我国自1975年以来铁路桥梁设计采用中-活载图式,该荷载模式是在当年蒸汽机车牵引和运输编组背景下考虑一定发展储备制定实施的。图3-5即为中-活载图式。
图3-5 中-活载图式
中-活载图式集中体现了蒸汽机车的主动轮轴重、轴距及与煤水车关系的基本特征。我国蒸汽机车于1990年停止生产,目前已停止使用,机车车辆牵引方式已发展为内燃和电力牵引,制定中-活载图式的基本原型已经不存在。
目前客运提速到200 km/h、货运提速到120 km/h是既有线提速和客货共线铁路的既定方针。而为达到客运快速、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也正逐渐形成。桥梁承受列车静活载和动活载不再是中-活载图式体系所描述的关系。
2005年铁道部颁布的《新建时速200~250公里客运专线铁路设计暂行规定》要求新建时速200~250 km客运专线应采用ZK荷载进行设计。图3-6即为ZK荷载图式。
2016年国家铁路局颁布的《铁路列车荷载图式》(TB/T 3466—2016)对高速铁路、城际铁路、客货共线铁路、重载铁路进行了详细区分并分别提出了ZK、ZC、ZKH、ZH荷载等作为相应的设计活载,其中ZKH荷载图式为根据新时期客货共线铁路运输特征,历经20余年的研究实践而新提出的荷载图式。(www.daowen.com)
图3-6 ZK荷载图式
ZK荷载图式在形式上与前述客货共线ZKH荷载图式相类似,但两者物理意义方面有明显区别。一是对于跨度67 m以下的桥涵结构,“ZK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”,并可能会出现运营动力系数大于设计动力系数的情况;二是对于跨度67 m以上的桥梁结构,由于设计系数为1.00,相应地,“ZK荷载图式静效应”>“运营车辆静效应×运营动力系数”,即荷载图式需要包络运营列车静动效应。
理论和试验表明,高速列车运行条件下桥梁结构可能会产生较大的动力系数。由于对于不同跨度的桥梁,ZK荷载图式静效应、设计动力系数、高速列车静效应均是确定的,只能通过将运营动力系数限值到一定的范围内来满足设计列车效应大于运营列车效应的条件,此时可行的方案是通过合理确定梁体的频率,提高车桥共振速度范围,以降低运营速度范围内动力系数。
目前我国铁路桥梁设计中的列车荷载形式取值多样化(并不一定严格与规范一致),多由设计单位结合桥梁实际情况选取,如沪通铁路采用中-活载、通苏嘉城际铁路采用ZK荷载图式作为桥梁设计活载。
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