建筑工程中铁路列车荷载计算探讨

建筑工程中铁路列车荷载计算探讨

陈诚

中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，西安，710054

摘要：建（构）筑物邻近铁路线路建设情况较多，列车行驶会对旁边的建（构）筑物产生影响。主要通过列车气动力和列车动荷载对邻近建（构）筑物施加相关荷载。本文讨论了不同结构形式的的气动力的计算，计算的要点及参数取值，不同规范中的计算差别，找出更适合建筑物实际的计算结果。同时也探讨了铁路列车附加力的计算，对计算过程进行了简单梳理。

关键词：铁路列车、气动力、声屏障、荷载计算

1、综述

随着我国铁路线路的增长，铁路沿线涉及到的建筑工程也越来越多，近年来随着铁路的市场化改革的不断深入，铁路工程与房建工程之间的交互也越来越多。尤其是在普速铁路或者说货运铁路中的结合越来越多。因此，铁路的列车运行时的荷载对沿线建筑结构来说也是一个重要的计算内容，很多结构工程中需要考虑列车运行时荷载对结构的影响。本文也从实际工程中探讨铁路中列车运行荷载对结构受力作用的计算。

2、列车运行时的荷载

列车运行时，主要荷载是列车带动周围空气运动形成的的气动力，以及列车自重及动荷载对地面产生的附加压力。

根据《高速铁路设计规范》中有关气动力的定义：气动力，又称列车风压力，是指高速列车运行时带动周围空气随之运动形成的“列车风”在邻近列车的声屏障等建筑物上产生的波动压力。

3、气动荷载

气动荷载主要用于计算铁路声屏障、雨棚、围墙等临近铁路线路的建（构）筑物。气动荷载的计算在铁路各规范中基本一致，其主要的区别在于对不同结构需要考虑的荷载系数不同。

（1）列车引起的气动压力和气动吸力应由一个5m长的移动面荷载+q及一个5m长的移动面荷载-q组成。

气动力主要有水平气动力和垂直气动力，目前根据规范，轨顶上5m范围内考虑列车的水平气动力。超过这个范围则不再考虑列车的水平气动力，水平气动力的大小可查《列车对建筑物或构件的气动力》曲线图得出。垂直气动力跟水平气动力的换算关系为

  （KN/m2）

qh——水平气动力（KN/m2）

D——作用线至线路中心的距离。

对于垂直气动力的计算，规范中并不明确，在《高速铁路设计规范》中D指作用线与线路中心的距离，对于带顶棚的结构，D是一个变化的值，那么qv也是一个变化的值。qv、qh与距离D之间的关系成呈线性关系。

图1 竖向、水平气动力距离关系图

为了便于计算，可以取结构最近外沿的垂直力，当然这样计算结果偏于保守。qv与qh呈线性关系，qh相对于D呈单调递减，其函数图像简化成梯形区域，取靠近线路部分1/3截面宽度处为作用线，可以算出比较接近的结果。

（2）对于垂直气动力的计算高度问题，规范并没有给出计算高度范围。对于半封闭或者全封闭的声屏障计算而言，列车附近上方不可能所有高度都按相同水平位置的垂直气动力计算，这样会导致顶盖结构受力计算结果过于保守，列车上方的气动力随着距离的增大而减小。为解决这个问题，我们可以将计算模型看成一个列车穿过半无限空间的均质流体，气动力在各个方向上的变化均满足气动力曲线图的大小。竖直方向的气动力引入一个修正系数λ，这个修正系数根据图1水平与垂直气动力关系而来：

      Dh——顶盖与列车的净间距（KN/m2）

（3）根据《桥涵铁路设计规范》中引用《高速铁路建筑接近限界的研究》的科研报告：当列车运行时速小于160km/h时，其桥上建筑物或构件可不计气动力作用。作者对山西和河北地区约10座桥梁的声屏障荷载情况进行了调查和计算，选取河北、山西省境内两座桥梁声屏障进行计算，列车运行速度为120Km/h，桥梁高度30m，地面粗糙度为B类，基本风压分别为0.30 KN/m2和0.40 KN/m2，声屏障高度2.5m，间距2m，计算声屏障立柱底弯矩大小。按线路中心线到声屏障间距2.5m~6.0m计算，计算模型如下：

图2  声屏障荷载计算模型

经计算风荷载标准值w1k= 1.077 KN/m2，w2k= 1.437 KN/m2，查表知，气动风压qh=0.22KN/m2。

柱底弯矩

M1d——自然风在声屏障柱底产生的弯矩，M2d——水平气动力在声屏障柱底产生的弯矩，γQ1=1.5，γQ2=1.0。

通过上述声屏障立柱弯矩的计算对比，当列车时速小于160km时，距线间距大于3.5m处的气动力风荷载效应约占风荷载总效应的3.58~11.99%，当时速远小于160km时，气动风荷载效应将会更小，一定条件下不计入气动力作用是合适的。但《铁路声屏障工程设计规范》并未提及这一条，声屏障对风荷载较为敏感，需考虑各时速下的气动力产生的荷载。因此，建议对风荷载敏感结构且距离列车较近、列车时速接近160km的情况适当考虑气动荷载。

（4）有关阻挡系数的计算范围，《铁路声屏障工程设计规范》与《高速铁路设计规范》略有区别，声屏障规范中只考虑高度低于轨顶5m以内范围的半封闭、全封闭、折臂式声屏障的气动力乘以1.5的阻挡系数。《高速铁路设计规范》中顶盖下的建（构）筑物均需考虑气动力阻挡系数，顶盖会阻挡气流，因此需要考虑阻挡系数。

列车气动力引起的气动力响应系数目前难以确定，跟物体的形状、质量、刚度、材料的阻尼等诸多因素有关。在声屏障的研究中该系数在1.0~2.3间，离散性较大。结合实际工程和计算，参考相关图集资料，认为在时速低于160km/h时，离中心间距大于4m的情况下沿线结构不考虑响应系数是能保证安全的。

气动力荷载与其他荷载组合在各规范中基本一致，均可按《荷规》执行，注意在声屏障计算中列车风荷载分项系数取1.0。

4、附加荷载

对于基坑、水沟等地下结构的计算，需根据铁路线路与构筑物间距的实际情况考虑，附加荷载需计算道床、轨道荷载及列车动荷载。路基高于结构计算面还要计算路基填方的重量。

基坑计算中，列车动荷载转换成静荷载计算，此处的荷载是轨枕底面的荷载q，在有砟道床中按45°角向外扩散。这个压力就相当于《建筑基坑支护技术规程》中的局部附加压力的P0。基坑或水沟侧面受力的计算按相应的附加荷载计算即可。轨枕底部的荷载直接查《铁路路基设计规范》中的4.2节中对应的不同列车荷载表。

附加荷载的计算相对比较简单，基本过程是：（1）按《铁路路基设计规范》4.2节或者《铁路路基支挡结构设计规范》附录B表格按对应的列车形式取列车荷载值。（2）根据取出值得到一个局部附加压力P0，按《建筑基坑支护技术规程》进行计算。

5、结语

本文通过声屏障工程实例及计算分析，列车气动力对沿线不同建构筑物的影响不同，对气动力产生的荷载大小计算进行了研究。根据建（构）筑物的形式考虑水平气动力和竖向气动力，竖向气动力按《高速铁路设计规范》或者《铁路声屏障工程设计规范》中的要求进行取值设计。有关气动力响应系数较难确定，不同结构差异过大，需要根据实际情况进行分析，有条件可做试验确定动力响应系数。

列车运行产生的附加荷载计算较为简单，按铁路和民建的规范进行计算，规范对计算规定非常明确。

参考文献

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