重载铁路超低高度梁安全运营性能研究
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表3 活载类型 C70 C80 中—活载 不同荷载形式下的竖向挠度及挠跨比 挠跨比 L/2061 L/1899 L/1778 挠跨比设计限值 L/800 L/800 L/800
竖向位移/mm 15.52 16.85 18.00
从表 3 中的数据可以看出，三种活载作用下普通高度梁的挠跨比均满足挠跨比设计限值，满足 桥 梁的 设计规范 的相关规定。 与超 — 活载 下桥梁的 挠度最大， 轴重为 25 t 的 C80 次之， 轴重为 23 t 的 C70 最小。 从图 5 可以 看出，32 m 超低 高 度梁 的跨中挠 桥梁高度的降低而减小的。 3.2 桥梁固有振动分析 桥梁的固有振动特性主要指的是固有频率和振型，反映了桥梁对动荷载的敏感程度，是桥梁动 力分析的基础，对正确分析车辆、风和地震对桥梁的动力响应有着重要的作用。 采用空间有限元法分别对静力分析的两种桥梁模型进行周期与振型的计算，由于结构的前几阶 振型对桥梁振动形式起控制作用，所以提取两种梁型的前十阶振型对应频率值进行分析，两种强度 的混凝土（500 号和 600 号）计算所得频率值见表 4。 由表 4 中的数据可以看出，采用同型号的混凝土时，超低高度梁的第一阶横向频率高于普通高
不同轴重下跨中挠度最大值（单位/mm） 25t 28t 19.84 11.60 30t 21.26 12.43 33t 23.38 13.67
17.71 10.36
从表 5 中的数据可以看出：在 65 km/h～80 km/h 的速度范围内，C70 型列车和 C80 型列车通过 超低高度梁和普通高度梁时，桥梁动挠度并不是随着速度的增大而呈线性增加，而是伴随波动。 从表 6 可以看出，随着列车轴重的增加，桥梁的跨中挠度是不断增大的。当列车行至桥梁跨中 时，桥梁的跨中动挠度变化最大。
表5 梁型 超低 高度梁 普通 高度梁 荷载类型 C70 型列车 C80 型列车 C70 型列车 C80 型列车 表6 梁型 超低高度梁 普通高度梁 不同速度下跨中挠度最大值（单位/mm） 速度 65 km/h 16.32 17.51 9.32 10.27 70 km/h 16.44 17.60 9.35 10.29 75 km/h 16.46 17.61 9.36 10.33 80 km/h 16.53 17.71 9.39 10.36
高度后张梁，梁高 2.05 m，位于河北省安国市西侧，桥跨布置为 5×32 m，全桥位于直线上，大桥 实景图见图 1。 朔黄铁路南运河特特大桥（243#桥）是采用叁桥 2019 建立的 32 m 普通高度预应力混凝土梁， 梁高 2.5 m，位于河北省沧州市北，跨越京杭大运河，上下行分离，实桥图见图 2。
摘要：铁路是国民经济的大动脉，重载铁路运输的不断发展在带来明显经济效益的同时，也给 铁路桥梁带来越来越多的不利影响，如冲击振动加大、梁体开裂加重等，尤其对梁体刚度较小的超 低高度梁，重载运输带来的不利影响更加明显。以 32 m 超低高度简支 T 梁为研究对象，采用有限元 仿真分析与实桥试验相结合的方法， 并与 32 m 普通高度简支 T 梁的安全运营参数相比较， 对超低高 度梁在不同列车速度和轴重下的安全运营性能进行研究，相关结论对该类型桥梁的科学维护管理提 供依据。 关键词：重载运输 中图分类号： U443 超低高度梁 安全运营性能 有限元分析 文章编号： 1673-1816(2013)02-0025-06
振动测试结果统计表（现行速度过路列车） 跨中动挠度 /mm 16.19 16.80 17.46 17.33 17.82 跨中竖向振幅 /mm 1.48 1.29 1.48 1.35 1.61 墩顶横向 位移/mm 0.05 0.05 0.05 0.06 0.06 横向自振频 率/Hz 3.51 3.51 3.51 3.51 3.51
表9 南运河特大桥测试参数实测值（最大值）统计表 规范值 3.56 2.54 1.40 2.81 3.44 0.35 实测最大值 0.56 0.56 0.38 3.45 3.45 0.16 是否满足规范要求 满足 满足 满足 满足 满足 满足
项目 横向振幅安全限值[Amax]5%/mm 横向刚度通常值(Amax)5%/mm -2 跨中横向加速度/ m s 实测横向最低自振频率通常值/Hz 适应不同车速条件的桥跨结构横向 自振频率/Hz 墩顶横向位移/mm 表 10 列车速度 -1 / km h 65 67 68 69 69 71 71 72 跨中横向振 幅/mm 0.49 0.47 0.50 0.46 0.50 0.55 0.51 0.56
27 图5 挠度最大值/mm 普通高度 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 超低高度
低高度梁一样， 中
C70
C80 活载类型 两种梁型跨中挠度对比
中—活载
度值比 32 m 普通高度梁的跨中挠度值大将近一倍，在桥梁跨度一致的情况下，桥梁刚度明显是随着
石家庄铁路职业技术学院学报
2013 年第 2 期
跨中横向振幅 /mm 0.49 0.47 0.50 0.46 0.50
跨中横向加速 度/ m s 0.19 0.22 0.21 0.22 0.25
-2
从表 7 和表 8 来看，考虑到桥梁模型和列车荷载的简化，计算值与实测值的误差是在允许的范 围内。不同速度下的桥梁跨中挠度并不是随着速度的增大而线性增加的。这一结论与有限元仿真计 算时所得出的结论也是一致的。 通过对以上三个超低高度梁运营参数进行仿真计算值和实测值的分析比对，证明了有限元分析 的有效性和准确性。 4.2 普通高度梁试验结果分析
图4 竖向挠度/mm -5 -15 -25 -35 -45 25t 28t 30t 33t
0
1
纵向距离/m 不同轴重下桥梁的竖向挠度
3
中均布荷载的数值进行有限元计算，轴重为 25 t、28 t、30 t 和 33 t 的列车荷载作用下的超低高度梁
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第2期
张二田
重载铁路超低高度梁安全运营性能研究
静挠度图见图 4。超低高度梁的跨中挠度最大值及挠跨比见表 2。
同轴重作用下
0
16
纵向距离/m 不同活载下的桥梁挠度值对比图
32
重要参数。通过有限元计算，32 m 超低高度梁在中—活载、C70 型和 C80 型重载列车作用下竖向挠 度值的对比图见图 3，超低高度梁跨中挠度值及挠跨比见表 1。
表1 活载类型 C70 C80 中—活载 不同荷载形式下的跨中挠度值及挠跨比 挠跨比 L/1154 L/992 L/836 挠跨比设计限值 L/800 L/800 L/800
竖向位移/mm 27.72 32.24 38.26
从图 3 可以看出， 超低高度梁在 C70 型和 C80 型列车荷载作用下的静挠度值均小于中—活载 （设 计荷载）作用下的值。C80 型列车由于载重和轴重均大于 C70 型列车，桥梁静挠度必然较大。 从表 1 中的数 据可以看出：三种 荷载作用下超低 高度梁的挠跨比 均大于挠跨比设 计限值，满足桥梁 设计规范中的相 关规定。 通过改变 C80 型列车活载图式
表7 项目 横向振幅安全限值[Amax]5%/mm 横向刚度通常值(Amax)5%/mm -2 跨中横向加速度/ m s 实测横向最低自振频率通常值/Hz 适应不同车速条件的桥跨结构横向 自振频率/Hz 墩顶横向位移/mm 表8 列车速度 / km h 71 72 74 75 76
-1
韩村大桥测试参数实测值（最大值）统计表 规范值 3.56 2.54 1.40 2.81 3.44 0.35 实测最大值 0.50 0.50 0.25 3.51 3.51 0.06 是否满足规范要求 满足 满足 满足 满足 满足 满足
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既有铁路桥梁运营性能试验对比
为了确定 32 m 超低高度简支梁的安全运营性能，选定朔黄铁路的韩村大桥（超低高度梁） 、南
运河特大桥（普通高度梁）2 座桥梁在 C70 型重载列车以现行速度通过桥梁，测试次数为 5 次。不
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重载铁路超低高度梁安全运营性能研究
同速度的万吨重载列车作用下的运营性能进行检测，得到桥梁运营荷载作用下结构的动挠度、梁跨 跨中振幅以及梁跨自振频率等动态性能指标，考察梁跨横向刚度等运营性能指标。 4.1 超低高度梁试验结果分析
表2 轴重/t 25 28 30 33 竖向位移/mm 32.24 36.08 38.63 42.49 不同轴重下的竖向挠度及挠跨比 挠跨比 L/992 L/886 L/823 L/754 挠跨比设计限值 L/800 L/800 L/800 L/800
从图 4 可以看出，超低高度梁在不同轴重下的挠度曲线图形是基本相同的，只是挠度值随着轴 重的增加而增大。 从表 2 中的数据可以看出，超低高度梁的挠跨比除了在 C80-33 t 作用下不满足挠跨比设计限值 外，其余均满足满足桥梁设计规范。 通过有限元计算，32 m 普通高度梁在中—活载、C70 型和 C80 型列车荷载作用下的跨中竖向挠 度值见表 3，与 32 m 超低高度梁跨中挠度最大值的对比图见图 5。
3
结构有限元分析对比
采用有限元分析计算，施加的荷载类型包括 C70 型重载列车பைடு நூலகம்载、C80 型重载列车荷载和中—
活载。归纳不同 荷载类型和不 给铁路桥梁带 来的影响。 3.1 桥 梁 静 挠 度分析 对于简支 桥梁来说，跨中 挠度是反映桥 梁整体刚度的
图3 竖向挠度/mm 0.0 中活载 -10 -20 -30 -40 C70 C80
图1 韩村大桥实景图
2
研究背景
朔黄铁路韩村大桥（166#桥）
是依照叁桥 2005 建立的 32 m 超低
图2
南运河特大桥实景图
收稿日期：2012-03-29 作者简介：张二田（1970-） ，男，汉，山西原平人，硕士，高级工程师，研究方向铁道运输。 25
石家庄铁路职业技术学院学报
2013 年第 2 期
度梁；而普通高度梁的第一阶竖向自振频率高于超低高度梁。超低高度梁的横向刚度较大，普通高 度梁的竖向刚度较大。
表4 阶次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 超低高度梁 500 号混凝土 3.559（竖向） 3.909（横向） 5.072 7.450 8.361 8.393 10.406 10.550 10.984 13.507 600 号混凝土 3.645（竖向） 3.979（横向） 5.078 7.495 8.362 8.442 10.415 10.671 11.218 13.831 频率值列表（单位/Hz） 普通高度梁 500 号混凝土 3.249（横向） 4.589（竖向） 5.222 7.468 9.199 9.819 10.814 13.442 17.915 18.793 600 号混凝土 3.319（横向） 4.652（竖向） 5.283 7.557 9.220 9.983 10.810 13.289 18.354 18.950
在使用较高强度混凝土时，桥梁的频率值都有一定程度的增加。所以在梁型受到环境限制时， 采用高强度混凝土可以进一步保证铁路桥梁的运营安全。 3.3 桥梁动力分析 铁路桥梁结构在运营的过程中，破坏因素主要来自于各种列车荷载引起的桥梁振动，必须对桥 梁的动力性能进行评定，以保证重载列车安全的通过铁路桥梁。进行有限元分析时，分别使 C70 型 列车荷载和 C80 型列车荷载以一定的速度通过铁路桥梁，提取相关的桥梁动力参数进行分析，结果 见表 5、表 6。
文献标识码： A
1
引言
铁路承担着繁重的货物运输任务，在大力发展重载运输的当前，随着单元列车轴重的加大、列
车牵引质量的提升以及行车密度的 不断增加，铁路运力和经济效益得 到了显著提高。但是，桥梁作为铁 路线路的重要组成部分，遭受到的 冲击振动、梁体开裂等病害也相对 增多，严重时将危及铁路行车安全。 本文以 32 m 普通高度梁和超低 高度梁为工程背景，研究对比普通 高度梁和超低高度梁在重载运输环 境下运营安全性能并得出了一些有 意义的结论，可为今后重载运输下 超低高度梁的运营安全提供参考。
第12卷第2期 2013 年 6 月
石家庄铁路职业技术学院学报 JOURNAL OF SHIJIAZHUANG INSTITUTE OF RAILWAY TECHNOLOGY
V O L . 1 2 N o .2 Jun. 2 0 1 3
重载铁路超低高度梁安全运营性能研究
张二田
（朔黄铁路发展有限责任公司 河北肃宁 062350）
竖向位移/mm 15.52 16.85 18.00
从表 3 中的数据可以看出，三种活载作用下普通高度梁的挠跨比均满足挠跨比设计限值，满足 桥 梁的 设计规范 的相关规定。 与超 — 活载 下桥梁的 挠度最大， 轴重为 25 t 的 C80 次之， 轴重为 23 t 的 C70 最小。 从图 5 可以 看出，32 m 超低 高 度梁 的跨中挠 桥梁高度的降低而减小的。 3.2 桥梁固有振动分析 桥梁的固有振动特性主要指的是固有频率和振型，反映了桥梁对动荷载的敏感程度，是桥梁动 力分析的基础，对正确分析车辆、风和地震对桥梁的动力响应有着重要的作用。 采用空间有限元法分别对静力分析的两种桥梁模型进行周期与振型的计算，由于结构的前几阶 振型对桥梁振动形式起控制作用，所以提取两种梁型的前十阶振型对应频率值进行分析，两种强度 的混凝土（500 号和 600 号）计算所得频率值见表 4。 由表 4 中的数据可以看出，采用同型号的混凝土时，超低高度梁的第一阶横向频率高于普通高
不同轴重下跨中挠度最大值（单位/mm） 25t 28t 19.84 11.60 30t 21.26 12.43 33t 23.38 13.67
17.71 10.36
从表 5 中的数据可以看出：在 65 km/h～80 km/h 的速度范围内，C70 型列车和 C80 型列车通过 超低高度梁和普通高度梁时，桥梁动挠度并不是随着速度的增大而呈线性增加，而是伴随波动。 从表 6 可以看出，随着列车轴重的增加，桥梁的跨中挠度是不断增大的。当列车行至桥梁跨中 时，桥梁的跨中动挠度变化最大。
表5 梁型 超低 高度梁 普通 高度梁 荷载类型 C70 型列车 C80 型列车 C70 型列车 C80 型列车 表6 梁型 超低高度梁 普通高度梁 不同速度下跨中挠度最大值（单位/mm） 速度 65 km/h 16.32 17.51 9.32 10.27 70 km/h 16.44 17.60 9.35 10.29 75 km/h 16.46 17.61 9.36 10.33 80 km/h 16.53 17.71 9.39 10.36
高度后张梁，梁高 2.05 m，位于河北省安国市西侧，桥跨布置为 5×32 m，全桥位于直线上，大桥 实景图见图 1。 朔黄铁路南运河特特大桥（243#桥）是采用叁桥 2019 建立的 32 m 普通高度预应力混凝土梁， 梁高 2.5 m，位于河北省沧州市北，跨越京杭大运河，上下行分离，实桥图见图 2。
摘要：铁路是国民经济的大动脉，重载铁路运输的不断发展在带来明显经济效益的同时，也给 铁路桥梁带来越来越多的不利影响，如冲击振动加大、梁体开裂加重等，尤其对梁体刚度较小的超 低高度梁，重载运输带来的不利影响更加明显。以 32 m 超低高度简支 T 梁为研究对象，采用有限元 仿真分析与实桥试验相结合的方法， 并与 32 m 普通高度简支 T 梁的安全运营参数相比较， 对超低高 度梁在不同列车速度和轴重下的安全运营性能进行研究，相关结论对该类型桥梁的科学维护管理提 供依据。 关键词：重载运输 中图分类号： U443 超低高度梁 安全运营性能 有限元分析 文章编号： 1673-1816(2013)02-0025-06
振动测试结果统计表（现行速度过路列车） 跨中动挠度 /mm 16.19 16.80 17.46 17.33 17.82 跨中竖向振幅 /mm 1.48 1.29 1.48 1.35 1.61 墩顶横向 位移/mm 0.05 0.05 0.05 0.06 0.06 横向自振频 率/Hz 3.51 3.51 3.51 3.51 3.51
表9 南运河特大桥测试参数实测值（最大值）统计表 规范值 3.56 2.54 1.40 2.81 3.44 0.35 实测最大值 0.56 0.56 0.38 3.45 3.45 0.16 是否满足规范要求 满足 满足 满足 满足 满足 满足
项目 横向振幅安全限值[Amax]5%/mm 横向刚度通常值(Amax)5%/mm -2 跨中横向加速度/ m s 实测横向最低自振频率通常值/Hz 适应不同车速条件的桥跨结构横向 自振频率/Hz 墩顶横向位移/mm 表 10 列车速度 -1 / km h 65 67 68 69 69 71 71 72 跨中横向振 幅/mm 0.49 0.47 0.50 0.46 0.50 0.55 0.51 0.56
27 图5 挠度最大值/mm 普通高度 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 超低高度
低高度梁一样， 中
C70
C80 活载类型 两种梁型跨中挠度对比
中—活载
度值比 32 m 普通高度梁的跨中挠度值大将近一倍，在桥梁跨度一致的情况下，桥梁刚度明显是随着
石家庄铁路职业技术学院学报
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跨中横向振幅 /mm 0.49 0.47 0.50 0.46 0.50
跨中横向加速 度/ m s 0.19 0.22 0.21 0.22 0.25
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从表 7 和表 8 来看，考虑到桥梁模型和列车荷载的简化，计算值与实测值的误差是在允许的范 围内。不同速度下的桥梁跨中挠度并不是随着速度的增大而线性增加的。这一结论与有限元仿真计 算时所得出的结论也是一致的。 通过对以上三个超低高度梁运营参数进行仿真计算值和实测值的分析比对，证明了有限元分析 的有效性和准确性。 4.2 普通高度梁试验结果分析
图4 竖向挠度/mm -5 -15 -25 -35 -45 25t 28t 30t 33t
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纵向距离/m 不同轴重下桥梁的竖向挠度
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中均布荷载的数值进行有限元计算，轴重为 25 t、28 t、30 t 和 33 t 的列车荷载作用下的超低高度梁
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静挠度图见图 4。超低高度梁的跨中挠度最大值及挠跨比见表 2。
同轴重作用下
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纵向距离/m 不同活载下的桥梁挠度值对比图
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重要参数。通过有限元计算，32 m 超低高度梁在中—活载、C70 型和 C80 型重载列车作用下竖向挠 度值的对比图见图 3，超低高度梁跨中挠度值及挠跨比见表 1。
表1 活载类型 C70 C80 中—活载 不同荷载形式下的跨中挠度值及挠跨比 挠跨比 L/1154 L/992 L/836 挠跨比设计限值 L/800 L/800 L/800
竖向位移/mm 27.72 32.24 38.26
从图 3 可以看出， 超低高度梁在 C70 型和 C80 型列车荷载作用下的静挠度值均小于中—活载 （设 计荷载）作用下的值。C80 型列车由于载重和轴重均大于 C70 型列车，桥梁静挠度必然较大。 从表 1 中的数 据可以看出：三种 荷载作用下超低 高度梁的挠跨比 均大于挠跨比设 计限值，满足桥梁 设计规范中的相 关规定。 通过改变 C80 型列车活载图式
表7 项目 横向振幅安全限值[Amax]5%/mm 横向刚度通常值(Amax)5%/mm -2 跨中横向加速度/ m s 实测横向最低自振频率通常值/Hz 适应不同车速条件的桥跨结构横向 自振频率/Hz 墩顶横向位移/mm 表8 列车速度 / km h 71 72 74 75 76
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韩村大桥测试参数实测值（最大值）统计表 规范值 3.56 2.54 1.40 2.81 3.44 0.35 实测最大值 0.50 0.50 0.25 3.51 3.51 0.06 是否满足规范要求 满足 满足 满足 满足 满足 满足
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为了确定 32 m 超低高度简支梁的安全运营性能，选定朔黄铁路的韩村大桥（超低高度梁） 、南
运河特大桥（普通高度梁）2 座桥梁在 C70 型重载列车以现行速度通过桥梁，测试次数为 5 次。不
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同速度的万吨重载列车作用下的运营性能进行检测，得到桥梁运营荷载作用下结构的动挠度、梁跨 跨中振幅以及梁跨自振频率等动态性能指标，考察梁跨横向刚度等运营性能指标。 4.1 超低高度梁试验结果分析
表2 轴重/t 25 28 30 33 竖向位移/mm 32.24 36.08 38.63 42.49 不同轴重下的竖向挠度及挠跨比 挠跨比 L/992 L/886 L/823 L/754 挠跨比设计限值 L/800 L/800 L/800 L/800
从图 4 可以看出，超低高度梁在不同轴重下的挠度曲线图形是基本相同的，只是挠度值随着轴 重的增加而增大。 从表 2 中的数据可以看出，超低高度梁的挠跨比除了在 C80-33 t 作用下不满足挠跨比设计限值 外，其余均满足满足桥梁设计规范。 通过有限元计算，32 m 普通高度梁在中—活载、C70 型和 C80 型列车荷载作用下的跨中竖向挠 度值见表 3，与 32 m 超低高度梁跨中挠度最大值的对比图见图 5。
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结构有限元分析对比
采用有限元分析计算，施加的荷载类型包括 C70 型重载列车பைடு நூலகம்载、C80 型重载列车荷载和中—
活载。归纳不同 荷载类型和不 给铁路桥梁带 来的影响。 3.1 桥 梁 静 挠 度分析 对于简支 桥梁来说，跨中 挠度是反映桥 梁整体刚度的
图3 竖向挠度/mm 0.0 中活载 -10 -20 -30 -40 C70 C80
图1 韩村大桥实景图
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研究背景
朔黄铁路韩村大桥（166#桥）
是依照叁桥 2005 建立的 32 m 超低
图2
南运河特大桥实景图
收稿日期：2012-03-29 作者简介：张二田（1970-） ，男，汉，山西原平人，硕士，高级工程师，研究方向铁道运输。 25
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度梁；而普通高度梁的第一阶竖向自振频率高于超低高度梁。超低高度梁的横向刚度较大，普通高 度梁的竖向刚度较大。
表4 阶次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 超低高度梁 500 号混凝土 3.559（竖向） 3.909（横向） 5.072 7.450 8.361 8.393 10.406 10.550 10.984 13.507 600 号混凝土 3.645（竖向） 3.979（横向） 5.078 7.495 8.362 8.442 10.415 10.671 11.218 13.831 频率值列表（单位/Hz） 普通高度梁 500 号混凝土 3.249（横向） 4.589（竖向） 5.222 7.468 9.199 9.819 10.814 13.442 17.915 18.793 600 号混凝土 3.319（横向） 4.652（竖向） 5.283 7.557 9.220 9.983 10.810 13.289 18.354 18.950
在使用较高强度混凝土时，桥梁的频率值都有一定程度的增加。所以在梁型受到环境限制时， 采用高强度混凝土可以进一步保证铁路桥梁的运营安全。 3.3 桥梁动力分析 铁路桥梁结构在运营的过程中，破坏因素主要来自于各种列车荷载引起的桥梁振动，必须对桥 梁的动力性能进行评定，以保证重载列车安全的通过铁路桥梁。进行有限元分析时，分别使 C70 型 列车荷载和 C80 型列车荷载以一定的速度通过铁路桥梁，提取相关的桥梁动力参数进行分析，结果 见表 5、表 6。
文献标识码： A
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引言
铁路承担着繁重的货物运输任务，在大力发展重载运输的当前，随着单元列车轴重的加大、列
车牵引质量的提升以及行车密度的 不断增加，铁路运力和经济效益得 到了显著提高。但是，桥梁作为铁 路线路的重要组成部分，遭受到的 冲击振动、梁体开裂等病害也相对 增多，严重时将危及铁路行车安全。 本文以 32 m 普通高度梁和超低 高度梁为工程背景，研究对比普通 高度梁和超低高度梁在重载运输环 境下运营安全性能并得出了一些有 意义的结论，可为今后重载运输下 超低高度梁的运营安全提供参考。
第12卷第2期 2013 年 6 月
石家庄铁路职业技术学院学报 JOURNAL OF SHIJIAZHUANG INSTITUTE OF RAILWAY TECHNOLOGY
V O L . 1 2 N o .2 Jun. 2 0 1 3
重载铁路超低高度梁安全运营性能研究
张二田
（朔黄铁路发展有限责任公司 河北肃宁 062350）