既有鐵路橋梁開行大軸重重載列車適應性研究

盧朝輝，馬義飛，余志武，宋力

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

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既有鐵路橋梁開行大軸重重載列車適應性研究

盧朝輝1,2，馬義飛1,2，余志武1,2，宋力1,2

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

既有鐵路開行大軸重重載列車是我國貨運鐵路的重要發展方向。但是，既有鐵路開行大軸重重載列車，將加劇既有鐵路橋梁的疲勞損傷并縮短其使用壽命，因此，開展既有鐵路橋梁對大軸重重載列車的適應性研究具有重要意義。首先基于“模擬疲勞荷載法”通過Matlab軟件編程計算了21,23,25,27,30和33t軸重列車作用下，既有鐵路6～56m跨徑橋梁的荷載譜。然后，基于各跨徑橋梁的荷載譜，就大軸重重載列車運行條件下，既有鐵路橋梁的靜力適應性和疲勞適應性進行分析。最后，以既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋為例，采用國內外具有代表性的鋼筋疲勞S-N曲線對其疲勞壽命進行預測，在此基礎上，提出了適用于我國既有鐵路橋梁疲勞壽命預測的建議公式。研究成果可為我國既有鐵路開行大軸重重載列車提供技術支撐。

大軸重列車；既有鐵路橋梁；適應性分析；靜力設備；疲勞壽命

重載鐵路因具有送輸能力大，經濟和社會效益顯著等特點在世界范圍內迅速發展[1-2]。我國重載鐵路發展起步較晚，目前，我國重載列車軸重主要集中在21～25t，然而與世界重載運輸發達國家相比我國重載列車軸重相對較低(見表1)，為了適應我國經濟發展需求和縮小與重載運輸發達國家的差距，既有鐵路開行27,30和33t等大軸重重載列車成為我國重載鐵路發展的必然趨勢。既有鐵路開行大軸重重載列車后，將使既有鐵路橋梁結構的荷載效應和荷載作用頻次大幅增加，嚴重威脅橋梁結構的正常使用和鐵路運輸的安全運營[3～5]。因此，開展大軸重重載列車作用下既有鐵路橋梁的適應性研究具有重要意義。

表1　國內外重載運輸現狀

有關橋梁結構對重載列車適應性的研究已有很多。崔鑫等[6]針對大秦線25t軸重列車運營狀況，對大秦線8m鋼筋混凝土橋梁的疲勞損傷和使用壽命進行了分析；孔德艷以朔黃鐵路為工程背景，從靜力學的角度分析了朔黃鐵路跨度24和32m簡支T梁在列車軸重為25，28，30和33t情況下的剛度、強度、抗裂性以及橋面板局部承壓等性能；余志武等[8]就重載列車作用下普通鐵路上32m跨徑橋梁的疲勞性能進行了研究；李進洲等[9]通過6片1/6縮尺模型梁疲勞試驗，研究了重載鐵路橋梁疲勞變形和裂縫擴展規律；戴公連等[10]通過對幾種活載模式作用下24m跨徑簡支梁的受力特性分析，提出了適用于30t軸重重載列車的24m簡支T梁和箱梁的結構形式。

大軸重重載列車運行條件下，既有鐵路橋梁結構將面臨靜力承載力和疲勞損傷雙重挑戰。然而，目前針對這方面開展的研究還不夠全面和深入。本文根據我國21～33t軸重列車特點，從靜力儲備、疲勞損傷及疲勞壽命預測3個方面就我國既有鐵路開行大軸重重載列車后，既有鐵路橋梁的適應性問題進行了研究。

1　 大軸重重載列車作用下既有鐵路橋梁結構荷載譜理論計算

既有鐵路大軸重重載列車的逐步開行，使得既有鐵路橋梁在高應力和高頻率荷載作用下更易于發生疲勞破壞。疲勞破壞一般為脆性破壞，破壞前沒有明顯征兆，因此為了保證鐵路運輸安全，了解既有鐵路橋梁在大軸重重載列車作用下的受力特性及疲勞壽命顯得尤為重要。確定既有鐵路橋梁在列車荷載作用下的受力特性及疲勞壽命，首先需要了解既有鐵路橋梁的荷載效應隨時間的變化歷程，即荷載譜。獲得荷載譜的方法通常有“實測法”和“模擬疲勞荷載法”。“實測法”是以現場實測為主，以理論分析和調查統計為輔的方法，這種方法工作量大，得到的荷載效應譜針對性強，通用性較差。“模擬疲勞荷載法”是以調查統計、理論分析為主，以現場實測為輔，根據既有鐵路橋梁上的列車荷載，采用適當的荷載模型來表達，該方法具有通用性強，現場實測工作量較小的特點。

車惠民等[11]研究表明基于“模擬疲勞荷載法”采用典型列車模型建立鐵路橋梁結構效應譜的方法既簡單可靠又靈活實用，具有一定的參考意義，因此本文采用“模擬疲勞荷載法”，以我國鐵路目前及以后即將開行的實際貨車軸式圖作為列車荷載理論模型，采用結構力學的方法計算了不同軸重列車運行條件下各跨徑橋梁的荷載效應譜。具體計算步驟為：1) 通過調查確定目前及以后我國鐵路貨運列車軸重主要為21，23，25，27，30和33t，并以各軸重貨車實際軸式圖(圖1)作為列車荷載理論模型(圖2)；2) 確定各軸重貨車設計技術參數，主要為各軸重貨車所對應的長度、軸距及定距，如表2所示；3) 將由各軸重貨車單獨編組而成的一段列車作為移動荷載通過各跨徑橋梁，采用結構力學影響線的方法計算出移動列車荷載作用下各跨徑橋梁跨中截面荷載效應隨移動列車荷載作用的時間歷程曲線(未考慮牽引機車的作用)。以上計算結果的可靠性取決于移動列車荷載計算步長的選定，計算步長越小計算結果越符合實際，計算數據的可靠性也越大。通過對計算過程的規律分析，本文采用Matlab軟件編程計算實現了以上計算過程，計算中移動列車荷載的計算步長設為1cm，即列車荷載每向前移動1cm程序自動計算一次橋梁結構跨中截面的荷載效應。因此，本文采用理論方法計算出的荷載譜能夠較準確的反映列車荷載作用下橋梁結構的實際荷載效應隨時間變化過程。

通常可以用橋梁結構的荷載效應—列車運行里程曲線來反映其荷載譜的變化規律，因此為了能夠說明問題和簡便起見，不考慮牽引機車，以5節貨車編組情況為例，采用“模擬疲勞荷載法”計算出不同軸重列車作用下既有鐵路各跨徑橋梁的荷載效應—列車運行里程曲線如圖3所示(限于篇幅，只列車了部分曲線)。

圖1　我國鐵路實際貨車軸式圖Fig.1 Train axle diagram of freight railway in China

圖2　列車荷載理論模型圖Fig.2 Theoretical model of train load

貨車軸重(t)212325273033貨車長度/m13.43813.72612.00013.97613.72614.645

從圖3可以看出：1) 同一編組列車運行條件下，隨著橋梁跨徑的增大，列車對橋梁結構的有效疲勞作用次數有所減小，但減小程度微小；2) 對于跨徑小于貨車第2、3軸軸距的橋梁，其荷載效應—里程曲線在峰值處呈“駝峰”狀，“駝峰”的出現額外增加了小應力幅值的循環荷載作用；3) 當橋梁跨徑為貨車長度的偶數倍時，橋梁的荷載效應—列車運行里程曲線為一條直線，即這種情況下，列車對橋梁結構不產生疲勞荷載作用(編組為25t軸重的列車通過24m和48m跨徑橋梁的情況)。

2　既有鐵路橋梁對開行大軸重重載列車靜力適應性分析

以不同軸重列車運行條件下，既有鐵路各跨徑橋梁荷載譜的峰值荷載作為列車引起橋梁結構的最大荷載效應，與采用“中—活載”計算的設計荷載效應進行對比，可得到不同軸重列車運行條件下，既有鐵路各跨徑橋梁的靜力儲備。

“中—活載”作用下各跨徑梁橋跨中截面最大彎矩的計算依據《鐵路橋涵設計手冊》，按照式(1)進行計算。

M=(1+μ)kw

(1)

式中：M為橋梁的跨中彎矩；1+μ為動力沖擊系數，按1+μ= 1+12/(30+L)計算；L為簡支橋梁的計算跨徑；k為“中—活載”的換算均布荷載，可通過查《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)得到。

不同軸重列車運行條件下各跨徑橋梁的靜力儲備如圖4所示，其中，縱坐標軸上“正、負”分別表示低于以及超出設計荷載效應的百分比，“0”表示列車引起的荷載效應與設計荷載效應等效。

(a) 6 m跨徑橋梁；(b) 8 m跨徑橋梁；(c) 12 m跨徑橋梁(d) 16 m跨徑橋梁；(e) 24 m跨徑橋梁；(f) 32 m跨徑橋梁圖3　不同軸重列車作用下各跨徑橋梁荷載效應—里程歷程曲線Fig.3 Load effect-mileage curves for railway bridges with different spans under different train axle loads

圖4　各跨徑橋梁靜力儲備圖Fig.4 Static reserves of railway bridges with different spans

圖4表明，不同跨徑橋梁對各軸重列車豎向承載力適應性不同。其中，30和33t軸重列車對6～12m跨徑橋梁靜力承載力影響最為顯著，30和33t軸重列車分別作用下，6～12m跨徑橋梁靜力儲備分別為-1.87%～-2.36%和-11.12%～-11.62%，靜力儲備平均值較25t軸重列車降低了17.1%和26.1%。各軸重列車對20m及以上跨徑橋梁靜力性能影響一般，25～33t軸重列車作用下，20～40m跨徑橋梁的靜力儲備都大于0，其中，24m跨徑橋梁的靜力儲備分別為21.4%，25.4%，15.9%和10.3%，較其它跨徑橋梁高，說明24m跨徑橋梁對大軸重重載列車豎向承載力適應性較好。

結合圖4并考慮到既有鐵路20m跨徑以下橋梁大多采用雙線布置，因此，既有線開行大軸重重載列車后，既有采用“中—活載”設計橋梁的靜力儲備在設計荷載效應以上并接近設計荷載效應，通過對既有鐵路橋梁的擴能改造，既有鐵路6～56m跨徑簡支橋梁在靜力承載力方面可以滿足大軸重重載列車運行要求。

3　既有鐵路橋梁對開行大軸重重載列車疲勞適應性分析

既有鐵路開行大軸重重載列車后，列車對鐵路基礎設施的荷載作用幅值和作用頻次將大幅提高。分別以25t軸重編組1萬噸列車和30t軸重編組2萬t列車通過既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋(標準圖號為叁標橋1 024)的情況為例，通過計算，25t軸重編組1萬t列車通過8m低高度鋼筋混凝土板梁橋一次產生的荷載幅值和循環作用次數分別為73.45MPa和98次，當開行30t軸重編組2萬t列車后，荷載幅值和循環作用次數分別提高至122.4MPa和165次，荷載幅值和疲勞作用次數分別大約提高了67%和68%。不同軸重列車運行條件下，既有鐵路各跨徑橋梁荷載幅變化如圖5所示，隨著列車軸重的提高，各跨徑橋梁的荷載幅曲線大體呈逐步增高的變化趨勢。30t軸重列車作用下4，6，8，10，12，16和20m跨徑橋梁荷的載幅值分別為385.8，912.3，1 474.4，1 836.9，2 150.4，2 091.8和1 294.6MPa，各跨徑橋梁荷載幅值較25t軸重列車作用情況分別提高了17.1%，17.2%，45.5%，39.9%，63.2%，106.4%和293%。由此可見，既有鐵路開行大軸重重載列車后，將對既有鐵路橋梁的疲勞性能產生巨大的不利影響，將導致既有鐵路橋梁過早的疲勞破壞。

試驗研究[12-13]表明混凝土結構的疲勞破壞始于混凝土結構內普通鋼筋的疲勞脆性斷裂，因此，既有鐵路橋梁的疲勞壽命可用橋梁內普通鋼筋的疲勞壽命來反映。鋼筋的疲勞壽命通常用以應力幅為參數的S-N曲線來描述[14]，其在雙對數坐標系中的表達式為：

lgN=A-Blgσ

(2)

式中：N為疲勞失效時的循環次數；A和B為與材料性能、試件尺寸、形狀有關的常數；σ為外荷載作用下鋼筋的應力幅。

根據式(2)，則25t軸重列車作用下各跨徑橋梁的疲勞壽命可表示為N25=10A/σ25B，27t及以上軸重列車作用下各跨徑橋梁的疲勞壽命可表示為Ni=10A/σiB(i表示列車軸重)。

對于同一跨徑橋梁，其抗彎截面系數一樣，因此不同軸重列車作用下，其疲勞壽命存在如下關系：

Ni/N25=(ΔM25/ΔMi)B

(3)

式中：B值可根據文獻[6]取為4.850 7；ΔMi為不同軸重列車作用下，橋梁結構跨中截面的彎矩幅。

基于以上分析與計算，令25t軸重列車作用下各跨徑橋梁的疲勞壽命為1，則開行27t及以上軸重列車后，各跨徑橋梁相對疲勞壽命變化趨勢如圖6所示。

圖6表明：貨車軸重提高后，既有鐵路6～20m跨徑橋梁疲勞壽命呈指數型降低，且橋梁跨徑越大，其疲勞壽命降低幅度越大。27，30和33t軸重列車分別作用下，既有鐵路6～20m跨徑鋼筋混凝土橋梁的平均疲勞壽命分別為25t軸重列車運行條件下的87%，20%和12%，其中，27t軸重列車作用下，16～20m跨徑鋼筋混凝土橋梁疲勞壽命較25t軸重列車降低了79.42%～99.62%；30和33t軸重列車作用下, 8～20m跨徑鋼筋混凝土橋梁疲勞壽命較25t軸重列車降低了83.8%～99.8%和89.2%～100.0%。

圖5　既有鐵路各跨徑鋼筋混凝土簡支橋梁荷載幅變化曲線Fig.5 Variation curves of load amplitude of simply-supported RC concrete railway bridge with different spans

圖6　各跨徑橋梁相對疲勞壽命變化曲線Fig.6 Variation curves of relative fatigue life for existing railway bridges with different spans

4　既有鐵路橋梁疲勞壽命預測適用公式分析

對既有鐵路橋梁進行疲勞壽命評估及預測的基礎是采用Miner線性累積損傷法則確定其損傷度：

(4)

式中：ni為應力幅σi作用下的循環次數； Ni為應力幅σi作用下的疲勞失效循環次數，D是應力幅σi分別循環作用ni次后的損傷度。σi和ni通常通過目標橋梁結構的典型荷載譜獲得，Ni通常通過鋼筋的疲勞S-N曲線計算得到。

目前鋼筋的疲勞S-N曲線都是通過對鋼筋混凝土結構或鋼筋進行疲勞試驗，然后將試驗數據進行擬合得到。由于影響鋼筋混凝土結構或鋼筋疲勞試驗結果的因素很多，如試驗鋼筋的批次、規格、爐號，試件的澆筑及養護質量以及試驗采用的儀器設備等，因此目前國內外通過試驗得到的鋼筋疲勞S-N曲線類型眾多，且不同S-N曲線的計算結果之間存在較大差異。由此可見，既有鐵路開行大軸重重載列車后，對既有鐵路橋梁進行準確的疲勞壽命評估和剩余疲勞壽命預測的關鍵在于選擇合適的鋼筋疲勞S-N曲線。

以既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋為例，采用表3所示預測運量列車編組和具有代表性的鋼筋疲勞S-N曲線(表4)，分別計算其在不同編組列車運行條件下的損傷度和疲勞壽命。

表3　預測運量列車編組

基于本文第1部分的計算方法，即可計算出既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋在不同編組列車運行條件下的荷載譜，然后將荷載譜通過雨流計數法進行統計分析，得到不同編組列車運行條件下，既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋的典型荷載譜。列車編組及典型荷載譜見表5。

表4　國內外普通鋼筋S-N曲線

表5　既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋典型荷載譜

注：表5中“33t-2WT”表示軸重為33t，編組2萬t的列車，其它類似。

既有鐵路橋梁在服役過程中會由于環境、溫度和荷載的共同作用產生不同程度損傷，特別是對于既有的一些鋼筋混凝土橋梁，由于其在設計階段就允許梁體在正常使用階段存在微小裂縫，微小裂縫的存在使得這類橋梁的損傷更為嚴重，主要表現為梁體表面混凝土開裂現象比較嚴重、碳化深度較深，梁內主筋存在不同程度銹蝕等。損傷的存在使得列車運營過程中梁內鋼筋的實際應力幅大于理論計算值。因此，在疲勞損傷計算時，除了對采用文獻[6]和JSCE中公式計算21t軸重列車引起的疲勞損傷時未考慮循環作用次數的折減外，其余計算均將荷載譜中的循環次數依據文獻[16]規定予以折減。

將通過表4和表5得到的ni,σi和Ni值代入式(4)，得到各編組列車通過既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋一次，引起橋梁結構的損傷度變化如圖7所示。

采用表3所示的預測運量列車編組，最終計算得各編組列車作用下橋梁的疲勞壽命如圖8所示。

觀察圖8可以發現，采用不同鋼筋S-N曲線計算的結果之間存在較大差異，既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋的實際使用情況表明文獻[6]中S-N曲線的計算結果較為合理且具有一定的參考價值(由于我國既有鐵路橋梁在實際使用過程中由于環境作用耐久性會逐漸下降，因此本文采用理論方法計算的疲勞壽命偏于保守)，因此，在對我國既有鐵路橋梁進行疲勞損傷評估及壽命預測時本文建議采用文獻[6]中的公式。

圖7　橋梁損傷度變化曲線Fig.7 Variation curves of damage of bridge

圖8　橋梁疲勞壽命變化曲線Fig.8 Variation curves of fatigue life of bridge

5　結論

1) 既有線開行大軸重列車后，既有采用“中—活載”設計的6～56m跨徑簡支橋梁通過擴能改造，在靜力承載力方面可以滿足大軸重重載列車運行要求。

2) 大軸重重載列車對既有鐵路橋梁疲勞性能影響巨大，表現為既有鐵路6～20m跨徑橋梁的疲勞壽命呈指數型下降。其中，27t軸重列車作用下，16～20m跨徑橋梁疲勞壽命較25t軸重列車作用情況降低了79.42%～99.62%；30t和33t軸重列車作用下, 8～20m跨徑橋梁疲勞壽命較25t軸重列車作用情況降低了83.8%～99.8%和89.2%～100.0%。

3) 既有鐵路24m跨徑橋梁對不同軸重列車在靜力承載力和疲勞損傷方面均具有較好的適應性。

4) 對既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋的疲勞壽命預測分析表明，采用文獻[6]中鋼筋疲勞S-N曲線計算出的結果較為合理且具有一定的參考價值，因此，在對我國既有鐵路橋梁進行疲勞損傷分析及壽命預測時本文推薦使用文獻[6]給出的S-N曲線。

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The adaptability study on the operation of heavy-haul trains on existing railway bridges

LU Zhaohui1,2, MA Yifei1,2, YU Zhiwu1,2, SONG Li1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;2.NationalEngineeringLaboratoryforHighRailwayConstruction,Changsha410075,China)

Theoperationofheavy-haultrainsonexistingrailwaysbecomesthedevelopmenttrendofrailwayfreighttransportationinourcountry.However,theloadeffectandfrequencyoftheexistingrailwaybridgeswillbeaddedduetotheoperationofheavy-haultrains,andtherefore,itissignificanttoconductadaptabilitystudyontheoperationofheavy-haultrainsonexistingrailwaybridges.Inthepresentpaper:Firstly,theloadspectrumcurvesforexistingrailwaybridgeswithspansrangingfrom6to56metersunderdifferenttrainaxleloadsincluding21, 23, 25, 27, 30and33t,wereobtainedbynumericalcomputationusingMatlabsoftware;Basedontheseinvestigations,theadaptabilitystudyincludingstaticreservesandfatiguelifeoftheexistingrailwaybridgeswereconducted;Furthermore,thefatiguelifeoflow-heightreinforcedconcretebridgewith8m-spanwaspredictedusingtheexistingS-Nmodelsofreinforcingsteel,andfinally,anempiricalformulaforpredictingthefatiguelifeoftheexistingrailwaybridgeswassuggestedwiththeconsiderationofengineeringpractice.Thefindingsofthispapercanprovidetechnicalsupportfortheoperationofheavy-haultrainsonexistingrailway.

heavy-haultrain;existingrailwaybridges;adaptabilitystudy;staticreserves;fatiguelife

2015-11-23

國家科技支撐計劃資助項目 (2013BAG20B00); 國家自然科學基金資助項目(U1134209; 51422814;U1434204)；長江學者和創新團隊發展計劃資助項目(IRT1296);中南大學“創新驅動計劃”項目(2015CXS014)

盧朝輝(1976-)，男，湖南永州人，博士，教授，從事結構可靠度及耐久性研究；E-mail:luzhaohui@csu.edu.cn

TU37

A

1672-7029(2016)07-1294-09