铁道建筑 Railway engineering October, 2015 文章编号:1003-1995(2015)10-0026-05 我国铁路列车荷载图式的研究与应用 胡所亭12 (1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京100081) 摘要:随着我囯铁路运输的发展,不同类型线路的运营列车在轴重、速度、运输密度等方面都有较大差 异,单一列车荷载图式难以反映新形势下的铁路运输状态。本文回顾了我囯铁路列车荷载图式的研究 和发展情况,介绍了各种类型荷载图式的适用范围和应用中需注意的问题,并提出列车竖向动力作用、 列车纵向作用力等需要进一步研究的问题 关键词:列车荷载图式发展历程应用 中图分类号:U4412文献标识码:ADO1:10.3969/.isn.1003-1995.2015.10.05 铁路列车荷载图式是铁路列车对线路基础设施静 态作用的概化表达形式,也是铁路桥涵结构设计的核1我国铁路列车荷载图式研究和发展情况 心参数。影响列车荷载图式的因素很多,除与机车车 旧中国时代,我国桥梁设计主要应用国外的列车 辆参数、运输模式、速度指标和不同结构体系加载方式荷载标准,包括美国的 Cooper E级荷载、日本的L级 等有关外,尚需考虑桥涵结构设计基准期内机车车辆荷载等。由于荷载等级较低且不统一,造成桥梁承载 装备技术的进步和发展。国际铁路联盟(UC)和世界能力差别较大。1938年,我国制定了列车荷载标准 大部分国家推荐采用能够代表运营列车并具有一定安为中华活载标准(C级);其中主要铁路干线采用的是 全储备的概化图式进行铁路基础设施的设计,如美国C-20级荷载,次要干线采用的是C-16级荷载。新中 的 Cooper E系列荷载,UlC的LM71荷载,以及我国的国成立后,未制定新的标准前临时应用的是前苏联的 中一活载图式等。需要说明的是,为便于理解和H-7,H-8级荷载 区分,早期多将“列车荷载”称为“活载”;本文除对既 我国“铁路桥梁设计规范”共正式颁布实施(含修 有图式等描述外,统一表述为“列车荷载” 订)过6次,分别为1951年,1959年,1975年,1985 我国铁路近年来得到了快速发展,铁路运输总体年,2000年和2005年版本。1951年版规范采用中—Z 呈现“客运高速、货运重载”的发展趋势。随着客运铁活载图式(图1),按铁路不同等级采用中-22~中-26 路网的逐渐建成,既有客货共线铁路将主要承担货物级活载图式;1959年版规范沿用中一Z活载图式,按铁 运输的任务;能源供求较大的区域还新建大轴重等级路不同等级采用中-18~中-26级活载图式。1975年 的重载铁路。不同类型线路运营列车在轴重、速度、运及以后规范统一采用中一活载图式(图2),用于客货 输密度等方面都有较大的差异,单一的列车荷载图式共线铁路桥梁设计。中一活载图式主要源自中一Z活 难以反映新形势下的铁路运输状态。根据铁路的发展载图式系列的中-22级,上世纪70年代修订时考虑到 需求,我国铁路学者对列车荷载作用进行了深入的研牵引车辆重量的增加、机车与车辆重量比的降低等因 究,提出了新形势下的列车荷载图式1。 素,将代表车辆的均布荷载66kN/m提高到80kN/m 特种活载 普通活载 L L1 MIIITIIThiTImL 1.1Z 15L1.51.5L15L 图1中一Z活载图式(距离以m计) 将特种荷载由242kN提高至250kN。实践证明,中 收稿日期:2015-09-11;修回日期:2015-09-20 活载图式基本满足了该期间铁路客货运输发展的 作者简介:胡所亭(1980-),男,副研究员,博士 需要
铁 道 建 筑 Railway Engineering October，2015 文章编号: 1003-1995( 2015) 10-0026-05 我国铁路列车荷载图式的研究与应用 胡所亭1，2 ( 1． 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081; 2． 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081) 摘要: 随着我国铁路运输的发展，不同类型线路的运营列车在轴重、速度、运输密度等方面都有较大差 异，单一列车荷载图式难以反映新形势下的铁路运输状态。本文回顾了我国铁路列车荷载图式的研究 和发展情况，介绍了各种类型荷载图式的适用范围和应用中需注意的问题，并提出列车竖向动力作用、 列车纵向作用力等需要进一步研究的问题。 关键词: 列车荷载图式 发展历程 应用 中图分类号: U441+ ． 2 文献标识码: A DOI: 10． 3969 /j． issn． 1003-1995． 2015． 10． 05 铁路列车荷载图式是铁路列车对线路基础设施静 态作用的概化表达形式，也是铁路桥涵结构设计的核 心参数。影响列车荷载图式的因素很多，除与机车车 辆参数、运输模式、速度指标和不同结构体系加载方式 等有关外，尚需考虑桥涵结构设计基准期内机车车辆 装备技术的进步和发展。国际铁路联盟( UIC) 和世界 大部分国家推荐采用能够代表运营列车并具有一定安 全储备的概化图式进行铁路基础设施的设计，如美国 的 Cooper E 系列荷载，UIC 的 LM71 荷载，以及我国的 中—活载图式等［1-3］。需要说明的是，为便于理解和 区分，早期多将“列车荷载”称为“活载”; 本文除对既 有图式等描述外，统一表述为“列车荷载”。 我国铁路近年来得到了快速发展，铁路运输总体 呈现“客运高速、货运重载”的发展趋势。随着客运铁 路网的逐渐建成，既有客货共线铁路将主要承担货物 运输的任务; 能源供求较大的区域还新建大轴重等级 的重载铁路。不同类型线路运营列车在轴重、速度、运 输密度等方面都有较大的差异，单一的列车荷载图式 难以反映新形势下的铁路运输状态。根据铁路的发展 需求，我国铁路学者对列车荷载作用进行了深入的研 究，提出了新形势下的列车荷载图式［4-7］。 1 我国铁路列车荷载图式研究和发展情况 旧中国时代，我国桥梁设计主要应用国外的列车 荷载标准，包括美国的 Cooper E 级荷载、日本的 L 级 荷载等。由于荷载等级较低且不统一，造成桥梁承载 能力差别较大。1938 年，我国制定了列车荷载标准， 为中华活载标准( C 级) ; 其中主要铁路干线采用的是 C-20 级荷载，次要干线采用的是 C-16 级荷载。新中 国成立后，未制定新的标准前临时应用的是前苏联的 H-7，H-8 级荷载。 我国“铁路桥梁设计规范”共正式颁布实施( 含修 订) 过 6 次，分 别 为 1951 年，1959 年，1975 年，1985 年，2000 年和 2005 年版本。1951 年版规范采用中—Z 活载图式( 图 1) ，按铁路不同等级采用中 －22 ～ 中 －26 级活载图式; 1959 年版规范沿用中—Z 活载图式，按铁 路不同等级采用中 －18 ～ 中 －26 级活载图式。1975 年 及以后规范统一采用中—活载图式( 图 2) ，用于客货 共线铁路桥梁设计。中—活载图式主要源自中—Z 活 载图式系列的中 －22 级，上世纪 70 年代修订时考虑到 牵引车辆重量的增加、机车与车辆重量比的降低等因 素，将代表车辆的均布荷载 66 kN /m 提高到 80 kN /m， 收稿日期: 2015-09-11; 修回日期: 2015-09-20 作者简介: 胡所亭( 1980— ) ，男，副研究员，博士。 图 1 中—Z 活载图式( 距离以 m 计) 将特种荷载由 242 kN 提高至 250 kN。实践证明，中— 活载图 式 基 本 满 足 了 该 期 间 铁 路 客 货 运 输 发 展 的 需要。 26
015年第10期 胡所亭:我国铁路列车荷载图式的研究与应用 特种活载 普通活载 250250250kN 220220220220220kN 1,11I ImITIIITIT-TMmT 图2中一活载图式(距离以m计) 1994年,根据《铁路主要技术政策》(铁科技高速铁路列车荷载图式的研究和制定情况,从列车荷 [993]166号)要求,“为进一步提高列车重量,积极载效应、强度检算和竖向刚度检算等方面,对采用 发展轴重25t低动力作用的大型四轴货车,并相应有0.6UC,0.7ULC和0.8ULC进行了系统对比分析,研究 计划地强化桥梁、线路结构,提高承载能力”,我国铁提出了采用0.8UEC作为普通荷载,同时针对小跨度 路开展了25t轴重作用下轨道和桥梁承受状态及列车桥梁提岀了特种荷载及适用加载范围,制定了我国高 活载图式的研究工作。研究成果表明,随着机车车速铁路列车荷载图式,即K荷载图式(图3),主要应 辆的发展,采用中一活载图式设计的桥梁(跨度1 用于250~350km/h高速铁路桥梁的设计。近年 200m)平均发展储备为9.4%,与国外相比,活载标准来,针对仅考虑动车组开行要求的城际铁路,研究提出 偏低,已不能满足机车车辆发展需求。 了0.6UC作为普通荷载配套相应特种荷载,作为城 1996年,根据我国高速铁路发展需要,结合国外际铁路列车荷载图式,即ZC荷载图式(图4)9。 普通荷载 特种荷载 200200200200 64 kN/m 64 kN/m 250250250250kN 任意长度 1616160.8 任意长度 图3K荷载图式(距离以m计) 普通荷载 特种荷载 48kN/ 50150kN 48 kN/m 0190kN 任意长度 任意长度 图4ZC荷载图式(距离以m计) 2004年,我国铁路开展客货共线和货运铁路桥梁中一活载图式相比,中一活载(2005)图式更符合现有 活载标准的研究工作。在总结历年研究成果的基础铁路移动装备的加载特征,即剪力加载效应略低,弯矩 上,分析了现行中一活载图式实施30年来的工程实践加载效应适当提高。此外,根据通行长大货车需求线 效果,根据当时机车和车辆装备的技术现状和发展,考路的检算需要,提出了长大货车检算图式。 虑牵引质量的增加、运营速度提高、编组及运输模式的 2005年以来,按照国务院加快我国铁路运输装备 变化,提出适用于我国客货共线(ZKH)和货运专线现代化的战略方针,我国铁路货运机车和车辆技术得 (ZH)铁路设计的中一活载(2005)图式(见图5)5。到了迅速发展。2006年,我国铁路停止生产了轴重 图式中4个250kN的集中荷载代表机车车辆轴重效211、载重60t级的通用货车,全路推广轴重23t、载重 应和货车邻轴距效应,85kN/m的均布荷载代表货车70t级通用货车;轴重25t、载重80t运煤专用敞车在 车辆的延米重效应。其中,z为活载等级系数;客货共大秦等重载线路上大量运用;轴重25t和谐型大功率 线铁路(ZKH)z按1.0取用。值得注意的是,与既有机车也在路网中逐步得到运用。装备部门同时开展了 250普通荷载 250、特种荷载 85zkN/m 85:kN/m 任意长度 任意长度 图5中一活载(2005)图式(距离以m计)
2015 年第 10 期 胡所亭: 我国铁路列车荷载图式的研究与应用 图 2 中—活载图式( 距离以 m 计) 1994 年，根 据《铁 路 主 要 技 术 政 策 》( 铁 科 技 ［1993］166 号) 要求，“为进一步提高列车重量，积极 发展轴重 25 t 低动力作用的大型四轴货车，并相应有 计划地强化桥梁、线路结构，提高承载能力”，我国铁 路开展了 25 t 轴重作用下轨道和桥梁承受状态及列车 活载图式 的 研 究 工 作。研 究 成 果 表 明，随 着 机 车 车 辆的发展，采用中—活载图式设计的桥梁 ( 跨度 1 ～ 200 m) 平均发展储备为 9. 4% ，与国外相比，活载标准 偏低，已不能满足机车车辆发展需求［8］。 1996 年，根据我国高速铁路发展需要，结合国外 高速铁路列车荷载图式的研究和制定情况，从列车荷 载效应、强 度 检 算 和 竖 向 刚 度 检 算 等 方 面，对 采 用 0. 6UIC，0. 7UIC 和 0. 8UIC 进行了系统对比分析，研究 提出了采用 0. 8UIC 作为普通荷载，同时针对小跨度 桥梁提出了特种荷载及适用加载范围，制定了我国高 速铁路列车荷载图式，即 ZK 荷载图式( 图 3) ，主要应 用于 250 ～ 350 km / h 高速铁路桥梁的设计［4］。近年 来，针对仅考虑动车组开行要求的城际铁路，研究提出 了 0. 6UIC 作为普通荷载配套相应特种荷载，作为城 际铁路列车荷载图式，即 ZC 荷载图式( 图 4) ［9］。 图 3 ZK 荷载图式( 距离以 m 计) 图 4 ZC 荷载图式( 距离以 m 计) 图 5 中—活载( 2005) 图式( 距离以 m 计) 2004 年，我国铁路开展客货共线和货运铁路桥梁 活载标准的研究工作。在总结历年研究成果的基础 上，分析了现行中—活载图式实施 30 年来的工程实践 效果，根据当时机车和车辆装备的技术现状和发展，考 虑牵引质量的增加、运营速度提高、编组及运输模式的 变化，提出适用于我国客 货 共 线 ( ZKH) 和 货 运 专 线 ( ZH) 铁路设计的中—活载( 2005) 图式( 见图 5) ［5-6］。 图式中 4 个 250 kN 的集中荷载代表机车车辆轴重效 应和货车邻轴距效应，85 kN /m 的均布荷载代表货车 车辆的延米重效应。其中，z 为活载等级系数; 客货共 线铁路( ZKH) z 按 1. 0 取用。值得注意的是，与既有 中—活载图式相比，中—活载( 2005) 图式更符合现有 铁路移动装备的加载特征，即剪力加载效应略低，弯矩 加载效应适当提高。此外，根据通行长大货车需求线 路的检算需要，提出了长大货车检算图式。 2005 年以来，按照国务院加快我国铁路运输装备 现代化的战略方针，我国铁路货运机车和车辆技术得 到了迅速发展。2006 年，我 国 铁 路 停 止 生 产 了 轴 重 21 t、载重 60 t 级的通用货车，全路推广轴重 23 t、载重 70 t 级通用货车; 轴重 25 t、载重 80 t 运煤专用敞车在 大秦等重载线路上大量运用; 轴重 25 t 和谐型大功率 机车也在路网中逐步得到运用。装备部门同时开展了 27
铁道建筑 October 2015 大轴重铁路机车、货车总体技术研究和轴重27,30t的级重载铁路专用货车向轴重30~35t(不含)、载重 样车试制、试验和运用考核工作 100t级发展;货车牵引杆技术的应用将较大幅度减小 2010年以来,根据铁路重载运输新的发展趋势,车辆间相邻车轴的距离(简称邻轴距),车辆对线路基 结合《铁路主要技术政策》修订研究工作,我国铁路对础设施作用效应显著提升。研究认为,中一活载 铁路重载运输发展定位、重载铁路列车荷载标准、既有(2005)图式总体上是适用的,但随着车辆轴重发展和 铁路桥涵对于重载运输适应性等方面开展了系列研究邻轴距的降低,存在对于中小跨度桥涵加载效应偏低 工作10,并对客货共线铁路和货运铁路列车荷载标等问题;为提高设计列车荷载图式效应同时避免z的 准进行了深化研究。从铁路移动装备总体发展趋势取值过大,研究提出了修订方案,即中一活载(2010) 看,铁路货车加载效应较机车更为控制;客货共线铁路图式(图6),客货共线铁路z按1.0取用,不同轴重 通用货车向轴重25~27t、载重80t级发展,大轴重等载重等级的重载铁路根据需求选取相应等级系数 普通荷载 85:kN/m 85:kN/m 任意长度 任意长度 图6中一活载(2010)图式(距离以m计) 2铁路列车荷载图式应用建议 的延米重效应,特种荷载主要用于提高小跨度桥涵结 构和影响线加载长度较短杆件的加载效应。设计列车 ZK,ZC,厶KH和ZH荷载图式的普通荷载形式相荷载效应取普通荷载图式和特种荷载图式加载效应的 同,均采用中间4个集中荷载来代表机车车辆轴重效上限包络值,详见表1。设计时,可根据不同类型铁路 应、轴距和邻轴距效应,采用两侧均布荷载来代表车辆运输特征、运营模式、移动装备情况等综合选用 表1铁路列车荷载图式 图式名称 荷载图式 普通荷载 特种荷载 64kN/m20020020020064kN/m 250250 ZK荷载图式 任意长度86161608任意长度 6664 48 kNm 50150150150 48 kN/m 190190190190 ZC荷载图式 ,, 任意长度816,161698任意长度 85kNm250250250250 85 kN/m 80280280280 ZKH荷载图式 任意长度0816161608任意长度 ⊥414144 85= kN/m 250z2502250:25085:kN/m 280:280:280:2802 ZH荷载图式 任意长度0816161608任意长度 注:为ZH荷载图式中重载等级系数;距离以m计
铁 道 建 筑 October，2015 大轴重铁路机车、货车总体技术研究和轴重 27，30 t 的 样车试制、试验和运用考核工作。 2010 年以来，根据铁路重载运输新的发展趋势， 结合《铁路主要技术政策》修订研究工作，我国铁路对 铁路重载运输发展定位、重载铁路列车荷载标准、既有 铁路桥涵对于重载运输适应性等方面开展了系列研究 工作［10-11］，并对客货共线铁路和货运铁路列车荷载标 准进行了深化研究。从铁路移动装备总体发展趋势 看，铁路货车加载效应较机车更为控制; 客货共线铁路 通用货车向轴重 25 ～ 27 t、载重 80 t 级发展，大轴重等 级重载铁路专用货车向 轴 重 30 ～ 35 t ( 不 含) 、载 重 100 t 级发展; 货车牵引杆技术的应用将较大幅度减小 车辆间相邻车轴的距离( 简称邻轴距) ，车辆对线路基 础设 施 作 用 效 应 显 著 提 升。 研 究 认 为，中—活 载 ( 2005) 图式总体上是适用的，但随着车辆轴重发展和 邻轴距的降低，存在对于中小跨度桥涵加载效应偏低 等问题; 为提高设计列车荷载图式效应同时避免 z 的 取值过大，研究提出了修订方案，即中—活载( 2010 ) 图式( 图 6) ，客货共线铁路 z 按 1. 0 取用，不同轴重、 载重等级的重载铁路根据需求选取相应等级系数。 图 6 中—活载( 2010) 图式( 距离以 m 计) 2 铁路列车荷载图式应用建议 ZK，ZC，ZKH 和 ZH 荷载图式的普通荷载形式相 同，均采用中间 4 个集中荷载来代表机车车辆轴重效 应、轴距和邻轴距效应，采用两侧均布荷载来代表车辆 的延米重效应，特种荷载主要用于提高小跨度桥涵结 构和影响线加载长度较短杆件的加载效应。设计列车 荷载效应取普通荷载图式和特种荷载图式加载效应的 上限包络值，详见表 1。设计时，可根据不同类型铁路 运输特征、运营模式、移动装备情况等综合选用。 表 1 铁路列车荷载图式 28
015年第10期 胡所亭:我国铁路列车荷载图式的研究与应用 用时,虽然可采用效应较小的列车荷载图式,但需要调 3列车荷载图式应用中相关问题的说明 整梁体刚度和基频等参数与之相适应。 3.1关于列车荷载图式发展和储备系数 我国丕KH荷载图式和ZH荷载图式中的普通荷 国际铁路联盟在上世纪70年代研究制定Load载是在UC荷载的基础上,根据我国重载车辆特点进 Model7l荷载图式(简称UC荷载)时,需要涵盖6种行局部调整后提出的,并根据典型四轴货车等制定了 类型的机车车辆,包括六轴机车(120km/h,轴重特种荷载。现阶段动力系数采用既有中一活载图式配 21)、四轴货车(120km/h,轴重251),六轴货车(120套动力系数,该动力系数是对大量实测数据进行拟合 km/h轴重21u)、四轴客车(250km/h,轴重15)、高并按照一定的保证率取其包络值制定的,具有实际意 速列车(300km/h、轴重171)和特种货车(80km/h) 义。根据国内外铁路研究成果和运营实践经验,设计 各类机车车辆在速度和轴重方面差异大,高速列车和选用活载图式时,宜预留平均不少于20%、最小不少 客车自重轻、速度高、动力效应大,货车自重大、速度于10%的列车荷载发展和储备系数。 低、动力作用相对小。为避免统一标准条件下设计列 3 2关于列车荷载图式加载长度 车荷载与运营列车荷载偏差大的情况,一方面提出可 我国现行规范规定荷载图式加载长度根据加载需 按照基本图式的0.75,0.83,0.91,1.00,1.10,1.21, 要确定,不限制加载长度,主要考虑既有客货共线铁路 1.3和1.46的分级系数取用,另一方面提出在图式桥梁跨度一般在200m以下,而运营列车的长度超过 选择方面按照“设计荷载图式静效应x设计动力系数桥跨结构。随着铁路运输特征的变化,高速铁路动车 >运营车辆静效应ⅹ运营动力系数”的总体原则。值組一般采用8辆、16辆编组,城际铁路动车组编组更 灵活,列车长度相对较短;客货共线铁路和重载铁路货 得注意的是,UEC规定的设计动力系数是列车动效应 物列车牵引质量呈增大的趋势,大秦等重载铁路大量 的概化,无实际意义。 开行2万t编组的重载列车,并已完成3万t编组试验 我国ZK荷载图式和ZC荷载图式中的普通荷载 分别为0.8UIC和0.6UIC,动力系数也采用其相应的 工作。目前,铁路桥梁跨度已达到千米级,在建桥梁最 大跨度达1092m。因此,一般情况下,荷载图式加载 规定。由于高速动车组运行条件下桥涵结构的动力系长度按检算项目的最不利工况进行加载;对于高速铁 数与其自身动力特征相关,因此,在设计荷载、设计动路和城际铁路大跨度桥梁结构,当桥梁跨度或加载长 力系数以及运营动车组参数基本确定的前提下,需通度超过运营列车的最大编组长度时,宜采用可能开行 过改变结构的自身动力参数来降低运营动力系数,尤的最大列车编组长度 其是对于常用跨度桥梁结构。这也是我国缟高速铁路3.3关于客货共线和重载铁路双线折减系数的取用 设计规范》和(城际铁路设计规范》规定不同速 我国客货共线铁路多为单线和双线铁路,桥涵结 度条件下梁体基频限值的原因之一。如高速铁路大量构设计时,单线按荷载图式的全部效应进行计算,双线 采用的32m箱梁结构,高速动车组运行条件下,可能采用0.9的折减系数。制定双线折减系数主要考虑了 达到的最大动力系数接近3.0(图7,“规范”采取了双线加载效应同时达到最大时的概率问题。既有客货 增大梁体频率,提高共振响应速度,将运营速度范围内列车主要是机车加载控制,双线铁路机车加载同时达 梁体振动响应和动力系数控制在合理范围。对于客运到最大效应的概率相对小,加之我国既有客货共线铁 专线铁路,因列车荷载图式还用来控制桥梁的刚度和路桥涵结构数量相对较少(约占线路总长的5%以 变形等众多指标,故不应简单地通过动车组静荷下),双线机车在桥上交会、加载效应又同时达到最大 载和荷载图式的对比来说明荷载储备的问题。设计应的概率更小。目前,随着货运机车和车辆的发展,货车 竖向加载效应整体大于机车效应;新建铁路桥涵结构 3.0 计算动力系数实测频率600Hz) 占比也大幅提高,双线铁路运营列车效应同时达到最 实测动力系数 大的概率显著提升,成为常见运营工况。因此,新建客 货共线铁路设计时,不宜再沿用既有的折减系数的规 定,各线均应计入列车荷载作用。对于货物运输方向 计算动力系数理论频率467Hz) 固定的双线重载铁路,设计时可根据实际情况考虑相 应折减。 列车速度/km/h) 4结语 图7不同基频条件下梁体动力系数计算值与实测值对比 铁路列车对线路基础设施的作用体现在竖向、横
2015 年第 10 期 胡所亭: 我国铁路列车荷载图式的研究与应用 3 列车荷载图式应用中相关问题的说明 3. 1 关于列车荷载图式发展和储备系数 国际铁路 联 盟 在 上 世 纪 70 年 代 研 究 制 定 Load Model71 荷载图式( 简称 UIC 荷载) 时，需要涵盖 6 种 类型 的 机 车 车 辆，包 括 六 轴 机 车 ( 120 km / h，轴 重 21 t) 、四轴货车( 120 km / h，轴重 25 t) ，六轴货车( 120 km / h、轴重 21 t) 、四轴客车( 250 km / h，轴重 15 t) 、高 速列车( 300 km / h、轴重 17 t) 和特种货车( 80 km / h) 。 各类机车车辆在速度和轴重方面差异大，高速列车和 客车自重轻、速度高、动力效应大，货车自重大、速度 低、动力作用相对小。为避免统一标准条件下设计列 车荷载与运营列车荷载偏差大的情况，一方面提出可 按照基本 图 式 的 0. 75，0. 83，0. 91，1. 00，1. 10，1. 21， 1. 33 和 1. 46 的分级系数取用，另一方面提出在图式 选择方面按照“设计荷载图式静效应 × 设计动力系数 ＞ 运营车辆静效应 × 运营动力系数”的总体原则。值 得注意的是，UIC 规定的设计动力系数是列车动效应 的概化，无实际意义。 图 7 不同基频条件下梁体动力系数计算值与实测值对比 我国 ZK 荷载图式和 ZC 荷载图式中的普通荷载 分别为 0. 8UIC 和 0. 6UIC，动力系数也采用其相应的 规定。由于高速动车组运行条件下桥涵结构的动力系 数与其自身动力特征相关，因此，在设计荷载、设计动 力系数以及运营动车组参数基本确定的前提下，需通 过改变结构的自身动力参数来降低运营动力系数，尤 其是对于常用跨度桥梁结构。这也是我国《高速铁路 设计规范》［12］和《城际铁路设计规范》［13］ 规定不同速 度条件下梁体基频限值的原因之一。如高速铁路大量 采用的 32 m 箱梁结构，高速动车组运行条件下，可能 达到的最大动力系数接近 3. 0 ( 图 7) ，“规范”采取了 增大梁体频率，提高共振响应速度，将运营速度范围内 梁体振动响应和动力系数控制在合理范围。对于客运 专线铁路，因列车荷载图式还用来控制桥梁的刚度和 变形等众多指标［9，14］，故不应简单地通过动车组静荷 载和荷载图式的对比来说明荷载储备的问题。设计应 用时，虽然可采用效应较小的列车荷载图式，但需要调 整梁体刚度和基频等参数与之相适应。 我国 ZKH 荷载图式和 ZH 荷载图式中的普通荷 载是在 UIC 荷载的基础上，根据我国重载车辆特点进 行局部调整后提出的，并根据典型四轴货车等制定了 特种荷载。现阶段动力系数采用既有中—活载图式配 套动力系数，该动力系数是对大量实测数据进行拟合， 并按照一定的保证率取其包络值制定的，具有实际意 义。根据国内外铁路研究成果和运营实践经验，设计 选用活载图式时，宜预留平均不少于 20% 、最小不少 于 10% 的列车荷载发展和储备系数。 3. 2 关于列车荷载图式加载长度 我国现行规范规定荷载图式加载长度根据加载需 要确定，不限制加载长度，主要考虑既有客货共线铁路 桥梁跨度一般在 200 m 以下，而运营列车的长度超过 桥跨结构。随着铁路运输特征的变化，高速铁路动车 组一般采用 8 辆、16 辆编组，城际铁路动车组编组更 灵活，列车长度相对较短; 客货共线铁路和重载铁路货 物列车牵引质量呈增大的趋势，大秦等重载铁路大量 开行 2 万 t 编组的重载列车，并已完成 3 万 t 编组试验 工作。目前，铁路桥梁跨度已达到千米级，在建桥梁最 大跨度达 1 092 m。因此，一般情况下，荷载图式加载 长度按检算项目的最不利工况进行加载; 对于高速铁 路和城际铁路大跨度桥梁结构，当桥梁跨度或加载长 度超过运营列车的最大编组长度时，宜采用可能开行 的最大列车编组长度。 3. 3 关于客货共线和重载铁路双线折减系数的取用 我国客货共线铁路多为单线和双线铁路，桥涵结 构设计时，单线按荷载图式的全部效应进行计算，双线 采用 0. 9 的折减系数。制定双线折减系数主要考虑了 双线加载效应同时达到最大时的概率问题。既有客货 列车主要是机车加载控制，双线铁路机车加载同时达 到最大效应的概率相对小，加之我国既有客货共线铁 路桥 涵 结 构 数 量 相 对 较 少 ( 约 占 线 路 总 长 的 5% 以 下) ，双线机车在桥上交会、加载效应又同时达到最大 的概率更小。目前，随着货运机车和车辆的发展，货车 竖向加载效应整体大于机车效应; 新建铁路桥涵结构 占比也大幅提高，双线铁路运营列车效应同时达到最 大的概率显著提升，成为常见运营工况。因此，新建客 货共线铁路设计时，不宜再沿用既有的折减系数的规 定，各线均应计入列车荷载作用。对于货物运输方向 固定的双线重载铁路，设计时可根据实际情况考虑相 应折减。 4 结语 铁路列车对线路基础设施的作用体现在竖向、横 29
铁道建筑 October 2015 向和纵向三个方向,我国既有中—Z活载图式、中一活 研究[R].北京:中国铁道科学研究院,2005 载图式及配套的参数体系,较好地适应了不同时期客[7]胡所亭铁路重载条件下桥梁活载标准研究[D]·北京:中 货共线铁路运输需要和发展。现阶段,又提出了适用 国铁道科学研究院,2013. 于不同运输特征的铁路列车荷载图式,在后续工作中 [8]铁道部科学研究院.25吨轴重作用下轨道桥梁承受状态 还需进一步开展配套竖向动力系数、横向摇摆力和离 及列车活载图式一列车活载图式研究报告[R].北京 铁道部科学研究院,1994 心力、纵向牵引力和制动力的研究工作 [9]中国铁道科学研究院.时速250公里以下客运专线铁路 参考文献 (城际铁路)设计活载及桥梁结构相关技术标准研究报告 [R].北京:中国铁道科学研究院,2010 1 American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Asso- [10]中国铁道科学研究院.重载铁路轴重发展目标值及轴重分 ciation Manual for rail way engineering [S].Lanham: ARE- 类[R].北京:中国铁道科学研究院,2010 MA,2010 [I门]中国铁道科学研究院.《铁路主要技术政策》专题研究之 [2 JUIC. UIC CODE 776-1 Load to be Considered in railway 六——铁路重载运输发展研究[R].北京:中国铁道科学 Bridge Design [s].Paris:UIC.2006 研究院,2012 3]中华人民共和国铁道部TB10002.1-2005铁路桥涵 [12]国家铁路局.TB10621-2014高速铁路设计规范[S].北 计基本规范[S].北京:中国铁道出版社,2005 京:中国铁道出版社,2015 [4]铁道部科学研究院.高速铁路活载图式的研究报告[R] [13]国家铁路局.TB10623-2014城际铁路设计规范[S].北 北京:铁道部科学研究院,1996 京:中国铁道出版社,2015 [5]中国铁道科学研究院客货共线和货运铁路桥梁活载标准[14]中国铁道科学研究院客运专线铁路常用跨度桥粱结构刚 研究报告[R].北京:中国铁道科学研究院,2005 度和基频标准研究报告[R].北京:中国铁道科学研究院, [6]中国铁道科学研究院.铁路中一活载图式修订和分级标准 Research and application on railway train load pattern in China HU Quoting 1. Railway Engineering Research Institute, China Academy of Railway Seiences, Beijing 100081, China 2. State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway, Beijing100081. China Abstract: W ith the development of railw ay transportation in China, there are great differences in axle load, speed transport density of the trains on different ty pe of lines, which means single train load pattern cannot correctly reflect the railw ay transport in such new situation. The research and development history of C hina railw ay train load pattern was rev iew ed in this paper, applicable range of various load pattern and problems that need to be paid attention to in pplication were introduced, and some further research issues including train vertical dy nam ic action, train longitudinal force and etc. were proposed Key words: Train load Develo ry: Application (责任审编孟庆伶)
铁 道 建 筑 October，2015 向和纵向三个方向，我国既有中—Z 活载图式、中—活 载图式及配套的参数体系，较好地适应了不同时期客 货共线铁路运输需要和发展。现阶段，又提出了适用 于不同运输特征的铁路列车荷载图式，在后续工作中， 还需进一步开展配套竖向动力系数、横向摇摆力和离 心力、纵向牵引力和制动力的研究工作。 参 考 文 献 ［1 ］American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association． Manual for rail way engineering［S］． Lanham: AREMA，2010． ［2 ］UIC． UIC CODE 776-1 Load to be Considered in Railway Bridge Design［S］． Paris: UIC，2006． ［3 ］中华人民共和国铁道部． TB 10002. 1—2005 铁路桥涵设 计基本规范［S］． 北京: 中国铁道出版社，2005． ［4 ］铁道部科学研究院． 高速铁路活载图式的研究报告［R］． 北京: 铁道部科学研究院，1996． ［5 ］中国铁道科学研究院． 客货共线和货运铁路桥梁活载标准 研究报告［R］． 北京: 中国铁道科学研究院，2005． ［6 ］中国铁道科学研究院． 铁路中—活载图式修订和分级标准 研究［R］． 北京: 中国铁道科学研究院，2005． ［7 ］胡所亭． 铁路重载条件下桥梁活载标准研究［D］． 北京: 中 国铁道科学研究院，2013． ［8 ］铁道部科学研究院． 25 吨轴重作用下轨道桥梁承受状态 及列车活载图式———列车活载图式研究报告［R］． 北京: 铁道部科学研究院，1994． ［9 ］中国铁道科学研究院． 时速 250 公里以下客运专线铁路 ( 城际铁路) 设计活载及桥梁结构相关技术标准研究报告 ［R］． 北京: 中国铁道科学研究院，2010． ［10］中国铁道科学研究院． 重载铁路轴重发展目标值及轴重分 类［R］． 北京: 中国铁道科学研究院，2010． ［11］中国铁道科学研究院．《铁路主要技术政策》专题研究之 六———铁路重载运输发展研究［R］． 北京: 中国铁道科学 研究院，2012． ［12］国家铁路局． TB 10621—2014 高速铁路设计规范［S］． 北 京: 中国铁道出版社，2015． ［13］国家铁路局． TB 10623—2014 城际铁路设计规范［S］． 北 京: 中国铁道出版社，2015． ［14］中国铁道科学研究院． 客运专线铁路常用跨度桥梁结构刚 度和基频标准研究报告［R］． 北京: 中国铁道科学研究院， 2009． Research and application on railway train load pattern in China HU Suoting 1，2 ( 1． Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2． State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing100081，China) Abstract: W ith the development of railw ay transportation in C hina，there are great differences in axle load，speed， transport density of the trains on different type of lines，w hich means single train load pattern cannot correctly ref lect the railw ay transport in such new situation． T he research and development history of C hina railw ay train load pattern w as review ed in this paper，applicable range of various load pattern and problems that need to be paid attention to in application w ere introduced，and some further research issues including train vertical dynamic action，train longitudinal force and etc． w ere proposed． Key words: T rain load pattern; Development history ; Application ( 责任审编 孟庆伶) 30