朔黃重載鐵路提速試驗研究

石江

（朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧 062350）

0 引言

近年來我國鐵路事業蓬勃發展，尤其表現在重載鐵路提速方面［1-2]。由于我國的重載鐵路大多建于20 世紀90年代前，當時設計標準較低，且運營了一定年限，既有重載鐵路能否滿足全面提速的要求成為研究的首要問題［3-4]。

在重載鐵路提速試驗研究方面，羅慧剛［5]以朔黃鐵路南運河特大橋為研究對象，通過有限元仿真分析結合現場動力性能試驗，研究列車在提速作用下對橋梁結構動力性能的影響，結果表明，橋跨結構橫向加速度值與列車軸重有關，橫向振幅和橫向加速度隨速度增大而增大的趨勢不顯著。管天保［6]介紹滬寧線的特點及其面臨的挑戰和對策，以及滬寧線的旅客列車和貨物列車提速試驗情況，結果表明，目前的移頻自動閉塞設備已不能適應需要，可將現有的8 min 追蹤間隔改為7 min。龍衛國等［7-10]以朔黃線溫塘河特大橋為例，采用一系軸箱懸掛貨車模型，建立重載列車－有砟軌道－橋梁的空間動力學方程組，采用迭代求解，編制了相應重載鐵路車－橋耦合振動分析程序，通過仿真計算和現場試驗分析了重載列車速度對重載鐵路簡支梁橋的各種動力性能指標的影響，結果表明，列車速度對橋梁的各項動力性能影響較大，橋梁的各項動力指標隨著列車速度的增加而增大，但不是線性遞增。肖彥君［11]通過回顧我國既有鐵路的提速， 重點論述目前全國既有鐵路普遍提速的總體思路與目標以及普遍提速的關鍵技術，結果表明，列車提速后，可以在膠濟線、浙贛線和鷹廈線上安全運行。重載鐵路可以采取增加車輛軸重、提高牽引質量、提高列車運行速度等措施，使既有線路運能在較短時間內獲得大幅度提升，順利實現大幅度提高年運量的目標［12-13]。但無論哪種提高年運量的方式，都會改變原有列車運行狀態，列車能否安全運行也不可知，因此需要有完整的評價體系去分析線路的平順性和列車運行的安全性。而朔黃鐵路部分區段為小半徑大坡道，導致神池南—原平南、南灣—西柏坡區段重載列車限速為70 km/h，制約了朔黃鐵路的運輸能力的提高，如何提高該區段的運輸能力成為一個熱點問題。

由上述研究現狀可以看出，目前針對重載鐵路提速方面涉及的理論很少，而且大多數是以數值模擬為主，其分析結果的正確性有待試驗驗證。同時，對于重載鐵路來說，線路提速對線路的運營狀態提出了更高要求，需要全方位分析評價線路的穩定性。因此，以朔黃鐵路北大牛—原平南區間上行線K75+200—K81+578的限制速度從75 km/h提高至80 km/h為例，進行重載列車提速試驗線橋監測試驗，可為今后重載鐵路提速試驗研究積累經驗。

1 工程概況

以朔黃鐵路北崗中橋（見圖1）為對象，研究重載鐵路提速對線路運營性能的影響。橋梁中心里程為K75+453，雙線橋，全長88.26 m，橋跨布置為4×16 m。全橋位于直線-12‰的坡道上，重車線路為無縫線路，鋼軌采用75 kg/m、Ⅲ型軌枕。橋梁上部結構采用粗鋼筋先張法預應力混凝土T 梁，梁高1.9 m，重車線T 梁采用縱向預應力碳纖維板加固，橫隔板處采用橫向預應力加固；下部結構采用雙線圓端形橋墩和T 型橋臺，橋墩全高12.2～14.2 m，墩底橫向寬度7.35～7.42 m；0號臺采用擴大基礎，其余墩臺均采用樁基礎，擴大基礎基底為卵石土，設計荷載均為中-活載，地震基烈度8度，最大凍結深度1.1 m。

2 試驗方案

根據朔黃鐵路工務設備特點及病害情況，在上行線選擇有代表性的橋涵工點進行監測，以評估重載列車提速的安全性及對工務設備的影響。

2.1 試驗列車與試驗速度

排DF4B+4 節C80重車+DF4B以5 km/h 速度（反方向）通過各試驗工點，進行準靜態標定。各工點之間的速度不作限定。

試驗列車采用普列、1 萬t 列車和2 萬t 列車，重載列車以70、75、80 km/h 的試驗速度通過試驗段。每一編組下，每速度檔進行3次試驗。在正式試驗之前，安

圖1 朔黃重載鐵路北崗中橋

2.2 測試方法與設備

梁體、墩柱的振幅和加速度采用振動傳感器直接測試。強振頻率通過截取列車通過時段的振動時域波形作頻譜分析求取。梁體動應變采用應變傳感器直接或組成橋路，配合數據采集與處理系統進行測試。梁體豎向動撓度和支座動位移采用位移計，配合數據采集與處理系統進行測試。

橋梁動力性能測試采用高精度、高穩定性的傳感器和網絡分布數據采集分析系統，建立數據自動采集、遠程無線傳輸和數據處理一體化測試系統，保證檢測數據的有效性。整個檢測系統包括數據傳感系統、采集系統、遠程控制系統、無線傳輸系統和供電系統，實現了采集無人值守、數據實時分析（見圖2）。

圖2 橋梁動力性能測試系統

2.3 測點布置

試驗工點K75+453北崗中橋選擇3孔梁體與相應橋墩進行測試，具體測點布置見圖3。測點現場布置見圖4。

圖3 K75+453北崗中橋測點布置圖

3 適應性分析

3.1 梁體跨中撓度與撓跨比

3.1.1 準靜態撓度與撓跨比

在運行速度5 km/h 的準靜態標定列車（DF4B+4C80+DF4B）荷載下，第4 孔梁體跨中撓度典型時域波形見圖5。從圖中可以看出實測梁體跨中撓度1.07 mm，理論計算值2.61 mm，撓度校驗系數0.410。換算至中-活載作用下的撓度為1.33 mm，換算撓跨比1/12030，小于《鐵路橋梁檢定規范》（鐵運函〔2004〕120 號）（簡稱《橋檢規》）普通高度預應力混凝土梁跨中豎向撓跨比通常值1/1800，說明撓跨比未超限，梁體結構處于安全狀態。

3.1.2 動撓度與速度關系

在重載列車作用下，第4孔梁體跨中撓度典型時域波形見圖6，梁體跨中最大撓度與行車速度關系見表1。通過對比圖6 和表1 可以看出實測梁體撓度最大值為1.25 mm，出現在C80貨車以68 km/h速度通過的時間點。實測梁體跨中撓度與行車速度關系不是很明顯，但梁體跨中撓度實測值隨列車軸重加載效率的增加而增大，說明增加軸重對梁體性能影響比較大。

3.2 跨中橫向、豎向振幅

3.2.1 橫向振幅

在重載列車作用下，第2～4 孔梁體跨中橫向振動典型時域波形見圖7，梁體跨中最大橫向振幅與行車速度關系見表2。

通過對比圖7 和表2，可以發現不同列車編組下，C64、C70、C80列車作用第2 孔梁體跨中最大橫向振幅分別為0.16、0.17 和0.24 mm，第3 孔梁體跨中最大橫向振幅分別為0.18、0.18 和0.26 mm，第4 孔梁體跨中最大橫向振幅分別為0.21、0.21 和0.20 mm，均小于《橋檢規》貨車（V≤80 km/h）下預應力混凝土梁跨中橫向最大振幅值1.27 mm。各類貨車作用下，梁體跨中橫向振幅隨行車速度增加增長幅度較小，而且在試驗車速范圍內未發現梁體橫向共振現象，說明梁體結構可以承受上部變化的列車荷載。

圖4 橋梁測點示意圖

圖5 準靜態標定列車作用下實測跨中撓度時域波

圖6 試驗C80重載列車作用下實測跨中撓度典型時域波形圖

表1 試驗重載列車作用下實測跨中最大撓度及行車速度

圖7 試驗重載列車作用下實測跨中橫向振動典型時域波形圖

表2 試驗重載列車作用下實測跨中最大橫向振幅及行車速度

3.2.2 豎向振幅

在重載列車荷載作用下，梁體跨中豎向振動典型時域波形見圖8。不同列車編組下，C64、C70、C80列車作用第2 孔梁體跨中最大豎向振幅分別為0.28、0.32 和0.28 mm，第3 孔梁體跨中最大豎向振幅分別為0.41、0.41 和0.34 mm，第4 孔梁體跨中最大豎向振幅分別為0.31、0.35 和0.29 mm。各類貨車作用下梁體跨中豎向振幅隨行車速度的增加豎向振幅變化幅度較小，且試驗車速范圍內未發現梁體豎向共振現象，說明將列車速度提高到80 km/h，橋梁結構可以保證其運營安全性。

3.3 跨中橫向加速度

在重載列車作用下，第4孔梁體跨中橫向振動加速度典型時域波形見圖9，梁體跨中最大橫向加速度與行車速度關系見表3。由表3 可以看出，不同列車編組下，C64、C70、C80列車作用梁體跨中最大橫向加速度分別為0.11、0.08、0.10 m/s2，小于《橋檢規》橋跨結構橫向加速度限值1.4 m/s2。從而反映了各類貨車作用下梁體跨中橫向加速度隨行車速度的增加而增大，但未超過規范限值。

圖8 試驗重載列車作用下實測跨中豎向振動典型時域波形圖

圖9 試驗重載列車作用下實測跨中橫向加速度典型時域波形圖

表3 試驗重載列車作用下實測跨中最大橫向加速度及行車速度

3.4 墩頂橫向振幅

試驗重載列車作用下，2 號墩和3 號墩頂橫向振動典型時域波形見圖10，墩頂最大橫向振幅與行車速度關系見表4。從表4 可以看出，不同列車編組下，2 號墩頂最大橫向振幅為0.11 mm，小于《橋檢規》規定的該墩頂橫向振幅通常值0.95 mm；3 號墩頂最大橫向振幅為0.11 mm，小于《橋檢規》規定的該墩頂橫向振幅通常值0.89 mm。對比發現各類貨車作用下墩頂橫向振幅隨行車速度的增加而增大，但未超過規范限值，說明橋梁結構可以承受列車荷載變化的影響。

圖10 試驗重載列車作用下實測墩頂橫向振幅典型時域波形圖

表4 試驗重載列車作用下實測墩頂最大橫向振幅及行車速度

3.5 支座位移

支座位移在一定程度上可以反映橋梁結構的受力性能。在重載列車荷載作用下，第4 孔梁兩端3 號墩和4號臺處支座縱向位移典型時域波形見圖11，支座最大縱向位移與行車速度關系見表5。從表5 可以看出，不同列車編組下，3 號墩頂支座測點DL3-1、DL3-2 和4 號臺頂支座測點DL4-1 實測最大縱向位移分別為0.06、0.08、0.06 mm。各類貨車作用下支座縱向位移與行車速度關系不明顯。在第4 孔梁兩端3 號墩和4 號臺處支座實測縱向位移均較小，通過現場觀察發現，支座處銹蝕嚴重，嚴重影響了支座的活動，因而支座位移隨列車速度的增加，變化幅度不是很大。

圖11 試驗重載列車作用下實測支座縱向位移典型時域波形圖

表5 試驗重載列車作用下實測支座最大縱向位移及行車速度

4 結論

由K75+453北崗中橋的試驗結果分析得出，在C64、C70與C80編組列車作用下，試驗測試速度范圍內，梁體跨中橫向振幅等隨列車速度的提高呈增長趨勢，但未超出《橋檢規》規定的限值，因此橋涵結構可滿足提速至80 km/h的安全運營要求。

（1）K75+453北崗中橋實測梁體撓跨比、跨中橫向振幅、橫向加速度以及墩頂橫向振幅，均小于《橋檢規》規定的安全限值和通常值，說明列車提速后，可以在橋梁結構上安全運行。

（2）實測橋梁梁體跨中撓度、跨中豎向振幅、跨中橫向加速度、跨中應變，以及墩頂橫向振幅等隨列車運行速度的增加而增大，其中梁體跨中撓度實測值隨列車軸重加載效率的增加而增大，但都在規范值以內，因而不影響行車安全性。

（3）北崗中橋實測梁體梁端支座縱向位移隨列車速度的增加而增大，但變化幅值很小。通過現場查驗，發現支座嚴重銹蝕，影響了支座的服役性能，為保證列車安全運行建議更換支座。