朔黃重載鐵路提速試驗(yàn)研究

石江

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350）

0 引言

近年來我國鐵路事業(yè)蓬勃發(fā)展，尤其表現(xiàn)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(jì)90年代前，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，且運(yùn)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(yàn)研究方面，羅慧剛［5]以朔黃鐵路南運(yùn)河特大橋?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^有限元仿真分析結(jié)合現(xiàn)場動(dòng)力性能試驗(yàn)，研究列車在提速作用下對橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響，結(jié)果表明，橋跨結(jié)構(gòu)橫向加速度值與列車軸重有關(guān)，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(diǎn)及其面臨的挑戰(zhàn)和對策，以及滬寧線的旅客列車和貨物列車提速試驗(yàn)情況，結(jié)果表明，目前的移頻自動(dòng)閉塞設(shè)備已不能適應(yīng)需要，可將現(xiàn)有的8 min 追蹤間隔改為7 min。龍衛(wèi)國等［7-10]以朔黃線溫塘河特大橋?yàn)槔?，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(dòng)力學(xué)方程組，采用迭代求解，編制了相應(yīng)重載鐵路車－橋耦合振動(dòng)分析程序，通過仿真計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)分析了重載列車速度對重載鐵路簡支梁橋的各種動(dòng)力性能指標(biāo)的影響，結(jié)果表明，列車速度對橋梁的各項(xiàng)動(dòng)力性能影響較大，橋梁的各項(xiàng)動(dòng)力指標(biāo)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(diǎn)論述目前全國既有鐵路普遍提速的總體思路與目標(biāo)以及普遍提速的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)果表明，列車提速后，可以在膠濟(jì)線、浙贛線和鷹廈線上安全運(yùn)行。重載鐵路可以采取增加車輛軸重、提高牽引質(zhì)量、提高列車運(yùn)行速度等措施，使既有線路運(yùn)能在較短時(shí)間內(nèi)獲得大幅度提升，順利實(shí)現(xiàn)大幅度提高年運(yùn)量的目標(biāo)［12-13]。但無論哪種提高年運(yùn)量的方式，都會(huì)改變原有列車運(yùn)行狀態(tài)，列車能否安全運(yùn)行也不可知，因此需要有完整的評價(jià)體系去分析線路的平順性和列車運(yùn)行的安全性。而朔黃鐵路部分區(qū)段為小半徑大坡道，導(dǎo)致神池南—原平南、南灣—西柏坡區(qū)段重載列車限速為70 km/h，制約了朔黃鐵路的運(yùn)輸能力的提高，如何提高該區(qū)段的運(yùn)輸能力成為一個(gè)熱點(diǎn)問題。

由上述研究現(xiàn)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(shù)是以數(shù)值模擬為主，其分析結(jié)果的正確性有待試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，對于重載鐵路來說，線路提速對線路的運(yùn)營狀態(tài)提出了更高要求，需要全方位分析評價(jià)線路的穩(wěn)定性。因此，以朔黃鐵路北大牛—原平南區(qū)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(jìn)行重載列車提速試驗(yàn)線橋監(jiān)測試驗(yàn)，可為今后重載鐵路提速試驗(yàn)研究積累經(jīng)驗(yàn)。

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(yùn)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(jié)構(gòu)采用粗鋼筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁，梁高1.9 m，重車線T 梁采用縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，橫隔板處采用橫向預(yù)應(yīng)力加固；下部結(jié)構(gòu)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?qū)挾?.35～7.42 m；0號臺采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，其余墩臺均采用樁基礎(chǔ)，擴(kuò)大基礎(chǔ)基底為卵石土，設(shè)計(jì)荷載均為中-活載，地震基烈度8度，最大凍結(jié)深度1.1 m。

2 試驗(yàn)方案

根據(jù)朔黃鐵路工務(wù)設(shè)備特點(diǎn)及病害情況，在上行線選擇有代表性的橋涵工點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，以評估重載列車提速的安全性及對工務(wù)設(shè)備的影響。

2.1 試驗(yàn)列車與試驗(yàn)速度

排DF4B+4 節(jié)C80重車+DF4B以5 km/h 速度（反方向）通過各試驗(yàn)工點(diǎn)，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定。各工點(diǎn)之間的速度不作限定。

試驗(yàn)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(yàn)速度通過試驗(yàn)段。每一編組下，每速度檔進(jìn)行3次試驗(yàn)。在正式試驗(yàn)之前，安

圖1 朔黃重載鐵路北崗中橋

2.2 測試方法與設(shè)備

梁體、墩柱的振幅和加速度采用振動(dòng)傳感器直接測試。強(qiáng)振頻率通過截取列車通過時(shí)段的振動(dòng)時(shí)域波形作頻譜分析求取。梁體動(dòng)應(yīng)變采用應(yīng)變傳感器直接或組成橋路，配合數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行測試。梁體豎向動(dòng)撓度和支座動(dòng)位移采用位移計(jì)，配合數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行測試。

橋梁動(dòng)力性能測試采用高精度、高穩(wěn)定性的傳感器和網(wǎng)絡(luò)分布數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程無線傳輸和數(shù)據(jù)處理一體化測試系統(tǒng)，保證檢測數(shù)據(jù)的有效性。整個(gè)檢測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采集無人值守、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析（見圖2）。

圖2 橋梁動(dòng)力性能測試系統(tǒng)

2.3 測點(diǎn)布置

試驗(yàn)工點(diǎn)K75+453北崗中橋選擇3孔梁體與相應(yīng)橋墩進(jìn)行測試，具體測點(diǎn)布置見圖3。測點(diǎn)現(xiàn)場布置見圖4。

圖3 K75+453北崗中橋測點(diǎn)布置圖

3 適應(yīng)性分析

3.1 梁體跨中撓度與撓跨比

3.1.1 準(zhǔn)靜態(tài)撓度與撓跨比

在運(yùn)行速度5 km/h 的準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定列車（DF4B+4C80+DF4B）荷載下，第4 孔梁體跨中撓度典型時(shí)域波形見圖5。從圖中可以看出實(shí)測梁體跨中撓度1.07 mm，理論計(jì)算值2.61 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)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(guī)范》（鐵運(yùn)函〔2004〕120 號）（簡稱《橋檢規(guī)》）普通高度預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3.1.2 動(dòng)撓度與速度關(guān)系

在重載列車作用下，第4孔梁體跨中撓度典型時(shí)域波形見圖6，梁體跨中最大撓度與行車速度關(guān)系見表1。通過對比圖6 和表1 可以看出實(shí)測梁體撓度最大值為1.25 mm，出現(xiàn)在C80貨車以68 km/h速度通過的時(shí)間點(diǎn)。實(shí)測梁體跨中撓度與行車速度關(guān)系不是很明顯，但梁體跨中撓度實(shí)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(dòng)典型時(shí)域波形見圖7，梁體跨中最大橫向振幅與行車速度關(guān)系見表2。

通過對比圖7 和表2，可以發(fā)現(xiàn)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(guī)》貨車（V≤80 km/h）下預(yù)應(yīng)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(yàn)車速范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)梁體橫向共振現(xiàn)象，說明梁體結(jié)構(gòu)可以承受上部變化的列車荷載。

圖4 橋梁測點(diǎn)示意圖

圖5 準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定列車作用下實(shí)測跨中撓度時(shí)域波

圖6 試驗(yàn)C80重載列車作用下實(shí)測跨中撓度典型時(shí)域波形圖

表1 試驗(yàn)重載列車作用下實(shí)測跨中最大撓度及行車速度

圖7 試驗(yàn)重載列車作用下實(shí)測跨中橫向振動(dòng)典型時(shí)域波形圖

表2 試驗(yàn)重載列車作用下實(shí)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(dòng)典型時(shí)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(yàn)車速范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)梁體豎向共振現(xiàn)象，說明將列車速度提高到80 km/h，橋梁結(jié)構(gòu)可以保證其運(yùn)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(dòng)加速度典型時(shí)域波形見圖9，梁體跨中最大橫向加速度與行車速度關(guān)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(guī)》橋跨結(jié)構(gòu)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(guī)范限值。

圖8 試驗(yàn)重載列車作用下實(shí)測跨中豎向振動(dòng)典型時(shí)域波形圖

圖9 試驗(yàn)重載列車作用下實(shí)測跨中橫向加速度典型時(shí)域波形圖

表3 試驗(yàn)重載列車作用下實(shí)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(yàn)重載列車作用下，2 號墩和3 號墩頂橫向振動(dòng)典型時(shí)域波形見圖10，墩頂最大橫向振幅與行車速度關(guān)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(guī)》規(guī)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(guī)》規(guī)定的該墩頂橫向振幅通常值0.89 mm。對比發(fā)現(xiàn)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(guī)范限值，說明橋梁結(jié)構(gòu)可以承受列車荷載變化的影響。

圖10 試驗(yàn)重載列車作用下實(shí)測墩頂橫向振幅典型時(shí)域波形圖

表4 試驗(yàn)重載列車作用下實(shí)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(jié)構(gòu)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(shí)域波形見圖11，支座最大縱向位移與行車速度關(guān)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(diǎn)DL3-1、DL3-2 和4 號臺頂支座測點(diǎn)DL4-1 實(shí)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(guān)系不明顯。在第4 孔梁兩端3 號墩和4 號臺處支座實(shí)測縱向位移均較小，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，支座處銹蝕嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了支座的活動(dòng)，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(yàn)重載列車作用下實(shí)測支座縱向位移典型時(shí)域波形圖

表5 試驗(yàn)重載列車作用下實(shí)測支座最大縱向位移及行車速度

4 結(jié)論

由K75+453北崗中橋的試驗(yàn)結(jié)果分析得出，在C64、C70與C80編組列車作用下，試驗(yàn)測試速度范圍內(nèi)，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(guī)》規(guī)定的限值，因此橋涵結(jié)構(gòu)可滿足提速至80 km/h的安全運(yùn)營要求。

（1）K75+453北崗中橋?qū)崪y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(guī)》規(guī)定的安全限值和通常值，說明列車提速后，可以在橋梁結(jié)構(gòu)上安全運(yùn)行。

（2）實(shí)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(yīng)變，以及墩頂橫向振幅等隨列車運(yùn)行速度的增加而增大，其中梁體跨中撓度實(shí)測值隨列車軸重加載效率的增加而增大，但都在規(guī)范值以內(nèi)，因而不影響行車安全性。

（3）北崗中橋?qū)崪y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(xiàn)場查驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)支座嚴(yán)重銹蝕，影響了支座的服役性能，為保證列車安全運(yùn)行建議更換支座。