机单机均不能全速通行ZK活载设计的35 m及以下某些跨度桥梁。惠如海［4］研究了一种新型高铁救援起重机在ZK活载设计桥梁上通行时的桥梁承载能力，认为该型救援起重机在DF4或HXD3机车牵引编组回送时均可全速通行。刘振营［5］研究了铁路起重机轴重、轴距的改变对其过桥速度的影响，认为采用调节转向架轴距能够改善其回送性能。

在桥梁适应性评估中，下部结构如支座、桥墩、基础承载能力依据规范容许应力可分别提高1.5［6］、1.4［7］、1.6倍［7］。下部结构的设计安全储备较大。

本文采用调研分析、荷载列图式模拟以及最大包络的方法研究救援起重机、救援列车通行桥梁上部结构的荷载特征，提出的救援起重机、救援列车通行荷载图式可作为高速铁路、客货共线铁路桥梁承载能力检算工作简易荷载列，从而简化批量评估工作。

1 拟定原则

1.1 计算思路

考虑2种救援列车编组。①编组方式1：救援起重机编挂在机车后第二节处，编组形式对50 m以上大跨度更为不利。②编组方式2：依据管理要求将救援起重机编挂在救援列车尾部。

编组方式1：机车（HXD3）+简易游车（NX17）+救援起重机+起重机游车+救援车（JY23B）+工具车（XL22）+发电车（XL22）+餐车（CA23）+宿营车（YW22B）。根据9种既有救援起重机与编组方式1得到编组1—编组9。

编 组 方 式2：HXN3+宿 营 车（YW22B）+餐 车（CA23）+发 电 车（XL22）+工 具 车（XL22）+救 援 车（JY23B）+起重机游车+救援起重机+简易游车（NX17）。根据9种既有救援起重机与编组方式2得到编组10—编组18。

定型计算原则为通行荷载特征图式换算均布活载包络实际救援列车换算均布活载，按二者动力系数相同考虑，计算跨度1～144 m的简支梁端至跨中5个截面。具体步骤如下：

Step1 计算跨度1～144 m简支梁在编组1—编组9、编组10—编组18作用下的5个截面换算活载。

Step2 跨度为8、10、12、16、20、24、32、40、48、64 m的简支梁梁端至跨中等5个截面位置汇总Step1得到的不同编组中的换算活载最大值，作出最大值曲线图命名为曲线1（编组1—编组9最大值）、曲线2（编组10—编组18最大值），横坐标为跨度、纵坐标为列车最大换算活载。

Step3 根据救援起重机轴重轴距荷载特征，理论上推算出拟定图式。将救援起重机拟定图式编入编组方式1中计算，通过试算调整参数得到能够包络曲线1的救援起重机通行荷载特征图式。然后将该图式编入编组方式2中检算是否能够包络曲线2，直至确定救援起重机通行荷载特征图式。

Step4 在救援起重机通行荷载特征图式的基础上，根据救援列车中其他车辆荷载集度特征与编组方式2确定救援列车通行荷载特征图式的拟定图式。通过调整参数使之包络曲线2，从而确定救援列车通行荷载特征图式。

1.2 最大值曲线

1.2.1 既有救援起重机轴重轴距

根据运装机运〔2008〕82号《铁路救援列车管理办法》中“应逐步淘汰固定臂式轨道起重机，配置伸缩臂式轨道起重机”的规定［8］，本文选择9种既有伸缩臂式轨道起重机进行救援起重机通行荷载特征研究。其型号分别为国内100 t和125 t救援起重机NS1003、NS1251、NS1001、NS1252、NS1253及国内160 t和进口160 t救援起重机NS1601、NS1602、NS1600、NS1680。160 t机型的轴重轴距见图1。国内目前最大吨位救援起重机为NS2000型（12轴），其回送时需拆除上车尾部平衡重，因此未予考虑。

图1 160 t救援起重机轴重轴距（单位：m）

1.2.2 曲线1

按Step1、Step2计算得到编组1—编组9通行32 m跨度简支梁时的各截面换算活载最大值，见表1。

表1 编组方式1救援列车通行32 m跨度简支梁各截面换算活载最大值 kN·m-1

按Step2汇总典型跨度换算活载最大值，得到表2并绘制曲线1，见图2。梁端截面曲线1与某铁路局实际救援列车静荷载效应对比见图3。救援列车后面的数字用以区别配备相同型号救援起重机但编组不同的救援列车。

表2 编组方式1典型跨度简支梁各截面换算活载最大值kN·m-1

图2 曲线1

图3 曲线1与实际救援列车静荷载效应对比（梁端截面）

由表2和图2可知，梁端截面为换算活载最大值截面。曲线1由梁端截面与跨中截面共同控制。由图3可见，曲线1能够包络现有救援列车荷载效应。

1.2.3 曲线2

曲线2确定方法同曲线1，编组10—编组18通行32 m跨度简支梁时各截面换算活载最大值见表3。

曲线2系列换算活载最大值见表4，绘制曲线2，见图4。梁端截面曲线2与某铁路局实际救援列车静荷载效应对比见图5。

表4 编组方式2典型跨度简支梁各截面换算活载最大值kN·m-1

由表4和图4可见，曲线2由梁端截面与跨中截面共同控制。由图5可见，曲线2能够包络现有救援列车荷载效应。

图4 曲线2

图5 曲线2与实际救援列车静荷载效应对比（梁端截面）

1.2.4 曲线1与曲线2对比

各跨度不同截面曲线1与曲线2换算活载的比值见图6。可见，二者差值在±10%内，跨度50 m以下曲线1小于曲线2，跨度50 m以上曲线1大于曲线2。因此，通过包络曲线1确定的救援起重机通行荷载特征图式需检算是否包络曲线2。

图6 各跨度不同截面曲线1与曲线2换算活载的比值

2 救援起重机通行简支梁荷载特征

2.1 图式确定

按Step3确定救援起重机通行荷载特征图式。

2.1.1 拟定图式

我国ZKH、ZH荷载图式中的普通荷载是在UIC荷载的基础上，根据我国重载车辆的特点进行局部调整后提出的［9］。救援起重机荷载集度在11.4～12.27 kN/m，大于6轴25 t机车的荷载集度6.52～6.85 kN/m。借鉴该思路，根据救援列车中救援起重机为控制车辆，针对其轴数多、轴距小、轴重大的构造特点，参考TB/T 3466—2016中长大货物车检算图式将起重机轮对等同于均布活载，拟定图式见图7。

图7 救援起重机通行荷载拟定图式

2.1.2 特征图式参数

1）a，q取值。拟定图式中包含3个变量，分别为q、a、b。既有铁路起重机转向架轮对距离在2.6～4.3 m，取a=5 m。我国救援起重机轴重在25 t及以下［10］，一般为23 t［11］，单个转向架至多4个轴，合计轴重92 t，取q=184 kN/m。变量b考虑前转向架后轮与后转向架前轮轴距范围1.9～6.6 m，暂取b=2、4 m。

2）b取值。梁端、跨中截面计算结果与曲线1对比发现，b=2、4 m均不能包络曲线1。不同b值时试算结果与曲线1对比见图8。因此，固定b=2 m不变调整其他参数值。

图8 不同b值时试算结果与曲线1对比

3）调整q值。根据差值比例提高均布活载q进行试算，试算图式中q=184 kN/m×α，α为活载提高系数，取α=1.25。

α=1.25时试算图式与曲线1对比曲线见图9。由图9可见，当q=184 kN/m，a=5 m，b=2 m，α=1.25时，拟定的通行荷载特征图式能够包络曲线1。

图9 α=1.25时试算图式与曲线1对比

2.2 图式检算

将救援起重机通行荷载特征图式按编组方式1、编组方式2编入荷载列与曲线2对比见图10。可知，救援起重机通行荷载特征图式按两种编组方式能够包络曲线2。

图10 救援起重机通行荷载特征图式按编组方式1、编组方式2编入与曲线2对比

考虑救援起重机编挂在机车后第二节处及编挂在救援列车尾部两种编组方式，最后得出救援起重机通行荷载特征图式见图11。

图11 救援起重机通行荷载特征图式（单位：m）

3 救援列车通行荷载特征

救援列车车辆编组本着出动迅速、工作方便的原则，平时编组出动时不需要改编完整列车。因铁路救援起重机自重大、制动快，《铁路技术管理规程（普速铁路部分）》、铁总运〔2015〕314号《铁路机车运用管理规则》规定回送铁路救援起重机应挂于列车后部。因此救援列车通行荷载特征图式通过与曲线2进行包络对比来定型图式。

3.1 图式确定

按Step4确定救援列车通行荷载特征图式。

ZKH活载中，中间4个250 kN的集中力代表机车车辆轴重和邻轴效应，85 kN/m均布活载代表货车车辆每延米重量效应。参考ZKH活载图式，将除救援起重机以外的车辆按均布活载表示。根据某铁路局实际救援列车编组，救援起重机前方是起重机游车（吊臂平车），后方是型号为NX17简易游车（或放置配重）。起重机游车最大轴重21 t，长度为19.8～24.2 m，荷载集度为42.4 kN/m；简易游车最大轴重21 t，长度13.94 m，荷载集度60 kN/m；其他车辆例如工具车、餐车、宿营车等，最大轴重15 t，长度为25.54 m，荷载集度为23.5 kN/m。

实际编组救援列车荷载列见图12。

图12 实际编组救援列车荷载列（单位：m）

为简化荷载列形式，救援列车通行荷载特征拟定图式在救援起重机通行荷载特征图式的基础上，在其前方增加一段均布活载来模拟其余车辆荷载，拟定图式见图13。

图13 救援列车通行荷载拟定图式（单位：m）

3.2 特征图式参数

1）确定p值。拟定图式中包括均布活载p与长度c，救援列车长度约200 m，由于救援列车中除救援起重机外均为平板车、客车、机车，换算活载小于设计活载。与ZK活载进行静力对比发现在110 m以上救援列车活载小于ZK活载，因此c暂取100 m。根据救援起重机前后车辆荷载集度范围并按保守考虑，取p=40，50，55 kN/m时拟定图式与曲线2对比见图14。

图14 p取不同值时拟定图式与曲线2对比

由图4可知：对于梁端截面，p=40、50 kN/m时，拟定图式均能够包络曲线2；对于跨中截面，p=40 kN/m时拟定图式在32 m以上跨度无法包络曲线2。p=50 kN/m时拟定图式已能够完全包络但十分接近曲线2，跨度48 m仅有余量0.32 kN/m。p=55 kN/m时拟定图式跨中截面余量提高，但梁端截面随着跨度增大与曲线2相去甚远，余量超过50%。

2）调整c值。为提高拟定图式跨中截面换算活载应增大p值，为降低拟定图式在大跨度时梁端截面换算活载应减小c值，因此尝试p=60 kN/m，c=50、35 m进行试算，拟定图式与曲线2结果对比见图15。可知，当p=60 kN/m，c=35 m时，救援列车通行荷载拟定图式能够合理包络曲线2。

图15 p=60 kN/m和c=50、35 m时拟定图式与曲线2结果对比

根据实际救援列车编组规律，最后得出整列救援列车通行荷载特征图式见图16。

图16 整列救援列车通行荷载特征图式（单位：m）

4 结论

本文以包络既有9种既有救援起重机、救援列车为原则提出了两个荷载特征图式：

1）考虑救援起重机编挂在机车后第二节处及编挂在救援列车尾部两种编组方式，提出了救援起重机通行荷载特征图式。

2）根据实际救援列车编组规律提出整列救援列车通行荷载特征图式。

所提出的荷载图式可作为高速铁路、客货共线铁路桥梁承载能力检算的简易荷载列，简化批量评估工作。