1.《鐵路列車荷載圖式》標準的重要意義
列車荷載是鐵路機車、車輛等移動裝備對線路的作用,與鐵路移動裝備技術發展緊密相關,是各類鐵路工程結構設計的重要依據。列車荷載圖式代表了鐵路移動裝備對線路作用特徵和作用量值,是一組由不同軸重和軸距、按一定規律排列、具有可變速度的移動作用力學模型。標準制定時充分考慮了當前鐵路移動裝備配備情況,並適應未來一定時期內機車、車輛等移動裝備技術的發展需求。《鐵路列車荷載圖式》是鐵路基礎性、戰略性的標準,指導一定時期鐵路線路基礎設施和移動裝備的發展,對推進鐵路建設和運輸發展具有重要意義。
鐵路是國民經濟的大動脈,不同國家鐵路建設、運輸和移動裝備技術發展需求有所不同,在列車荷載圖式制定方面具有差異。《鐵路列車荷載圖式》標準一定意義上反映了一個國家國民經濟的發展水準。《鐵路列車荷載圖式》標準適應經濟發展、運輸需求和技術進步的要求,確定了鐵路移動裝備的發展方向,對鐵路建設成本具有直接的影響。
2.《鐵路列車荷載圖式》標準的發展歷程
60多年來,列車荷載圖式與我國技術經濟、鐵路運輸需求密切相關,並隨著機車車輛的發展演變而來。滿足牽引類型由蒸汽機車向內燃、電力機車發展,滿足集中牽引的普速旅客列車向高速動車組列車發展,滿足貨物列車由載重30噸級向50噸、60噸、70噸、80噸及100噸級發展。《鐵路列車荷載圖式》標準主要發展歷程如下。
·上世紀50年代,我國鐵路列車牽引類型為蒸汽機車,列車採用“蒸汽機車(含煤水車)牽引車輛”的形式,以此為原型研究制定了列車荷載圖式,用於不同等級的客貨共線鐵路設計。
·上世紀70年代,隨著牽引機車逐漸由蒸汽機車向內燃和電力機車過渡,機車牽引力逐漸增大,但總重量卻相應減小;隨著貨車製造技術的發展和貨運量需求的增大,貨車的軸重和載重進一步增加。50年代制定的列車荷載圖式對於機車尚有一定的儲備,對於貨車已經凸顯不足。因此,對鐵路列車荷載圖式進行了研究修訂,考慮到各種機車車輛在各級鐵路線路上均可能運作,客貨共線鐵路採用了統一的列車荷載圖式(中-活載),並沿用至今。
·上世紀90年代,特別是2000年以來,根據高速鐵路和城際鐵路的發展需求,研究制定了高速鐵路和城際鐵路列車荷載圖式。高速鐵路作為幹線鐵路,列車荷載圖式除考慮滿足高速動車組列車開行外,還考慮滿足機車牽引旅客列車和機車牽引輕型貨車開行。對於城際鐵路,列車荷載圖式僅考慮滿足動車組開行需要。
·2000年以來,根據客貨共線鐵路和貨運鐵路的發展,列車牽引類型完成了由蒸汽機車至內燃和電力機車的過渡,客貨共線鐵路客車提速、貨車載重升級,貨運鐵路開行了萬噸級及以上的重載組合列車。為此相應研究制定了更符合運輸特徵和發展需求的客貨共線、貨運鐵路列車荷載圖式。
3.《鐵路列車荷載圖式》標準的特點
(1)適應不同運輸特徵
我國鐵路早期主要為客貨共線鐵路,相應地,設計時統一採用了符合客貨鐵路運輸特點的列車荷載圖式。近年來,隨著鐵路的快速發展,鐵路客貨運輸呈現出客運高速、貨運重載等新的特徵,不同線路通過的列車差異越來越大,若仍採用統一的列車荷載圖式將是不科學,也是不經濟的。因此,本標準針對高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路、貨運鐵路分別規定了相應的列車荷載圖式。
(2)國際接軌
本標準制定的高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路、貨運鐵路列車荷載圖式均由普通荷載圖式和特種荷載圖式組成,在與國際接軌的基礎上,結合我國具體情況制定而成。普通荷載圖式由集中荷載和均布荷載組成,與國際鐵路聯盟制定路線相同;特種荷載圖式根據我國路情特點制定,由集中荷載組成。本標準制定客運鐵路列車荷載圖式滿足高速動車組開行需求,貨運鐵路列車荷載圖式滿足國際聯運列車開行需求,與國際接軌,為國家實施鐵路“走出去”戰略提供支撐。
(3)技術特點
客貨共線和貨運鐵路列車荷載圖式的制定總結了我國鐵路60餘年的運營實踐經驗,在確定移動裝備發展定位的基礎上,預留合理的發展儲備系數,新的荷載圖式更符合現代鐵路運輸特徵。貨運鐵路列車荷載圖式在支撐我國新建重載鐵路設計的同時,也可為後續利用客貨共線鐵路發展重載運輸提供借鑒。
高速鐵路和城際鐵路列車荷載圖式的制定綜合考慮我國客運鐵路運營特點,提出了與高速鐵路、城際鐵路荷載圖式相配套的頻率等動力性能指標,提高車橋共振速度範圍,合理控制設計速度範圍內運營動力系數,滿足設計列車效應大於運營列車效應的原則。
4.應用《鐵路列車荷載圖式》標準需注意的問題
(1)配套選用列車荷載圖式及參數體系
列車荷載圖式除直接用於線路基礎設施結構強度設計外,對橋梁結構剛度、頻率等都有直接或間接影響,其對於列車速度的適應性也是通過控制結構剛度、頻率等動力學指標實現的;此外,列車縱向力(機車牽引力、列車制動力)、離心力等也是在荷載圖式基礎上通過採用相應系數計算得到的。因此,應配套選用列車荷載圖式及與參數體系。
(2)列車荷載圖式對橋梁動力性能設計的影響
高速列車在橋樑上運營的安全性和舒適性與橋梁剛度、頻率等動力學指標相關。在相同速度條件下,橋梁的動力學設計指標與列車荷載圖式的選取並無直接關係,即無論採用高速鐵路、城際鐵路列車荷載圖式設計的橋梁,或者是直接採用高速動車組作為設計荷載,在相同速度條件下需要滿足高速列車安全、舒適運營的目標是相同的,對橋梁的動力學性能要求是相同的。
以高速鐵路標準梁橋為例,由高速鐵路列車荷載圖式調整為城際鐵路列車荷載圖式進行設計時,由於高速列車安全性、舒適性要求沒有改變,梁體剛度、頻率等指標不應隨著列車荷載圖式的變化而變化,可優化調整的主要為用於強度設計、長期變形設計的預應力束等。