重载列车对既有线桥梁的影响初探

重载列车对既有线桥梁的影响初探

吴 俊

（成都铁路局工务检测所，四川成都，610082）

摘 要：随着列车轴重和列车编组的增加，列车对桥梁结构的静力、动力性能影响加剧。本文

针对列车轴重分别为250、280、300、330kN情况下，对常用跨度桥梁简支梁相对于中活载的弯矩活载系数和剪力活载系数进行了计算分析。计算表明：对轴重为250kN列车，其静力强度满足中活载设计要求；对轴重为300kN列车，跨度不大于32m简支梁基本上能够满足要求。在既有线路开通重载列车，应对桥梁承载能力、动力性能和耐久性进行充分地考虑并采取相应对策。

关键词：重载列车；桥梁；安全对策

1 前言

铁路运输在西南地区的交通运输体系中占有重要地位，为西南山区经济发展发挥了重要作用。随着西南地区经济的发展，铁路运能与运量的矛盾日趋紧张，提高铁路运能势在必行。提高铁路货物运输能力有三个途径：提高列车重量、增加行车密度和提高行车速度。现阶段既有线的行车密度已很高，货物列车行车速度提高的余地又不大，相比之下提高列车重量有着一定潜力。提高货物列车重量不仅是提高铁路通过能力的有效措施之一，也是改善铁路运营指标和降低运输成本的重要手段。

既有线上桥梁数量及种类多，部分线路建造年代早、设计标准低，开行重载列车将对既有线桥梁设备的静力及动力性能提出较高的要求。如何保证重载下的铁路运输安全，需要我们做大量的基础工作。在既有线桥梁中，以常用跨度简支梁居多，因此本文着重对不同轴重重载下常用跨度简支梁的影响进行分析。

2 重载运输概述

重载铁路运输因其运输能力大、效率高、运输成本低而受到世界各国铁路部门的广泛重视，是铁路运输规模经济和集约化经营的典范，已成为许多国家运输大宗货物最重要运输方式之一。

铁路重载运输就是在一定的铁路技术装备条件下，通过采用大功率内燃或电力机车，扩大列车编组长度，提高列车轴重和牵引重量，采用特殊运输和组织方式等措施，使牵引重量和输送能力达到一定标准的运输方式，从而发挥铁路集中、大宗、长距离及全天侯的运输优势，达到增加运输能力、提高运输效率、降低运输成本的目的。

根据1986年国际重载协会年会制定的标准：列车重量至少达到5000吨，轴重21吨及

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以上，单线年运量2000万吨及以上。1994年国际重载协会年会对标准进行了修订：列车重量至少达到5000吨，轴重达到或超过25吨，在至少150公里的线路区段上单线年运量至少达到2000万吨。2005年国际重载协会修订的新标准为：列车重量至少达到8000吨，轴重在27吨及以上，在至少150公里的线路区段上单线年运量至少达到4000万吨。

从国际重载协会对重载列车标准的变化可以看出，提高列车轴重是列车重载发展的主要方向。目前美国、加拿大、澳大利亚已普遍采用35吨轴重；巴西、澳大利亚已普遍采用30吨轴重；南非、东澳大利亚窄轨铁路已采用28吨（26吨）轴重；美国环行线正在进行40吨轴重的运行试验，年通过质量达125000万吨。

从1984年至今，中国铁路人在重载运输领域进行了不懈的研究与实践。目前我国重载线路主要以25吨轴重为主，另外开行30吨轴重重载铁路也开始建设。2003年以来，中国铁路依靠自主创新，研制开发了大秦线重载运输成套技术装备，在大秦线成功开行了万吨和2万吨重载列车，建立了具有中国铁路特点的重载技术体系，使大秦线运量逐年提高到2008年的3.4亿吨，2010年的4亿吨。目前，国内多条干线已开行了5000吨和10000吨列车，在开行重载列车技术方面进行了大胆探索，取得了成功的经验。

[1]

3 重载运输对既有线桥梁的影响

重载铁路的发展，特别是在既有线铁路开行重载列车，因列车轴重的提高，势必对既有铁路桥梁带来极大的影响。因此在重载作用下，对既有铁路桥梁的承载能力进行适应性分析是必要的。 3.1 静力影响 3.1.1 计算荷载

既有线铁路常用跨度简支梁大多采用标准设计，人行道宽度和道砟厚度对开行重载列车时按不变化考虑。但钢轨和枕木将分别更换为75 kg/m和Ⅲ型预应力混凝土枕，但这种变化对二期恒载的影响较小，可不考虑。

随着列车轴重的提高，桥梁上的活载变化较大。目前大秦线采用C80列车，列车轴重为250 kN，车辆长度为12.0m。根据铁道部科学研究院的相关研究，对C80重载列车采用的活载图式如图1所示。显然，C80重载单元列车与中活载有一定的差别，因此既有线桥梁开行重载列车需考虑活载变化对桥梁安全的影响。由于目前我国还没有明确给出重载荷载图式，根据国内既有科研成果和轴重的变化趋势，对轴重分别为250、280、300、330 kN的荷载进行对比，得到各轴重列车对既有线桥梁的影响程度和适用范围。参照C80重载列车的活载图式，中间机车保持不变，货车除轴重变化外其余均不变，将两边无限长的均布荷载按轴重280、300、330 kN分别修改为93.4、100、110 kN/m。

3×250 kN83.4 kN/m3×250 kN83.4 kN/m[2]

无限长2.751.81.88.41.81.82.75无限长

图1 C80重载列车荷载图式（单位：m）

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3.1.2 各轴重活载作用下桥梁活载系数

为比较各种轴重列车对即有线常用跨度简支梁的影响，分别计算了上述4种轴重作用下跨度为6～m简支梁相对于中活载的弯矩活载系数和剪力活载系数。其计算结果如表1所示。

表1 各轴重下常用跨度简支梁活载系数

弯矩活载系数

跨度 (m)

250

6 8 10 12 16 20 24 32 40 48 56

1.023 0.868 0.809 0.786 0.800 0.795 0.802 0.848 0.868 0.883 0.9 0.916

列车轴重(kN) 280 1.023 0.868 0.810 0.800 0.824 0.847 0.8 0.950 0.972 0.988 1.007 1.026

300 1.023 0.868 0.810 0.809 0.839 0.907 0.962 1.017 1.041 1.058 1.078 1.098

330 1.023 0.868 0.810 0.838 0.921 0.998 1.058 1.118 1.145 1.1 1.186 1.208

250 1.061 1.000 0.992 0.956 0.866 0.840 0.832 0.841 0.850 0.861 0.872 0.883

列车轴重(kN) 280 1.061 1.000 0.992 0.956 0.869 0.8 0.876 0.7 0.913 0.931 0.947 0.962

300 1.061 1.000 0.992 0.956 0.869 0.887 0.905 0.933 0.956 0.977 0.997 1.015

330 1.061 1.000 0.992 0.956 0.6 0.923 0.949 0.9 1.019 1.047 1.072 1.094

剪力活载系数

由表1可见：对于跨度不大于6m的小跨度桥梁，桥梁内力由列车局部轮重控制，重载列车图式中的机车荷载比中活载中的集中荷载略大，因此对跨度为6m的小跨度桥梁运行轴重大于250kN的重载列车，需进行加固处理。对于轴重为250kN的重载列车，对跨度为8～m简支梁来说，其相对于中活载的弯矩和剪力活载系数均小于1.0，表明既有线桥梁能够满足轴重为250kN重载列车的运行要求。当列车轴重达到280kN时，当跨度达到56m时，弯矩活载系数达到1.007，略超过1.0，因此需对跨度不大于6m和跨度不小于56m的桥梁进行加固。当列车轴重达到300kN时，当跨度达到32m时，弯矩活载系数达到1.017，超过1.0，因此需对跨度不大于6m和跨度不小于32m的桥梁进行加固。当列车轴重达到330kN时，当跨度达到24m时，弯矩活载系数达到1.058，超过1.0，因此需对跨度不大于6m和跨度不小于24m的桥梁进行加固。

对于常用跨度简支梁桥面板，其列车设计活载为特种活载，与250kN轴重列车相当，但对于轴重为280、300、330kN列车，其局部承压能力需进行检算。

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3.2 动力影响

开行重载列车后，列车轴重和列车编组的增加，将加大列车对桥梁结构的动力作用，桥梁结构振动加剧将影响列车的安全性和平稳性，甚至引起列车脱轨的严重事故。根据大秦线等重载铁路部分桥梁的振动测试结果[3][4]，既有线桥梁的突出问题是横向刚度不足，导致横向振幅超过其安全限值。另外，列车轴重加大，应力循环的幅值也将增大，随着列车编组的增加，应力循环的次数也增多，这将直接导致桥梁结构的疲劳损伤加剧，进一步降低桥梁结构的疲劳寿命。

4 既有线桥梁概况及开行重载列车的对策

既有线铁路桥梁种类繁多，因建造年代不同，采用了不同的设计标准。如开行重载列车，势必充分考虑其对既有铁路桥梁的静力及动力影响，采取科学对策，保证重载铁路运输安全。 4.1 既有线桥梁结构概况

既有线建造年代不同，采用了中华活载、中-Z活载、“中活载”等设计标准。如成渝、黔桂等线建于上世纪四、五十年代，桥梁设计标准采用中华活载；宝成、成昆、内六、川黔等线建于上世纪五、六十年代，桥梁设计标准采用中-Z活载；达成、渝怀、遂渝等线为上世纪八十年代以后建造，则采用了现行桥梁设计标准“中活载”标准。2000年以后建成的桥梁，对桥梁的动力性能给予了更多的考虑，其运营性能特别是横向振动指标有明显提高。

对既有线桥梁承载系数检算时发现，成渝、黔桂、宝成、成昆、内六、黔等线因桥梁设计标准采用中华活载或中-Z活载标准，标准较中活载低，部分桥梁承载系数<1，即不满足中活载要求。

上世纪八十年代以前建成的部分普通混凝土简支桥梁，经长期运营，混凝土开裂、钢筋锈蚀等病害发展，如16米普通钢筋混凝土简支∏梁梁体下缘纵向长大裂纹发育，削弱桥梁实际承载能力。

4.2 开行重载列车的对策

开行重载列车前，应针对各既有线设计标准、桥梁状况进行可行性论证，制定相应的安全对策，确保行车安全。

⑴ 对2000年后建成并做了横向加固的桥梁，如渝怀线的桥梁目前具有开通250kN轴重重载列车的条件。开行重载列车后，应进行必要的监测并对桥梁进行疲劳检算。

⑵ 对采用中活载标准设计但未做横向加固的桥梁，如达成线的桥梁，因重载列车的动力作用明显大于现行普通货物列车，应在开行重载列车前进行车桥耦合振动分析、计算，对梁体进行必要的横向加固。

⑶ 对设计标准低于中活载标准或梁体存在影响承载力病害的桥梁，如成渝、川黔等线上的部分桥梁，在开行重载列车前，须通过理论检算或检定试验明确桥梁实际承载能力并做相应的加固或换梁措施以确保运输安全。

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5 结论

针对既有线常用跨度简支桥梁的现状，运行轴重250 kN的重载列车从静力角度来说，部分线路已具备开行条件；对设计标准较低、建造年代久远的桥梁，需通过必要的论证和相应工程措施以达到开行条件。既有线桥梁结构横向刚度普通偏低，重载列车引起桥梁振动将影响结构的耐久性和列车的安全性和平稳性。因此，在运行重载列车前，除进行相应的静力检算外，还应进行车桥耦合振动分析和动力测试，以确定合理的加固方案。

6 参考文献

【1】钱立新. 世界重载铁路运输技术的最新进展[J]. 机车电传动，2010，（1）：3-7.

【2】德艳. 大轴重列车对既有线简支T梁的静力影响研究[J]. 铁道标准设计，2010，（10）：74-76.

【3】康高亮，刘丙强，柯在田. 大秦线2万t货物列车条件下线桥设备试验研究[J]. 中国铁道科学，2008，29（6）：35-40. 【41】李承君，马林. 既有重载铁路墩梁加固分析[J]. 铁道建筑，2010，（10）：22-25.

作者简介：吴俊（1968.3），高级工程师，成都铁路局工务检测所。

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