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铁路列车活载图式

2021-03-01 来源:个人技术集锦
维普资讯 http://www.cqvip.com 第2 7卷,第2期 2 0 0 6年3月 文章编号:1001—4632(2006)02—0031—06 中 国 铁 道 科 学 CHINA RAILWAY SCIENCE Vo1.27 No.2 March,2006 铁路列车活载图式 辛学忠 ,张玉玲 ,戴福忠 ,潘际炎 (1.北京交通大学土木建筑学院,北京 100044 ̄2.铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京摘100081) 要:列车活载图式是设计各类铁路工程结构的主要依据。随着铁路牵引动力的发展、运输组织的变化 和客运快速化、货运重载化,现行桥梁规范使用的中一活载标准已难以反映列车活载的实际情况和发展,需要修 改。根据使全路设计活载图式一致,遵循客运、货运铁路按各自特点作不同规定的原则,提出由基本设计图式 和长大重车检算图式组成的中一活载(2005)图式。其基本图式为中间4个集中荷载,两边无限长均布荷载。活 载标准分为城际轨道交通、客运专线、客货共线和货运专线四级。增加的长大重车检算图式对有通过长大车要 求的桥梁在中跨度范围得到加强。在增加投资较少的前提下,使桥梁安全储备综合指标更加均衡和合理,改善 实际结构性能,提高结构的安全度。中一活载(2005)图式和相关规定满足铁路运输当前和远期发展的需要,也 满足大型货物车辆运行的需要。 关键词:铁路桥梁;设计;标准;活载图式 中图分类号:U441.2 文献标识码:A 随着国民经济快速持续发展,提高铁路运输能 力是缓解运输压力、适应国民经济发展的必由途 F 5个方面。 1)牵引重量增加 实际列车装载量几乎用足装运能力,新计划用 径。铁路列车活载是设计各类铁路工程结构的主要 依据。它是一组由不同轴距和轴重、按一定规律排 列的具有可变速度的移动作用力。它随着运量的发 展逐步增长。为适应铁路运输发展重载和高速的需 要,本文在铁道部历年相关课题研究成果[1 ]的基 础上,对中一活载图式进行修订研究。 230 kN替代原210 kN的轴重货车,更将使列车重 量整体提升。为适当留有安全储备,中一活载标准 需要适当提高。 2)运营速度提高 客运提速到200 km・h_。,货运120 km・ h_。,将在铁路路网较大面积上实现。桥梁承受列 铁路列车活载标准修订原因 自1975年以来,我国铁路桥梁设计采用的中一 活载标准图式是在蒸汽机车牵引和运输编组背景下 考虑一定发展储备制订的。过去3O年的实践证明, 中一活载图式发挥了积极的作用,基本满足了铁路 发展的需要。3O年后我国铁路运输特征发生了巨 车静活载和动活载不再是中一活载图式体系所描述 的关系。 3)编组特征向多元化发展 为达到客运快速、货运重载的合理目标,客运 专线、城际轨道交通、客货共线、货运专线的运输 格局正在逐渐形成。中一活载作为单一的活载标准 图式,不能适应这种多元化发展。 4)运输设备的变化 大变化,为了满足社会需求,铁道部不断调整运输 组织形式和规范,完善全国路网的发展规划和格 局。因此,中一活载标准图式不论从等级上还是图 式上不再适应我国铁路发展的要求,主要体现在以 收稿日期:2005一lO一11 基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2004G027) 蒸汽机车已经不再作为运营列车的牵引动力, 车辆的结构构造逐步向有利于降低车对桥的动力作 用、增加载重的方向发展,这些都使桥梁受力体系 作者简介:辛学忠(1964),男,山西人,教授级高级工程师,博士研究生。 维普资讯 http://www.cqvip.com 32 中国铁道科学 第27卷 发生变化。中一活载图式是以蒸汽机车为原型,继 3)客货共线活载作为基本图式,在原中一活载 图式基础上适当提高,其动效应不低于中一活载, 续用它计算桥梁结构受力,不能反映运营列车的特 征。 充分发挥既有桥梁等设备承受能力的潜力; 4)在统一全国铁路设计活载图式前提下,根 据客运、货运各自特点作不同规定,实现铁路不同 等级技术装备并存的技术政策,为货运重载、客运 高速、城际轨道交通等开辟技术通道; 5)图式起到机车车辆发展和运输编组外包络 的作用。 5)铁路发展与国际接轨 铁路建设各项标准发展方向是与国际先进标准 接轨,中一活载图式不能适应。 2铁路列车活载图式标准修订原则 铁路活载图式标准修订应以在少增加工程量和 投资的前提下,充分利用现有资源、合理改善运营 条件、保持全路运输有序持续发展为目的。修订的 原则是: 1)以现有运营主流列车为基本评定标准,合 理调整预留发展储备; 3世界主要国家铁路桥梁活载图式分 析 图1给出了美国、欧洲国际铁路联盟委员会推 荐的UIC、日本、前苏联铁路设计活载图式U--lo] 对桥梁的活载动效应。 2)修订后的图式应适应250 kN轴重列车和 120 km・h 速度货物列车的需要; 400 350 口Z 3OO 蕈250 暮200 壬 搬150 100 50 跨度/m 图1各国铁路列车活载图式对比 分析各国活载图式轴重、分布以及对桥梁的效 应情况可以看出,美国和前苏联的活载图式等级最 高;日本的活载图式等级最低;UIC图式与中一活 载图式相近,它的静效应比中一活载稍大,在5 以下,但对35 m以上跨度桥梁的动效应比中一活载 小。 4.1图式研究 4.1.1基本图式 4铁路列车活载标准修订研究 基本图式以客货共线的一般线路为基本对象。 在修订活载图式的最大轴重方面,根据各国经验和 试验研究成果[1卜 ],250 kN轴重货车是铁路货车 车辆今后发展的较佳极限,因此预测在一般客货共 线铁路的机车车辆最大轴重在今后较长时间内不超 过250 kN;在分析活载图式的延米载重方面,根 据车辆构造预测车辆延米载重不超过85 kN・ 由于UIC图式是为适应欧洲各国活载图式而 定,因此可以分级使用,而且它不仅可以在整个图 式基础上等比例分级,还可以根据需要对集中荷载 和均布荷载分别确定提高或降低系数。所以,采用 中间4个集中荷载、两边对称均布荷载的UIC图 式比较适合我国国情。 m_。;在分析列车活载远期效应时,以全路运营数 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 铁路列车活载图式 33 量最多且重量较大的C6z货车和DF4内燃机车作为 当前运营主流列车,以100年设计基准期内超越概 率5 作为确定实际列车荷载特征值的依据,车辆 轴重增长取主轴重210 kN发展到250 kN、最大限 值为100年不超过300 kN的三角形经验分布作为 发展系数的概率分布[1 ,车辆均布载重增长取 60.8 kN・m 发展到85 kN・m 的三角形经验分 布作为发展系数的概率分布。分析结果见表1。 表1 C4z货车的换算均布荷载 注: 现行中一活载储备系数一 藩 孳蓦斋 ; z)uc图式储备系数=量蔷 霎鍪簧鬃嘉 。 分析表明,UIC作为基本荷载图式,能够较 合理地反映运营列车的特征,但需要进行调整:对 小跨度梁需要通过特种活载弥补储备偏低的不足; 对大跨度梁需要提高均布荷载等级以适应机车牵引 能力增加、车辆荷载相对较重的现状和发展趋势。 特种活载图式的制订思路:在小跨度时运营荷 载与设计荷载的比值与中、大跨度基本相同(0.75 左右),使得不同跨度桥梁的活载发展裕度基本一 致,从而使桥梁的利用更加经济合理。具体可以通 过改变轴数、轴距和轴重来实现。研究结果表明, 采用改变轴距的方案,即4个250 kN集中荷载、 轴距1.4 m,对桥梁可操作性强,比较合理。 针对我国机车牵引能力增加、车辆荷载相对较 重的发展趋势,对UIC图式下的均布载重从80 kN・m 提高到85 kN・m~、中间保留4个250 kN集中荷载的方案进行分析,结果表明该方案有 较多优势。 4.1.2检算图式 由于新形势对运输的需要,长大车在我国铁路 出现越来越频繁,以往对长大车过桥作为临时荷载 进行检算的解决方法已经严重影响到运输效率和铁 路形象,需要尽快研究制订标准。调查分析表明, 我国现有41种长大货车,采用国际铁路联盟推荐 的重车荷载图式SW/Z作为检算荷载,可以基本包 住。因此本文提出建议增加长大重车活载图式,作 为桥梁设计检算荷载。 4.1.3 图式中的其它问题 对于已经集中运营250 kN轴重重载列车的大 秦线,可以作为货运专线考虑。根据铁路技术政 策,预计在货运需求大的区段,还将修建或改建货 运专线。从总体讲,货运专线所占比例不大。在考 虑列车活载标准时,通过活载分级方案解决货运专 线的荷载标准问题。 关于动力系数的取值,考虑3个方案:①直接 采用UIC动力系数;②根据修订后活载图式的动 效应不低于现行中一活载动效应的原则,在UIC图 式动力系数和中一活载图式动力系数公式基础上进 行调整;③继续采用中一活载图式动力系数。 经计算分析比较,对采用UIC图式动力系数 的方案,由于其随着跨度的增大衰减太快,对小跨 度梁提高太多,而对大跨度梁下降太多,无法使各 种跨度均达到现行中一活载动效应的程度,所以否 定直接采用UIC动力系数,对在已有动力系数形 式基础上进行调整的方案,调整目标是使其动效应 不低于中一活载动效应,主要将蒸汽机车冲击系数 公式进行下调,但该方案有一定的主观性。因此, 在目前的条件下,从偏于安全角度考虑,认为动力 系数取值继续采用现行中一活载相应的动力系数较 为合理。 对于长大货车的动力系数取值,由于一般长大 货车的构造速度是60 km・h_。,因此不需采用一 般列车动力系数。根据桥梁检定规范关于内燃电力 机车冲击力约为蒸汽机车冲击力75 的条文,建 议长大车检算的动力系数按照现行中一活载动力系 数1+ 中的0.75 取值。 4.2分级研究 根据目前铁路运营特征,活载可大体分为4 级:城际轨道交通、客运专线铁路、客货共线铁路 和货运专线铁路。 对欧洲国际铁路联盟UIC的分级系数公式 1.1 、德国规范的分级系数1.12 以及一般0.8, 0.6或1.1,1.2的习惯分级方法进行分析,认为 采用0.8,0.6或1.1,1.2,1.3……的分级方案 较佳。此外,鉴于客运列车与货运列车的牵引特征 不同,采用不同的分级基数,充分利用分级的优 点。分析中采用各种运营线路常用的最不利车型, 即城际轨道交通取城市快速列车6节A型轴式图、 客运专线取较重的SS1+Yz2z客车轴式图、客货共 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国铁道科学 第27卷 线取数量多重量大的DF4 4-C6。M轴式图、货运专线 取目前重量最大的DF。e4-C8。轴式图,作为典型运 营列车,进行相应活载各种分级的安全储备计算。 其目标是使典型运营列车的安全储备大体在0.5~ 0.7范围。 4.3修订图式建议 根据上述研究,建议中一活载(2005)图式由 设计图式和检算图式组成。 中一活载(2005)图式包括一般荷载和特种荷 载。在应用中,可根据线路的运营特征取用相应的 分级图式,见表2。 表2中一活载(2005)图式 线路特征 类 活载 别 名称 48kN・m一 I 一分级图式 主要牵引 般荷载 特种荷载 方式 150kN150kN150kN150kN I _ I l 48 kN・m l90l【Nl90l【Nl90l【N l90l【N 城 际 ZC {¨l Il II II I l l I r『1-兀丁兀+ .: 无限长 I Il 6mI1.6mll 6mI I 无限长 . 8 … ’ 妇 , J l 1 m ro110mI .动力组 内燃机车 轨 道 64 kNm ZK .}lIl lI lI Il l I I l lIII册+ . I200kN 200kN200kN200kN 64 kN・m一 ● I l I 20ol【N 200l【N20ol【N20ol【N : 无限长 I I 1.6mILOmI 3.6mI I 无限长 . 8 b.s ̄i ” ” I l I .电力机车 动车组 内燃机车 m ro1l~mI 客 恁 专 线 客 货 ZK .}II IJ Il II l I J l l IlIIlIll十  I64 kN10,一 200kN 2OOkN200kN 200kN 64kNm—l ● I l I 200l【N 200l【N20ol【N20ol【N , : 无限长 I I 1.6mI1.6m l1.6 I一.I 无限长 一 0.8m 0.8m m m11 0m1 .J l 1 电力机车 动车组 内燃机车 共 ZKH ¨l¨¨¨I I I l l盯册线 ’ 85z(kNIn一 )  I85 kNm 250kN250kN250kN250 kN 85 kNm一 I l l - 250l【N250l【N250l【N250l【N : 无限长 I l1.6 raI .6mII.6mI I 无限长 .  。b.s 85z(kNm’ ) } ” , I l l 1l~mI m m.电力机车 动车组 250z 250z 250z 250z 25(1 z 250Z 250Z 250Z 货 恁 专 线 ZH .}I II¨IJ¨I lI  r ll rk 、l  l盯兀1 -]T『} J l l m m1.: 无限长 I Il 6mIl6mIt.6 I无限长 . 1.0mI 内燃机车 电力机车 0.8m Z≥l 0.8m z≥1 注*:ZC为中国城际;ZK为中国客运;ZKH为中国客货共线;ZH为中国货运 中一活载(2005)长大重车检算图式见图2所 不。 150 kN.m一 短货车,其弯矩效应储备见表3。 表3当前最大的c帅型250 kN超短货车弯矩效应储备 图2 中一活载(2005)长大重车检算图式 4.4与现行中一活载储备的对比 中一活载(2005)图式中的客货共线活载对桥 梁产生的荷载效应较现行中一活载总体提高6 , 较好地解决了现行中一活载存在的问题,满足了实 际工程的需要。相对当前最大的C8。型250 kN超 对铁路典型钢梁和混凝土梁的试设计结果表 明,采用中一活载(2005)图式中的客货共线铁路 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 铁路列车活载图式 [ [[[[ [ 1 ] 2 3 4 ]]]5 ] 6 ] [35 [7 8]][  9 ] 活载比现行中一活载图式设计的桥梁结构内力和应 力有增加,初步分析相应增加的工程量在3 左 右。通常可通过长大重车检算,设计图纸不需变 动。 客货共线铁路活载标准比现行中一活载标准有适当 提高。增加的长大重车检算图式对有通过长大货车 要求的桥梁在中跨度范围得到加强。在增加投资较 少的前歪下,使桥梁安全储备综合指标更加均衡和 合理,改善了实际结构性能,提高了结构的安全 5结论和建议 1)作为现行中一活载图式制订原型的蒸汽机车 度。中一活载(2005)图式和相关规定满足铁路运 输当前和远期发展的需要,也满足大型货物车辆运 行的需要。 已经不再使用,单一中一活载标准不能同时满足客 运提速、货运重载等强化运输措施的发展格局,不 利于与国际接轨。因此不宜作为今后铁路列车荷载 的设计标准图式,需要尽快修订。 2)根据使全路设计活载图式一致,遵循客运、 货运铁路各自特点作不同规定的原则,提出由基本 设计图式和长大重车检算图式组成的中一活载 (2005)图式。它集中了UIC和现行中一活载的优 点,保留了符合我国国情的原设计规范基本体系。 参 考 3)本文提出的中一活载(2005)图式,将活载 标准分为城际轨道交通、客运专线、客货共线和货 运专线4级,反映了客、货运输的特点,解决了客 运快速、货运重载设计标准的矛盾,也为货运专线 运输的发展创造了条件。 4)建议进行不同桥梁、不同线路在典型列车 作用下的动力系数实测和分析,积累有关数据,及 时修订相应的动力系数,使设计活载更加科学合 理。 文 献 周孝贤.旧线铁路桥梁承载能力的分析和新线铁路桥梁设计活载标准的研究报告[R].北京:铁道部科学研究院, 1983. 陈夏新.列车活载图式的研究总报告[R].北京:铁道部科学研究院,1994. 张煅.高速铁路活载图式的研究[R].北京:铁道部科学研究院,1996. 张玉玲.25吨轴重对桥梁影响的研究[R].北京:铁道部科学研究院,1997. 王振华,张2002. 琳,周孝贤,等.铁路列车设计标准活载图式研究Ez].北京:中国老年科技工作者协会铁道分会, 许永贤,叶阳升,杨孚衡,等.时速200 km新建铁路线桥隧站设计暂行规定[z].北京:中华人民共和国铁道部 铁建管函E19983 279号关于印发《时速200 km新建铁路线桥隧站设计暂行规定》的通知,1998. 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Key words:Railway bridge;Design;Criterion;Live load representative figure (责任编辑●●l●●llllllll’ll'll'll'lllllllllll,l’,,',,’,,,,,,,,,,,,,',,’,,’,,’,,,,,,,,,,,,,',吴,’,,彬) ’,, 铁道部推荐的四项科技成果荣获国家科技进步奖 2005年度国家科学技术进步奖在2006年1月9日开幕的全国科学技术大会上揭晓。铁道部推荐的4项科技成果中l项 荣获国家科学技术进步一等奖、3项荣获国家科学技术进步二等奖。 西南交通大学翟婉明等l5名同志共同完成的《铁道机车车辆一轨道耦合动力学理论体系、关键技术及工程应用》荣获 国家科技进步一等奖。 中国南车集团株洲电力机车研究所丁荣军等15名同志共同完成的《交流传动系统及其高性能控制技术的研究与应用》、 中铁大桥局集团有限公司秦顺全等15名同志共同完成的《海上长桥整孔箱梁运架技术及装备》、西南交通大学陈d,)ll等12 名同志共同完成的《牵引变电所安全监控及综合自动化系统》获国家科技进步二等奖。 此次荣获国家科技进步奖的4项铁路科技成果都已经投入实际运用,在铁路第五次大提速、铁路货运重载等方面发挥 了作用。 (信息来源:铁道部政府网站) 

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