滬通長江大橋靜載試驗(yàn)車輛編組及加載輪位分析

蔣凡 劉華 岳青

（中鐵橋隧技術(shù)有限公司，南京 210061）

隨著配套技術(shù)和材料的突破，鐵路橋梁跨入千米級時(shí)代。斜拉橋、懸索橋具有跨度大、造價(jià)低等特點(diǎn)，逐漸在鐵路工程中得以應(yīng)用。滬通長江大橋、連鎮(zhèn)鐵路五峰山特大橋等已經(jīng)建成，川藏鐵路的部分橋梁也計(jì)劃采用特大跨懸索橋的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)鐵路荷載的無限長度加載與橋梁行業(yè)的發(fā)展不匹配，現(xiàn)行規(guī)范的無限長度加載與實(shí)際列車荷載存在差異。由于滬通長江大橋主航道橋跨度和影響線長度超過運(yùn)營列車最大編組的長度，故設(shè)計(jì)階段考慮了活載選取的經(jīng)濟(jì)性、合理性等因素。本文針對該橋成橋荷載試驗(yàn)，探討如何優(yōu)化加載列車的編組和輪位布置形式。

1 概述

1.1 工程背景

滬通長江大橋主航道橋?yàn)殡p塔三索面公鐵兩用斜拉橋，主跨跨度 1 092 m［1］，橋跨布置為（140+462+1 092+462+140）m，見圖1。其跨度遠(yuǎn)超同類橋型主跨630 m 的銅陵公鐵兩用斜拉橋。主塔塔身采用C60 混凝土結(jié)構(gòu)，高330 m。采用鐵路鋼箱梁與桁架組合的三主桁結(jié)構(gòu)，主梁橫斷面見圖2。選用沉井基礎(chǔ)，斜拉索采用三索面布置［2］。

圖1 滬通長江大橋主航道橋跨布置（單位：m）

圖2 主梁橫斷面（單位：cm）

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

滬通鐵路：雙線I級鐵路，中-活載，限速200 km/h，正線線間距4.6 m。

通蘇嘉城際鐵路：雙線客運(yùn)專線，ZK 活載，限速250 km/h，正線線間距4.6 m。

錫通高速公路：雙向6 車道+側(cè)應(yīng)急停車帶，公路-I級，限速100 km/h，總寬33.0 m［3］。

1.3 車輛編組及加載輪位研究的必要性

靜載試驗(yàn)是將輪位加載在結(jié)構(gòu)影響線最不利位置，從而得到橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。為此，要求試驗(yàn)荷載盡量模擬設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)活載。用試驗(yàn)荷載效率來表征模擬程度，根據(jù)現(xiàn)行鐵運(yùn)函〔2004〕120 號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［4］第 11.3.2 條要求，試驗(yàn)荷載效率須滿足0.8～1.0的區(qū)間要求，不可實(shí)施時(shí)可以降低標(biāo)準(zhǔn)，但至少大于現(xiàn)行最大運(yùn)行活載。

針對各個(gè)工況的靜載試驗(yàn)，為了得出合理加載車輛的編組和確定加載輪位，需要對設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載的最不利效應(yīng)進(jìn)行分析，使試驗(yàn)荷載的最不利效應(yīng)滿足［4］：

式中：η為靜力試驗(yàn)荷載效率；Sstat為試驗(yàn)車輛加載產(chǎn)生的變形或內(nèi)力的計(jì)算值；S為設(shè)計(jì)選取的理論活載同位置加載產(chǎn)生的變形或內(nèi)力的計(jì)算值；（1+μ）為檢定采用的動力系數(shù)。

主橋的跨徑和全橋總長均超過實(shí)際列車及到發(fā)線的有效長度，而現(xiàn)行規(guī)范中的活載圖示僅適用跨度168 m 內(nèi)的鋼梁，且中-活載中的車輛均布荷載區(qū)段按無限長度加載。對于設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)活載加載模式和加載長度的選取直接影響式（1）中S的合理性，進(jìn)一步影響根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載的選取規(guī)則而選取的車輛編組及其產(chǎn)生的效應(yīng)。

如不考慮理論標(biāo)準(zhǔn)活載的加載長度，則有可能出現(xiàn)車輛編組過小而滿足不了荷載效率的要求，更為嚴(yán)重的是有可能出現(xiàn)車輛編組過大，試驗(yàn)車輛牽引總重超出區(qū)段的牽引定數(shù)，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、支座反力和變位過大，超出設(shè)計(jì)的要求。

2 活載加載分析

2.1 活載加載長度

為了使靜載試驗(yàn)的荷載效率滿足現(xiàn)行規(guī)范［4］要求，且由于各車道的設(shè)計(jì)活載類型已經(jīng)確定，故要對設(shè)計(jì)階段理論活載加載長度進(jìn)行分析，進(jìn)而確定實(shí)際選擇的車輛編組及其加載輪位。

中-活載加載長度有3種模式［5］：

①到發(fā)線有效長度1 050 m；

②列車牽引定數(shù)5 000 t；

③無限長加載。

滬通長江大橋主航道橋滬通鐵路側(cè)中-活載采用考慮到發(fā)線有效長度1 050 m 的加載模式。考慮車站到發(fā)線前后各40 m 的安全長度，列車的總長可以達(dá)到970 m［6］，荷載圖示見圖3，設(shè)計(jì)列車活載單線總重為78 460 kN。

ZK 活載的加載長度需考慮最長列車的長度和到發(fā)線有效長度等因素［7-8］。客運(yùn)專線上列車采用動車組，最大編組16 輛，最大長度為427 m。荷載圖示［9］見圖4，設(shè)計(jì)列車活載單線總重為27 718.4 kN。

圖3 中-活載加載模式荷載圖示（尺寸單位：m）

圖4 ZK活載加載模式荷載圖示（尺寸單位：m）

2.2 活載總重

橋梁主跨（1 092 m）及總長（2 296 m）都遠(yuǎn)超過上述理論所選用的設(shè)計(jì)活載加載長度，為了達(dá)到試驗(yàn)荷載的加載效率，選取的試驗(yàn)車輛的荷載總重不能超過設(shè)計(jì)的荷載總重，使之盡可能在設(shè)計(jì)荷載的0.8～1.0倍。

確定了活載加載長度，即可確定設(shè)計(jì)活載的車輛活載總重。由于本項(xiàng)目為公鐵兩用斜拉橋，需要對公路及鐵路活載進(jìn)行組合。公路和鐵路均為多車道，按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］第 4.1.4 條、第4.3.2 條和JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》第4.3.1條、第4.3.2條規(guī)定進(jìn)行活載橫向折減［11］。車輛的橫向分配系數(shù)= 車道數(shù)× 車道數(shù)折減系數(shù)×非線性放大系數(shù)×偏載系數(shù)×大跨折減系數(shù)。

滬通長江大橋主航道橋荷載滿載試驗(yàn)加載按鐵路（2 線中-活載+2 線ZK 活載）× 0.8+ 公路（6 線 × 橫向折減系數(shù)0.55 × 縱向折減系數(shù) 0.93）× 0.75 進(jìn)行加載。

3 加載輪位及車輛編組分析

3.1 加載輪位

計(jì)算得出主橋結(jié)構(gòu)各控制截面的內(nèi)力及位移影響線，根據(jù)影響線的趨勢，選擇荷載最不利組合位置進(jìn)行加載，確定該工況下加載輪位的位置和范圍。

以主航道橋中跨跨中撓度加載輪位分析為例，中跨跨中撓度影響線見圖5，加載輪位應(yīng)選擇在中跨撓度影響線同符號區(qū)即最不利處進(jìn)行加載。

3.2 車輛編組

圖5 主航道橋主跨跨中撓度影響線

為了達(dá)到0.8～1.0 的荷載效率，可以先按照設(shè)計(jì)活載總重（包括公路面和鐵路面活載）為控制值對車輛編組，加載輪位在最不利荷載位置。以主航道橋中跨跨中撓度車輛編組為例。由于中跨長1 092 m，設(shè)計(jì)的中-活載為滿載布置970 m，ZK 活載為滿載布置427 m，公路面公路-I也為跨中滿載。

鐵路列車編組考慮區(qū)間牽引定數(shù)5 000 t。

滬通鐵路外線：2 臺DF4C機(jī)車（2×1 380 kN，軸距21.1 m）+30 輛 滿 載 C70貨 車（30×936 kN，軸 距13.976 m）。

滬通鐵路內(nèi)線：2 臺DF4C機(jī)車（2×1 380 kN，軸距21.1 m）+35 輛 滿 載 C70貨 車（35×936 kN，軸 距13.976 m）。

公路汽車編組按每車道10 輛，六車道共60 輛，縱向前車后軸與后車前軸按5 m 軸間距布置。按要求分布在鐵路層及公路層。

鐵路層所需 C70貨車 65 輛，DF4C機(jī)車 4 輛，編組內(nèi)車輛長度為531 m；公路層需60輛滿載重汽車，編組長95 m。

根據(jù)上述影響線，在主跨跨中布載。將初定的車輛編組和加載輪位以靜力荷載的形式計(jì)入結(jié)構(gòu)有限元模型，提出靜力荷載工況下的中跨跨中撓度值，并按式（1）計(jì)算出荷載效率，確定其是否在0.8～1.0。考慮實(shí)際編組車輛的軸重和軸距與設(shè)計(jì)活載的差距，可采用公路面局部配載、微調(diào)車輛數(shù)量及配合移動加載輪位的形式使荷載效率逼近但不超過1.0。加載輪位見圖6。

圖6 主航道橋主跨跨中撓度車輛編組及輪位示意

4 結(jié)論及建議

本文主要對滬通長江大橋設(shè)計(jì)活載加載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，確定了靜載試驗(yàn)工況下鐵路車輛編組及加載輪位。結(jié)論如下：

1）主航道橋的中跨跨徑和橋長均超過實(shí)際運(yùn)行列車長度，設(shè)計(jì)采用的活載加載標(biāo)準(zhǔn)考慮了實(shí)際列車長度、車站到發(fā)線長度、適當(dāng)安全儲備等因素的影響。

2）為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)理念以及橋梁在運(yùn)營期的工作狀態(tài)，荷載試驗(yàn)進(jìn)行車輛編組及加載輪位選取時(shí)，必須考慮設(shè)計(jì)采用的理論活載。

3）依據(jù)設(shè)計(jì)活載加載標(biāo)準(zhǔn)選取加載車輛規(guī)格和數(shù)量并進(jìn)行編組，按照控制斷面的影響線確定加載輪位，考慮區(qū)間牽引定數(shù)確定所需機(jī)車數(shù)量。

4）由選取的車輛編組和加載輪位，得出初始荷載效率。根據(jù)該控制斷面的試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行編組優(yōu)化，使該試驗(yàn)參數(shù)的荷載效率在0.8～1.0。

本文研究內(nèi)容及思路對于超大跨徑鐵路橋梁、公鐵合建橋梁的靜載試驗(yàn)具有借鑒意義。大跨、重載是橋梁的研究方向，作為對實(shí)橋設(shè)計(jì)、施工檢測的靜載試驗(yàn)顯得越發(fā)重要。應(yīng)理清設(shè)計(jì)活載及其加載長度的選擇，與之匹配去進(jìn)行車輛編組并結(jié)合結(jié)構(gòu)影響線選擇加載輪位，通過適當(dāng)方法優(yōu)化車輛編組，使靜載試驗(yàn)的結(jié)果滿足要求。