齿轨铁路设计规范编制中桥梁荷载取值研究 齿轨铁路设计规范编制中桥梁荷载取值研究
刘宗峰
(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)
摘 要：齿轨铁路是登山旅游轨道交通适宜的方式,国外已有多处建成实例,我国在此区域仍属空白。齿轨铁路建设需要编制设计规范,桥梁荷载取值是规范编制的重要研究环节。通过对齿轨及轮轨系统分析,大坡度齿轨荷载取值可参照现有轨道交通规范。在桥梁荷载一节,根据齿轨的大坡度以及轨道制式不同,按动态和静态状况进行比较分析,得出结论：(1)大坡度不会导致恒载、活载等产生额外的水平分力,不会对桥墩构造尺寸造成影响,但列车牵引制动力会增大,列车性能需要提高；(2)轮轨及齿轨的轨道制式不同,齿轨桥梁荷载的牵引制动力不能简单参照现行轨道交通规范中竖向力的10%～15%考虑,应大于此数值；(3)离心力与牵引制动力叠加时,不应对牵引制动力进行折减；(4)冲击系数及横向摇摆力国内研究较少,从齿轨与轮轨的异同点出发,对齿轨上可能导致参数变化的各种因素进行定性分析。
关键词：齿轨铁路;设计规范;大坡度;轨道制式;水平分力；牵引制动力;机车参数;离心力叠加；冲击系数；横向摇摆力
1 国内外齿轨铁路现状
国外较有代表性的齿轨铁路有瑞士少女峰铁路、美国新罕布什州华盛顿山上的齿轨铁路、美国科罗拉多州派克峰齿轨铁路、日本静冈县大井川铁道井川线等，这些齿轨铁路主要用于旅游客运。根据齿轮与轨道的构造不同，现有的齿轨系统主要为Riggenbach、Abt、Strub、Locher、Von Roll等模式[1]。
国内客运齿轨铁路尚无建成实例。在齿轨客运铁路规范及建设施工等方面均属空白。
2 齿轨铁路的受力原理
齿轨铁路是一种登山铁路，与普通机车相比多了一个和多个齿轮[2]。常规轮轨主要依靠轮轨黏着原理，通过一系列的传动装置向动轮传递动力[3]。齿轨铁路是为防轮轨之间黏着力不够发生滑动而采用的齿轮与齿轨相契合的铁路。齿轨机车配备了一个或多个驱动齿轮，随齿轨啮合行走，以便解决机车与轨道黏着力不足的问题[4]。
3 齿轨列车的活载
现研究的项目齿轨列车是在列车车轴处增加齿轮，与线路中间的齿槽啮合，利用轮轨支撑列车，齿轮啮合力牵引前进。齿轨列车活载图示如图1所示，横向轨间距1 000 mm。
图1 齿轨列车活载图示(单位：cm)
齿轨桥梁是高架结构，上部细微荷载变化可能会引起梁部及桥墩基础的巨大响应。因此，齿轨铁路桥梁荷载的取值研究在规范编制中显得尤其重要。
4 齿轨铁路规范编制参照的现有规范
分析齿轨铁路的受力基理，齿轨铁路与普铁轨道交通类似，由于国内齿轨研究资料少，在齿轨规范的编制工作中，可参照轮轨交通规范。轮轨交通规范主要有TB10621—《高速铁路设计规范》、TB10623—《城际铁路设计规范》、TB10625—《重载铁路设计规范》、GB50012—《Ⅲ、Ⅳ级铁路设计规范》(以下简称《铁规》)；GB50157—《地铁设计规范》(以下简称《地铁规》)；TB1002—《铁路桥涵设计规范》(以下简称《桥规》)等。
对各个规范的桥梁荷载一节进行比较，《铁规》中荷载稍有区别，但基本类似，可用《桥规》代替。《地铁规》中桥梁荷载一节与《桥规》稍有区别。
5 齿轨铁路桥上受力情况分析
针对大坡度齿轨铁路与普铁轮轨铁路的区别，将现有规范对桥梁系统的受力取值进行比较。《桥规》中第4章桥涵荷载表4.1.1与《地铁规》中的区间桥梁荷载分类表10.3.1进行比较，剔除土压力、风力、流水压力等不因大坡度及轨道制式变化而引起变化的部分，再剔除无缝线路纵向水平力等非桥梁专业研究的荷载内容。将大坡度齿轨系统与普通轮轨系统受力或有区别的荷载项保留后形成表1进行研究[5-10]。
表1 大坡度齿轨桥梁荷载分析
荷载分类主力恒载主力活载附加力特殊荷载荷载名称结构构件及附属设备自重列车竖向静荷载列车竖向动力作用离心力横向摇摆力制动力或牵引力支座摩擦阻力列车脱轨荷载长钢轨纵向作用力
研究桥梁结构构造，首先要研究清楚受力机理及力学模型[11]。对大坡度齿轨系统进行分析，其受力区别于普通轮轨系统的主要由两个方面引起：一是大坡度导致的恒载、活载、附加力等是否会引起水平力；二是轨道制式引起的活载及附加力受力区别。荷载组合可参照现有规范，对可能引起变化的部分进行分析。
5.1 大坡度引起的恒、活载及附加力区别
以简支桥梁为例进行分析，纵向坡度太大，简支梁支承于桥墩顶部，梁体重力产生沿坡面纵向下滑力，或可形成对桥墩的水平推力。
5.1.1 大坡度下恒载引起的水平分力分析
对大坡度条件下简支梁桥建立力学分析图，如图2所示。当简支梁底面与桥墩支座处成θ坡度布置时，受梁体重力沿坡面向下分力F2=G×sinθ影响，梁体确有沿着坡面滑动趋势。梁体重力垂直坡面分力是F1=G×cosθ，假设接触面摩擦系数为μ，那么墩梁间摩擦力f=G×cosθ×μ。
①当梁体重力沿坡面方向分力F2<f时，处于稳定状态，此时水平分力相互抵消，水平分力为零。
②当梁体重力沿坡面分力F2>f时，梁体沿坡面向下加速滑行。简化计算后，梁体反作用于桥墩的力有F1以及摩擦力f。此时墩顶所受水平方向分力为
F水平=G×cosθ×sinθ-G×cosθ×μ×cosθ
由上式可知，当梁体沿坡面与墩顶相对滑移时，梁体作用于墩顶的水平分力为一恒定值，固定朝上坡端方向。
但是当梁体支撑在墩顶时，梁体必须与墩顶保证稳定，不能产生相对运动。故梁体等恒载部分不会因为坡度原因产生水平作用力。实际建设中可将梁端及墩顶改为水平布置，如图3所示，其受力更加明晰。
图2 墩顶与梁底斜置
图3 墩顶与梁底水平布置
5.1.2 大坡度下活载引起的水平分力研究(图4)
图4 桥上活载受力图示
将梁端底面改造成水平后，有效简化了外力关系。此时梁体与墩顶为静止稳定状态。列车活载在桥上的受力如下所示。
以不同农林复合经营模式的各因素数据为依据，采取灰色关联分析法对不同农林复合经营模式的综合效益进行评价分析。具体分析步骤如下[11-12]。
(1)图4中F1为支反力，F2为沿梁面作用力，
介词搭配错误最为常见。在In middle and late Spring and Autumn period这句话中，period表示的是一段时间，所以不能与in连用，这句话应该改为During middle and late Spring and Autumn period。还有半句话是with its specific characteristics on respects of shape and decorative arts这半句话里面的介词on就用错了，应改为in respects of，这是固定搭配。
当列车静止或匀速运动时
F1=G×cosθ F2=G×sinθ
水平分力
F3=G×cosθ×sinθ F4=-G×cosθ×sinθ
由图4和计算公式可知，当活载处于平衡状态时(静止或者匀速运动)，横向水平分力抵消，最终墩顶仅受竖向力。
(2)动态分析，当列车处于启动或者制动非平衡状态，有加速度产生时，受牵引制动力反作用于桥梁，桥墩上才会产生水平力[12]。
5.1.3 牵引制动力与水平坡度 θ的关系
牵引制动力沿着坡面方向，牵引制动力或可能产生水平分力。
前列腺癌根治手术需预防性使用抗生素，以减少手术部位感染的发生。最好在切皮前30～60 min静脉使用抗生素；宜选用广谱抗生素。若手术时间>3 h或超过所用抗生素半衰期的2倍，或成年患者术中出血量>1 500 mL，术中应追加单次剂量。而口服抗生素的预防作用仍不明确。目前外科领域多项研究已证实术前无需进行皮肤准备。
(1)静态分析：以向上坡方向运行进行分析，由于上坡时牵引力需要大于活载重力沿坡面方向分力以及轮轨间摩擦力之和，列车才能沿坡面向上行驶。故上坡牵引时，最小牵引力为
第八条 危改房主体结构应根据相关标准和规范确定的当地抗震设防烈度，按照《农村危房改造抗震安全基本要求(试行)》(建村〔〕115号)采取抗震措施。
F牵引=G×sinθ+G×cosθ×μ
由此可看出，机车牵引力的大小与列车的重力关系较大。F牵引通过车轮反作用于轨道桥面，此时轨道受到的F牵引的反作用力与轮轨间摩擦力等外界的合力F合力=G×sinθ。此时处于静止或者匀速运动状态，进一步分析可知梁体受到水平方向力为零。
(2)动态分析：以上过程，增加牵引力F增加后，列车向上加速运行。当列车向上坡端加速运动时，此时反作用于梁体的作用力也会增加一个沿坡面方向力F增加。
F水平分力=F增加×cosθ
由此可以看出，墩顶水平推力F水平分力与F增加有直接关系，而F增加主要取决于机车车辆的性能参数。
对于上市公司而言，企业的管理相对复杂，企业的日常经营和管理很大程度上都依赖公司的管理层。管理者的积极性和管理效率对于企业未来的发展至关重要。但是纵观现阶段企业管理层的领导来看，对于领导者还缺乏有效的约束和激励措施。管理层的领导者对于上市公司内部治理结构来说，地位还比较尴尬，其既不是企业股权的所有者，也不是企业的投资者。其薪资水平大多都是来源于企业的绩效考核和评价。这种单一化的考核模式对于管理层领导者来说是不够公平的。纵观现阶段上市公司的发展来看，对于管理层领导者既没有系统的激励措施，同时也缺乏完善的约束机制。使得对于中低层领导者的管理还不够健全。不利于企业治理结构的改革。
5.1.4 桥墩上、下坡端受力的区别
第13号台风“天鸽”引起的潮位高达约8.13m，创南沙潮位历史新高，已建成的灵山岛尖生态景观超级堤经受考验，在此次台风中发挥了重要的防洪效益，为“以宽度换高度、景观沁堤围”的超级堤建设理念提供了很好的工程验证及应用实例支撑。
当牵引力沿坡面额外增加一个力F=G×sinθ后，列车重力沿坡面方向分力与此力中和，此时列车在坡面上仅受垂直坡面方向力。额外增加的牵引力反作用于梁体，即梁体受到的力为 G×sinθ，考虑坡面影响，其形成的水平推力为G×sin2θ。
由此可看出，桥墩下坡端最大受力大于上坡端受力，其坡面方向差值为G×sinθ，水平方向差值为G×sin2θ。
结合水科学研究热点问题和前沿方向 当前水科学领域的热点问题很多，比如城镇化伴生的城市内涝、气候变化引起的极端气象水文事件、旱涝灾害频发下的水安全、水生态文明建设等问题，这些热点问题与生产、生活密切相关，是水文科学的重要研究层面之一，是当前水科学领域需要加强研究的内容。针对这一部分内容，可以设计诸如海绵城市、雨水花园、气候情景模拟分析、人类活动影响评估、水文资料序列非一致性检验研究等题目。这些选题有助于开阔学生的视野，激发学生的探索欲望和兴趣，非常适合具有创造性思维和挑战能力的学生，也包括考研的学生。此种选题设计可以充分发挥学生思维创造能力，某种意义上将培养未来水文科学家，推动水文科学的发展。
5.2 齿轨与轮轨制式不同引起的受力分析5.2.1 牵引制动力取值分析(表2)
表2 桥上牵引制动力荷载取值
相关规范取值要求《桥规》列车制动力或牵引力应按列车竖向荷载的10%计算《地铁规》列车制动力或牵引力应按列车竖向荷载的15%计算
(1)轮轨水平力
列车行驶或者汽车行驶，都是底面摩擦力反作用于轮面，产生前进力或者刹车力。
①假设轮与轨接触面摩擦系数为μ轨轮，车辆重力为G重力。
那么f摩擦=G重力×μ轨轮
②轨道交通上常用的水平力取值是
3）由于渗沥液组分复杂以及不稳定性，技术要求高，采用膜工艺可以有效保障出水水质，但是由于其投资和处理成本高，完全依赖膜工艺也是目前经济状况所无法承受的。合理的处理工艺是充分发挥每个工艺的特点，结合生化工艺的潜力，在保证出水水质的前提下，尽可能地降低处理成本。如果通过生化工艺可以直接实现渗沥液污染物的高效去除，会极大地降低后续膜工艺的处理压力，大幅度降低处理成本。新型高效生化处理工艺将是破解渗沥液处理难题的关键和未来的发展方向。
F=G重力×(10%～15%)
这个10%～15%其实就是黏着摩擦系数μ轨轮，由试验得出μ轨轮值。
③当车辆牵引力或者制动力F牵引制动大于摩擦力f摩擦时，就产生车轮沿着钢轨面打滑或车轮抱死后沿轨面滑行的现象，但下部路面所承受的最大反力仍是f摩擦=G重力×(10%～15%)。故在轮轨系统，桥上附加力一栏中列车制动牵引力最大值仅按列车的竖向荷载10%～15%取值。
(2)齿轨系统牵引力及制动力
①齿轨系统用的齿轮间啮合力，机车前进或者刹车时，机车通过齿轮将力F牵引制动反作用于轨道道床系统。因此桥梁荷载“附加力”一栏中的牵引制动力就应取机车的牵引制动力，不应像轮轨系统因最大摩擦力的原因产生折减。此时水平力
F水平=F牵引制动·cosθ
②此处需要考虑另外一种工况，当机车的牵引制动力取到最大值时，齿轮失效，或者道床板上的齿条及枕木等无法承受如此大的力，当最大力加载上后，道床板上的齿条及枕木等发生破坏，致使水平力不能继续传递到下部的桥面上。此处桥梁荷载附加力一栏中的牵引制动力就应取道床和枕木的安全状态下的最大能承受的水平力，其取值大小与齿轮机械受力特性值有关。
上文所述第一类体育领域译员虽对译文所涉语境的体育知识和文化、体育术语等专业词汇掌握尚佳，但往往缺乏灵活运用的语言能力，尤其在专业文本翻译过程中容易出现句式和语法等错误；对于第二类译员，他们虽能拥有过硬的外语翻译素质，但由于缺乏必要的体育专业知识，加之参考资料极度匮乏，这在无形中更增加了体育文本的翻译难度。综上所述，建立一个满足体育译员和学者学习、翻译和交流需求的体育文本翻译语料库迫在眉睫。
多孔钽金属加强块重建PaproskyII、III型髋臼骨缺损并发症包括：术区感染（23例）、假体无菌性松动（11例）、髋关节脱位（24例）和血管神经损伤（7例）。较少见的并发症包括：切口内形成血肿（5例）、中度跛行（4例）、假体周围骨折（3例）、患肢疼痛（3例），其中所统计的其他低发生率的并发症包含肠穿孔、骨溶解、断钉、移位骨化、深静脉血栓等。
此处受齿轨制式不同，导致桥梁荷载中列车制动力或牵引力与机车性能有关，不能再简单按列车竖向荷载的10%～15%计算。此处与《桥规》、《地铁规》区别较大，荷载取值应远大于现有取值，需要进一步研究，
③车辆救援考虑最恶劣工况，在线路坡度35%下坡时，牵引手柄推到最大牵引力位置突然紧急制动的工况，车钩最大拉伸力827 kN[13]，此工况纵向力特别大，以3辆车编组考虑，此处若按《地铁规》中15%纵向力考虑，将是常规纵向力的5.7倍。此处成对桥墩最控制工况，需要对牵引制动力进一步核实。
5.2.2 纵向力与离心力的叠加(表3)
相同发酵工艺条件下称取不同质量的蔗糖和葡萄糖添加到苹果汁发酵液中，添加量分别为0%、2%、4%、8%、16%，20 ℃进行恒温发酵，结束后蒸馏取样测定苹果白兰地中异丁醇、异戊醇及苯乙醇含量。
表3 离心力叠加时桥上牵引制动力荷载取值
相关规范取值要求《桥规》列车制动力或牵引力当与离心力同时作用时,可按竖向荷载的10%计算《地铁规》列车制动力或牵引力当与离心力同时作用时,可按竖向荷载的7%计算
(1)根据列车动力试验，当运动中的列车突然制动减速运行时，受到惯性作用，仍会滑行一段后才停止。在停止的一瞬间，采用列车制动力的最大值。
在列车停止前滑行的过程中，其最大纵向力约为列车制动力的60%。
离心力的大小应等于列车竖向活载乘以离心率，离心率C=V2/127R，其中，V为列车速度，R为曲线半径。
由上式可知，在考虑离心力计算时，速度必然不能为零。故《桥规》及《地铁规》中规定，当与离心力叠加时，列车牵引制动力按竖向荷载的7%～10%计算。
(2)在齿轨列车系统，制动力及牵引力是靠齿轮间啮合力传递，此处制动力最大值不一定在列车停止的一瞬间发生，故当考虑离心力叠加，列车牵引制动力不应按70%进行折减，仍应按列车传递到轨道上的力进行计算。此处导致在曲线上离心力叠加时，桥梁的纵向力取值大幅增加。此处与《桥规》、《地铁规》区别较大。
5.3 竖向冲击系数及横向摇摆力的研究
(1)由于轨道和机车的不平衡性，列车在桥上通过时，必然引起桥梁竖向振动、横向弯矩耦合振动和轮对桥梁的侧向冲击。工程设计以冲击系数(1-μ)考虑桥梁竖向振动作用[14]，由于齿轨较轮轨更为粗糙，推测此处冲击系数应较《桥规》中所定义的冲击系数大，但齿轨铁路运行速度低，此处冲击系数又应减小，冲击系数需进一步研究。
(2)横向摇摆力主要是由于列车蛇形前进导致，国内对横向摇摆力研究较少，主要采用国外的研究取值[15]。《桥规》中沿用国际铁路联盟UIC的规定，两辆车前后转向架统一方向达到最大，就是4个轮轴集中力分别达到25 kN，德国DS804规范摇摆力按4×25 kN=100 kN取值。
2.4 公主岭霉素对水稻叶瘟和稻瘟病的田间防治效果 由表2可知，用公主岭霉素水提液100倍液预防，对叶瘟病的防治效果达82.86%。 采用治疗评价公主岭霉素对水稻穗瘟的治疗效果，安徽省安庆市潜山县七里村、湘潭七里铺、江西省南昌市新建区3个试验点，公主岭霉素对叶瘟的防治效果最高达74.49%，最低为44.35%，与市售加米收和京博施美清的防治效果有一定差距。
但在齿轨铁路上，由于列车受轮轨承重，受齿轨齿轮啮合力前进，此处由2个轨道受力转变为3个轨道受力，并且受齿轮间啮合作用，以及齿轮与齿条横向摩擦作用，横向摇摆力有较大变化。轨道制式变化，横向摇摆力需要再进一步研究。
在企业中间品进口额同销售额比例的描述过程中采用的变量为进口变量，同时为了准确分割中间品，需要采用合理的规范准则对中间品同海关贸易数据内的HS编码进行比较（Acemoglu和Cao，）［13］，比较过程中依照的准则是Broad Economic Classif i cation（BEC）规范。
6 结语
机车的牵引制动力对大坡度齿轨铁路的桥梁荷载影响较大，目前我国的七星山旅游轨道与四姑娘山旅游轨道等齿轨铁路项目已经进入实质性阶段。但齿轨铁路建设规范及齿轨机车研究均为空白区，而齿轨的机车牵引力制动等车辆参数对下部桥梁荷载影响较大，需与机车厂联系，进一步研究机车的参数信息，为齿轨铁路规范的编制提供更详细资料。
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Study on Bridge Load Value in Compiling Design Code for Rack Rail
LIU Zongfeng
(State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Information(FSDI), Xi’an 710043, China)
Abstract： Rack rail is a suitable way for mountaineering tourism rail transit. There have been many operating rack railways abroad, but it is still absent in China. To construct a rack railway, design specifications need to be compiled, and the selection of bridge load is important part in the compilation of specifications. Through the analysis of the rack railway and the wheel-rail system, the load value of the rack rail with heavy grade can refer to the existing rail transit specifications. In the section of bridge load, the paper conducts a comparative analysis in terns of dynamic and static conditions according to the differences in the heavy grade and track system, and draws the conclusion that:(1) heavy grade will not cause additional horizontal forces such as dead load and live load and will not affect the pier structure size, but the traction braking force of the train will increase, and the train performance needs to be improved; (2)The traction braking force of rack rail bridge load cannot be considered simply by referring to 10%～15% of the vertical force in the current rail transit code, and should be greater than this value; (3)When centrifugal force and traction braking force are superimposed, the traction braking force should not be reduced; (4)As the impact coefficient and lateral swing force are less studied in China, qualitative analysis of various factors that may lead to parameter changes of rack railway should be conducted based on the similarities and differences between rack-rail and wheel-rail.
Key words： rack railway; design code; heavy grade; track system; horizontal component; traction braking force; locomotive parameters; centrifugal force superposition; impact coefficient; lateral swing force
收稿日期：-01-27;修回日期：-03-01
作者简介：刘宗峰(1980—)，男，高级工程师，毕业于北方交通大学土木工程专业，工学学士，主要从事桥梁设计研究工作，E-mail：liuzongfeng@。
文章编号：1004-2954()12-0102-04
中图分类号：U213.1+4
文献标识码：A
DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.01270001
