27 t軸重貨車車—橋耦合響應分析*

田光榮，高芒芒，王新銳

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京100081）

專題研究

27 t軸重貨車車—橋耦合響應分析*

田光榮1，高芒芒2，王新銳1

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京100081）

利用車—橋耦合計算模型，從靜力和動力兩個方面分析了27 t軸重貨車在既有線運行時車輛和橋梁的耦合響應特性進行了分析。結果表明27 t軸重貨車具有較好的動力學性能；在充分考慮車輛運行狀態和橋梁安全儲備的基礎上，需對既有橋梁，特別是小跨度橋梁等設備狀態進行必要的評估和監測，以確保27 t軸重貨車開行的安全性。

車—橋耦合；動態響應；評估；安全

在重載運輸快速發展的歷程和經驗總結中，通過增加貨車軸重來提高運輸效率被公認為是最重要的措施之一。目前以美國、加拿大、澳大利亞、南非為代表的重載發達國家的軸重基本上是30 t以上，最大達到40 t左右。目前，我國通用貨車中23 t軸重占主導地位，在諸如大秦線等運煤專線上25 t軸重敞車也得到了廣泛的運用。要大力發展重載運輸，使我國達到重載運輸發達國家的水平，研制和推廣運用27 t及以上軸重貨車就顯得極為必要［1］。

目前，相比于大規模新建專用線等措施，在既有線開行27 t軸重貨車的可行性和經濟性更佳。與既有70 t級通用貨車和25 t軸重運煤專用敞車相比，27 t軸重通用重載貨車的軸重分別增加了17.4%和8.0%，增加的輪軌力通過輪軌相互作用傳遞給鋼軌、路基和橋梁等線下基礎設施，文獻［2］就探討了軸重增加到25 t的過程中對鐵路軌道結構應采取的加強與維修措施。因此，在研究和發展27 t軸重貨車的同時，不可忽視的重要問題就是軸重提高之后對既有線路基礎設施的影響。因此，本文擬從車—橋耦合系統的角度出發，運用數值仿真計算方法關注27 t軸重貨車動力學性能和橋梁動力響應隨軸重的變化規律，評估不同軸重（不同每延米重）及不同橋梁類型等條件下，既有線路和橋梁對27 t軸重貨車的適應性，分析二者耦合條件下的動態響應規律。

1 橋梁靜力分析

表1和表2分別給出了25 t軸重C80運煤專用敞車和27 t軸重貨車活載與中—活載標準的比較結果。

根據25 t、27 t軸重貨車活載作用下的靜力效應與中—活載比較的結果，可知開行21 t軸重貨車，在跨度200 m以內橋梁產生的荷載效應平均為中—活載的0.71；開行25 t軸重貨車，在跨度200 m以內橋梁產生的荷載效應平均將達到中—活載的0.82；開行27 t軸重貨車，在跨度200 m以內橋梁產生的荷載效應平均將達到中—活載的0.92，橋梁強度發展儲備平均僅為8%，對小跨度橋梁而言，甚至超出了設計活載。這個結論與車—橋振動分析的相關研究結論在一定程度上比較一致［3-6］，而且既有線的運用經驗也證明了小跨度橋梁的活載儲備量較其他跨度低，在實際運輸過程中需進行監測和加固。

因此，在既有線開行27 t軸重貨車，需對既有橋梁，特別是小跨度橋梁的適應性進行深入分析，進行全面監測或者加固等，以確保運輸安全性。

2 車—橋耦合計算模型

對于車—橋耦合系統，主要由列車系統和橋梁系統構成，形成了列車—鋼軌—橋梁耦合系統，在計算過程中從求解和關注對象角度出發，簡化了輪軌接觸關系。

列車模型是由機車和車輛組成，每節機車（車輛）都是由車體、轉向架以及彈簧、減振器等組成的多自由度空間振動系統（質量—彈簧—阻尼系統）。

我國既有鐵路常用跨度橋梁一般采用鋼筋混凝土或預應力混凝土雙片式T梁結構，其中絕大部分橋梁跨度為24 m和32 m，以及8 m小跨度梁，故采用有限元軟件針對類似于這3種典型跨度的橋梁，分別建立有限元模型，然后利用車橋耦合計算程序建立如圖1所示的車—橋耦合計算模型。

全橋模型Ⅰ：預應力混凝土低高度T梁，跨度20.6 m，梁高1.35 m，墩高7.6 m；

全橋模型Ⅱ：預應力混凝土T梁，跨度32.6 m，梁高2.5 m，墩高22 m；

全橋模型Ⅲ：鋼筋混凝土低高度板，跨度8.5 m，梁高0.55 m，墩高4.6 m。

3 車—橋耦合動態響應計算分析

3.1 軸重及每延米重的影響

國外重載運輸發達國家的貨車每延米重能達到或超過10 t/m，我國新的2005活載標準將每延米重由8 t/m（1975年的中－活載規定）提高到了8.67 t/m，增加了8.4%，機車軸重由22 t提高到25.51 t，提高了16%，特種載荷軸重由25 t提高到28.57 t，提高了14.3%。貨物列車對橋梁的影響主要體現在軸重（每延米重）方面，有研究認為：軸重的提高主要對小跨度橋梁影響較大，每延米重的提高主要對中等跨度以上橋梁影響較大［2-6］。因此，通過數值計算分析27 t軸重貨車在裝載不同軸重狀態時（23，25 t和27 t）通過上述3種結構形式橋梁（涵蓋小跨度和中等跨度以上橋梁）時的車—橋耦合的動態響應結果，其中橋梁的動態響應如圖2～圖4所示，車輛的動力學響應如圖5～圖7所示。

根據以上計算結果可知：

（1）車輛系統：對于車輛系統本身而言，由于計算中簡化了輪軌接觸關系，因此動力學響應規律不甚明顯，但有一點可以說明的是軸重由23 t依次增大到25 t、27 t，在100 km/h及以下速度范圍內三者差別有限，當速度高于100 km/h時，軸重越大，輪軸橫向力越大，但脫軌系數并未隨軸重增大有增大的趨勢，說明27 t軸重貨車轉向架在裝載27 t軸重時表現出不錯的低動力性能；

（2）橋梁方面：總體而言，跨中垂向動撓度隨軸重增大而增大，棚車要低于敞車，跨度由20.6 m增加到32 m，跨中垂向和橫向動撓度均增大約60%，而跨度由32 m減小到8 m時，跨中垂向動撓度降低為原來的1/5左右，橫向動撓度略有降低，但是對應橋梁模型III而言，在27 t軸重時敞車和棚車的垂向動撓度要略小于25 t軸重的情況，也就是說橋梁的結構形式對車橋響應也有一定的影響；就跨中垂向加速度而言，小跨度（8 m）橋梁明顯要小于20 m和32 m跨度的橋梁，橫向加速度變化不大；對于同類型車輛，當軸重增大之后，橋梁垂向動力響應的反映最為明顯。因此，每延米重的增大反映在橋梁上最直接的就是跨中垂向動撓度的增大；敞車引起的橋梁垂向振動加速度大于棚車，棚車引起的橋梁橫向振動加速度大于敞車，但所有工況下均小于安全限值。此外，可以看出橋梁的橫向振動對車輛長度較為敏感。

3.2 橋梁動態響應結果分析

本文的主旨是分析27 t軸重貨車在既有線運行的適應性問題，因此，線下基礎，特別是橋梁結構的動態響應就尤為重要。下面以27 t敞車通過時橋梁跨中動撓度為例來分析橋梁動態響應結果，圖8為跨度與跨中動撓度的關系曲線。

由圖8可見跨中動撓度隨跨度增大而呈現增大趨勢，但并非為線性關系，其中32 m跨度橋梁在27 t軸重貨車通過時的跨中動撓度明顯大于其以下跨度橋梁，跨度16～24 m簡支梁的動撓度相當，8 m簡支梁的跨中動撓度明顯小于另外幾個計算跨度的對應值。

此外，以橋梁模型II在27 t敞車、美國六級譜條件下運行的動力響應為例，圖9為車速與跨中動撓度的關系曲線。由圖9可見跨中撓度隨車速增加變化不大，可認為無共振發生。

3.3 列車鄰軸距的影響

針對鄰軸距對車—橋響應的靜力分析，有研究表明［3］：車輛鄰軸距主要影響6～20 m范圍的橋梁受力，對跨度20 m以上的橋梁結構影響相應降低。本文擬從動力角度分析鄰軸距對車—橋耦合系統響應特性。

由圖10的小跨度橋梁（跨度8 m）動力響應可以看出，在車輛軸距、定距不變的情況下，鄰軸距增加對小跨度橋的影響較為顯著，主要體現在跨中動撓度隨鄰軸距增加而減小，但鄰軸距的改變盡管對橋梁的橫向動力響應和橋梁的振動加速度有影響，但無顯著規律。此外，還對32 m跨度的簡支梁橋進行了對應的計算，結果表明鄰軸距的改變對橋梁的各項動力指標均無顯著影響，故不再贅述。

此外，根據車輛動力響應可知：與橋梁的情況類似，鄰軸距的改變在跨度8 m的情況下對車輛動力響應的影響大于32 m的情況，且對車輛垂向動力響應的影響大于對橫向的影響，但在軌道狀態、橋梁參數等因素的綜合影響下，難以總結出明顯規律。

4 結 論

利用車—橋耦合模型計算分析了27 t軸重貨車在不同軸重和每延米重條件下在既有線運行時的車—橋耦合相關問題研究，根據計算結果可知：

（1）27 t軸重貨車軸重由23 t變化到27 t，動力學性能指標有增大趨勢，但未出現線性趨勢，每種軸重條件下，隨速度增大，動力學指標有增大趨勢，27 t軸重貨車在降低動作用力（動載荷）方面表現出較好的優勢。

（2）既有線小跨度橋梁對27 t軸重貨車的適應性要差于中等以上跨度橋梁，小跨度（8 m）橋梁的跨中垂向加速度明顯小于其他跨度橋梁；此外，橋梁的橫向振動對車輛長度較為敏感。

（3）鄰軸距增加對小跨度橋的動態影響較為顯著，而且在小跨度情況下，鄰軸距的改變對車輛垂向動力學響應的影響要大于其對橫向動力學響應的影響。

綜上可知，既有線開行27 t軸重貨車是一個復雜的綜合問題，與車輛和線路、橋梁等密切相關，為確保運行安全性，考慮到既有橋梁對于27 t軸重貨車運行的安全儲備量，建議在保證車輛性能的基礎上還需對線、橋等設備進行調研和監測，適當的時候進行必要的加固。

［1］ 耿志修.大秦鐵路重載運輸技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］ 江成.貨車軸重的增加對鐵道線路的影響［J］.鐵道工程學報，1997，（3）：165-172.

［3］ 胡所亭，牛斌，柯在田.我國既有鐵路橋涵對大軸重貨車開行適應性分析［J］.鐵道建筑，2013，（3）：1-4，24.

［4］ 戴慧敏.適用于新活載標準的鐵路橋梁設計動力系數［D］.長沙：中南大學，2011.

［5］ 李奇，吳定俊，李俊.混編貨車通過中小跨度橋梁時車橋振動分析［J］.同濟大學學報（自然科學版），2007，35（2）：171-175.

［6］ 蘇木標.不同車輛模型對車—橋系統動力分析的影響［J］.振動與沖擊，1991，（1－2）：89-98.

Responses Analysis of Vehicle-Bridge System with 27 t Wagon

TIAN Guangrong1，GAO Mangmang2，WANG Xinrui1
（1 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Railway Science＆Technology Research＆Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The vehicle-bridge coupling response characteristic of the wagon with 27 t axle load running on the existing railway lines was analyzed from two aspects of static and dynamic.The results show that the wagon with 27 t axle load has good dynamics performance；the condition of bridge must be evaluated and monitored based on the running estate of train and safety reserve of bridge in order to ensure the best safety，especially for the small span bridge.

vehicle-bridge coupling；dynamic response；evaluate；safety

U272

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.03

1008－7842（2014）06－0013－05

*鐵道部科技研究開發計劃項目（2012J008－A）

2—）男，助理研究員（

2014－05－28）