李桂林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063)

超大跨度铁路桥梁列车加载长度研究

李桂林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063)

加载长度对千米级超大跨度桥梁截面尺寸及造价投资起重要作用，需对主跨或主桥联长大于1 km以上的桥梁列车加载长度分析。通过研究，拟找到中-活载及ZK荷载等不同荷载形式下超大跨度桥梁荷载合理加载模式。研究结论：城际铁路及客运专线可按照450 m加载长度加载，普通客货共线铁路及货运专线加载长度根据本线的货车编组情况，可按所设计到发线有效长度作为超大跨度桥梁加载长度；对于主桥联长小于3 km的桥梁，全桥范围内可仅采用1个加载长度加载。

铁路桥梁；加载长度；超大跨度；客运专线铁路；客货共线铁路

近年来随着桥梁设计、建造技术的不断发展，铁路桥梁跨度不断突破，很多过江通道在研究超大跨度桥梁。设计时对小跨度桥梁来说，无限长的加载长度对桥梁设计没有影响，但对于主跨或主桥联长大于1 km以上的桥梁，采用无限长的加载长度，会导致结构尺寸过大，且与实际不符，造成桥梁设计尺寸的巨大浪费。《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)[1]及《高速铁路设计规范》(TB10621—2009)[2]中对中-活载及ZK活载荷载模式均为无限长的加载长度，规范中对超大跨度桥梁的加载长度亦没有明确规定，若按照规范规定采用无限长加载长度，将人为增加桥梁结构尺寸，这对超大跨度桥梁来说，是个巨大的经济损失。因此，在设计超大跨度桥梁时，需要对铁路加载长度进行研究，选用合适的加载长度。

1 目前规范规定荷载形式

《铁路桥涵设计基本规范》[1]对中-活载荷载模式进行了设定，《高速铁路设计规范》[2]对ZK活载进行了规定，同时，2005年报批荷载模式中，有ZH活载模式，同时有城际铁路ZC荷载模式，各荷载模式汇总如表1所示[3-4]。

从以上荷载模式可知，目前采用荷载模式均采用几个集中荷载代表车头，其余为无限长的均布荷载模式。规范规定在桥梁设计过程中进行影响线加载时，可以按最不利加载位置任意截取加载长度进行加载。

表1 铁路荷载图示汇总

2 荷载加载长度影响分析

从影响列车加载长度的因素分析，确定以下3个方面因素，即可确定超大跨度桥梁实际的加载模式。

2.1 目前实际最长列车开行长度

2.1.1 城际铁路及客运专线开行长度

根据《高速铁路设计规范》[2]，旅客站台长度应按照450 m设置，只停留8辆编组动车组的车站站台长度按230 m设置，困难条件下不应小于220 m。其长度确定主要根据目前客车编组数16节车厢来确定。目前动车组分为CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH6共5种类型[5-7]。各类型动车组编组长度如表2所示。

表2 动车编组长度统计

从表2可知，8辆编组时列车总长度最长的车型为CRH1型，列车总长度为213.5m，其中旅客列车最大编组辆数为16 m，列车总长度为2×213.5 m=427 m，取430 m，另每侧考虑10 m的停车余量，站台长度设计为450 m。城际铁路及客运专线站台长度统计见表3。

从以上分析，目前实际的最长列车编组长度为430 m，站台设置时按照450 m。由于列车编组长度与车站站台设计长度之间仅相差两侧10 m的停车余量，为方便起见，列车加载长度可按照车站站台长度设计取值。

表3 城际铁路及客运专线站台长度统计

2.1.2 普通客车开行长度

普通客车开行长度主要由机车的牵引力、线路纵坡限制、客流的集结时间及客流量、车站站台长度等因素控制。其中车站站台长度为客车开行长度的控制因素，考虑到客流上下行方便，客车开行长度不能大于目前国内车站站台的长度[8-9]。

综合考虑以上因素，目前规定长途客车不超过18节车厢，运输高峰期极限不能超过20节[10]。因此目前客车最大长度见表4。

表4 客车长度计算

对目前普通铁路车站站台长度进行了统计，如表5所示。

表5 客车车站站台长度统计 m

2.1.3 货车长度(货运列车的编组长度)

影响货车编组长度的因素主要为车站到发线的长度。列车的长度不能超过车站到发线长度，否则在车站待避时，就会与其他通过的列车产生碰撞。

从目前到发线有效长度分析，根据不同机车牵引吨位，其到发线长度汇总如表6所示。

表6 到发线有效长度

站场专业进行列车编组时，按照到发线有效长度来控制货车编组长度。目前建成、在建及正在设计的车站到发线长度统计见表7。由于线路跨越长度较大，在不同区域根据车站运能运量不同，车站到发线长度不完全一致，表中仅列出线路范围内车站最长及最短到发线长度。

表7 车站到发线长度统计 m

由于铁路货运量中有很大部分需经过几次中转才能到达目的地，相邻线路到发线有效长度不一致时，会产生列车的重换作业，增加列车在中转站的作业和停留时间。目前我国东北、华北、中南、华东的几条主要长大铁路，基本形成牵引质量为4 000～5 000 t、有效长为850 m、1050 m的系统。货运专线根据本线实际运能确定。

2.2 预测未来最长列车开行长度

从影响列车开行长度的影响因素分析，客车开行长度主要是受车站站台长度控制，货车编组长度主要受车站到发线有效长度控制，车站建成以后，对应的客车及货车的最大开行长度基本确定，增加编组长度的可能性甚微。故未来的最长列车开行长度可与目前设计的列车开行长度保持一致。

2.3 两列车的开行时间间隔

采用有限长的荷载加载长度时，需要考虑两个荷载加载长度的长度间隔。这主要考虑两列车之间开行时的间距，需要分析两列车之间的时间及空间间隔，以确定影响线之间的加载间隔长度。

目前动车有CTCS-2级、CTCS-3级列控系统，最小追踪间隔为3 min，追踪距离为4.5 km以上。

同一个闭塞分区内不能同时运行两列车，列车之间一般间隔2～3个闭塞分区，一个闭塞分区长度在2～3 km，因此在该范围内不会有第二列车存在。

3 加载长度对大跨度桥梁影响

对于跨度或联长小于加载长度的桥梁，采用无限长的加载长度模式对结构无影响。以下对跨度或联长大于加载长度的桥梁举例分析。

以某过江通道(60+2×1260+60) m三塔四跨公铁两用悬索桥设计方案为例，分析加载长度对超大跨度桥梁的影响。

3.1 结构基本参数

(1)高速公路主要技术标准

设计基准期：100年；

道路等级：高速公路；

设计行车速度：100 km/h；

主线设计车道：双向6车道+2个慢车道；

设计洪水频率：300年一遇；

设计汽车荷载：公路-Ⅰ级。

(2)4线铁路主要技术标准

设计基准期：100年；

正线数目：4线；

正线线间距：4.6 m；

设计荷载：北沿江铁路采用中-活载，巢马城际采用ZK活载。

(3)结构基本参数

主缆跨度：(365+1 260+1 260+365) m=3 250 m；

主梁跨度：(60+1 260+1 260+60) m=2 640 m；

矢跨比：1/11；

加劲梁：钢箱桁，钢箱高3 m，采用N形桁架，桁高12 m，节间长15 m；

约束体系：连续支撑体系。

考虑到主桥刚度及中塔顶主缆抗滑移系数的问题，主桥刚度暂按1/250左右控制，主缆抗滑移系数控制在1.7左右设计[11-12]。

荷载见表8、表9。

表8 恒载集度

表9 活载集度

从恒载、活载集度比较来看，对于4线铁路及8车道公路，活载占荷载总重的25.4%。

3.2 中-活载加载长度影响

对中-活载采用不同的加载长度加载，表10中列出不同工况下主缆、钢箱、结构刚度等参数。

表10 计算结果汇总

不同加载长度时主缆内力曲线如图1所示。

图1 主缆内力图(单位：MN)

由以上结果分析，当ZK活载采用450 m加载长度不变，中-活载加载长度由650 m增加至无限长时，结构刚度影响较小，主缆内力及钢箱应力均相应增加，增幅分别为3.9%、19.7%。ZK活载采用450 m、中-活载采用650 m加载长度工况与 ZK活载及中-活载均采用无限长加载长度工况比，主缆内力增加7%，钢箱应力增加38.4%。

3.3 ZK活载加载长度影响

对ZK活载采用不同的加载长度加载，表11中列出不同工况下主缆、钢箱、结构刚度等参数。

表11 计算结果汇总

不同加载长度时主缆内力曲线如图2所示。

图2 主缆内力图(单位：MN)

由以上结果分析，当中-活载采用1 050 m加载长度，ZK活载加载长度由230 m增加至无限长时，结构刚度由1/342降低至1/283，刚度影响达30%，主缆内力及钢箱应力均相应增加，增幅分别为4.4%、31.7%。中-活载采用1 050 m、ZK活载采用450 m加载长度工况，与中-活载及ZK活载均采用无限长加载长度工况比，主缆内力增加5.6%，钢箱应力增加51.7%。

4 结论

(1)客运专线及城际铁路采用ZK、ZC荷载模式加载时，加载长度宜按照450 m计算。

(2)普通客货共线铁路、货运专线其加载长度根据本线的货车编组情况，可按所设计到发线有效长度作为超大跨度桥梁加载长度。

(3)考虑到两列车之间的时间间隔，在全长3 km以内的桥，仅需要考虑1个加载长度范围的加载情况。

(4)对主跨1 260 m的三塔四跨公铁两用悬索桥，中-活载加载长度对结构位移影响较小，对主缆内力、钢箱应力影响较大；ZK活载加载长度对结构位移、主缆内力、钢箱应力均产生较大影响。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005 J460—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2] 中华人民共和国铁道部.TB 10621—2009 J 971—2009高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[3] 金福海，文望青，许三平.蒙西至华中地区铁路煤运通道设计活载选用初探[J].铁道标准设计，2013(3)：48-52.

[4] 戴福忠，陈雅兰.重载铁路桥梁设计列车标准活载的研究[J].中国铁道科学，2004(4):80-85.

[5] [作者不详].CRH1型动车组[J].铁道知识，2007(3):12.

[6] [作者不详].CRH2型动车组[J].铁道知识，2007(3):13.

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[8] 周波.城际铁路到发线有效长度研究[J].铁道标准设计，2013(2):34-38.

[9] 邹少文，陈真.客运专线到发线有效长研究[J].铁道工程学报，2007(12)：1-4.

[10]铁道部工程设计鉴定中心.客运专线车站到发线有效长度优化研讨会资料[Z].北京：铁道部工程设计鉴定中心，2007.

[11]周孟波.悬索桥手册[M].北京:人民交通出版社，2003.

[12]孟凡超.悬索桥[M].北京:人民交通出版社，2011.

Research on Train loading Length on Super-long Span Railway Bridge

LI Gui-lin

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

The loading length on super-long span railway bridge plays an important role in determining the cross section and cost of super-long span bridges and it is necessary to analyze the train loading length for bridges of over 1km long. The research aims to find out a suitable loading mode for super-long span bridges under medium-live load and ZK load. The research concludes that the Intercity and passenger dedicated railway lines may use 450 meters loading length. The loading length for railway lines of mixed passenger and freight and freight dedicated railway lines may be determined based on the formation of the freight train， and the effective length of railway station may be taken as the super-long bridge’s loading length. For bridges with the main bridge less than 3km， only one loading length is added.

Railway bridges; Loading length; Super-long span; Passenger dedicated line; Railway line for mixed passenger and freight traffic

2014-12-05；

2014-12-13

铁四院科技研究开发计划项目(2012K29)

李桂林(1983—)，女，工程师，2009年毕业于中南大学，工学硕士，E-mail:1152537392@qq.com。

1004-2954(2015)03-0064-04

U441+.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.015