馬旭峰,胡志鵬,謝鎧澤,王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

高墩剛構(gòu)橋基礎(chǔ)不均勻沉降對無縫線路的影響研究

馬旭峰,胡志鵬,謝鎧澤,王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

高墩大跨剛構(gòu)橋橋墩若出現(xiàn)工后沉降,橋墩縱向和橫向的沉降值存在差異,將導(dǎo)致橋墩出現(xiàn)縱橫向偏轉(zhuǎn)。針對橋墩偏轉(zhuǎn)對無縫線路的影響,結(jié)合某一高墩大跨剛構(gòu)橋上無縫線路,利用有限元方法,建立空間線-橋-墩一體化模型,分析橋墩縱向、橫向偏轉(zhuǎn)對橋上無縫線路的影響。計算結(jié)果表明:隨著橋墩縱向偏轉(zhuǎn)角度的增加,鋼軌中產(chǎn)生的附加力近似呈線性增加;當(dāng)橋墩縱向偏轉(zhuǎn)與溫度荷載耦合時,橋墩縱向偏轉(zhuǎn)所引起的鋼軌縱向力變化幅度不大。橋墩的橫向偏轉(zhuǎn)主要引起軌道長波不平順,鋼軌位移及不平順隨著橋墩的橫向偏轉(zhuǎn)角的增加而增加,并且當(dāng)橋墩橫向偏轉(zhuǎn)角較大時,整個橋上無縫線路會出現(xiàn)多處不平順超限,超限位置主要分布在左、右側(cè)橋臺及兩個梁體接縫處。

鐵路橋;剛構(gòu)橋;偏轉(zhuǎn);無縫線路;穩(wěn)定性

高墩大跨剛構(gòu)橋梁橋墩基礎(chǔ)不同側(cè)的沉降差會導(dǎo)致橋墩的偏轉(zhuǎn),使墩頂沿某一方向出現(xiàn)位移,即所謂的橋墩偏轉(zhuǎn)[1-4]。橋墩發(fā)生偏轉(zhuǎn)后,致使橋墩墩頂產(chǎn)生位移,從而帶動梁體發(fā)生位移,引起鋼軌的附加力[5]。相關(guān)研究表明,梁體的縱向位移對橋上無縫線路縱向受力影響較大,梁體橫向位移對橋上無縫線路的軌向不平順影響較大。對于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋,由于橋墩比較高,橋墩基礎(chǔ)發(fā)生微小的偏轉(zhuǎn)將造成墩頂大幅度的偏移,因此研究橋墩偏轉(zhuǎn)對高墩大跨橋梁具有實際的意義。本文主要研究橋墩沿線路方向(下文簡稱“縱向”)與垂直線路方向(下文簡稱橫向)偏轉(zhuǎn)對橋上無縫線路受力及穩(wěn)定性的影響[6- 8]。

1 模型建立

以成昆線某高墩大跨橋梁為例,該橋全橋處于平直地段,橋跨布置形式為(89+189+89)m連續(xù)剛構(gòu)橋梁+(33+56+33)m連續(xù)梁橋,連續(xù)剛構(gòu)橋兩個固結(jié)橋墩墩高分別為76 m與103 m,其橋跨及支座布置形式如圖1所示。

本文分析橋墩的縱橫向偏轉(zhuǎn)對橋上無縫線路的影響,傳統(tǒng)的橋上無縫線路計算的線-橋-墩一體化模型不再適用,因此建立了空間的線-橋-墩一體化模型,其中空間模型又分為梁模型、梁板模型及梁實體模型等,考慮到計算精度及計算耗時,選取了空間梁模型,如圖2所示。由于模型中在左右側(cè)橋臺處的橋梁支座類型為活動支座,因此建模過程中沒有將其進行單獨建立,墩臺縱橫向剛度如表1所示。

圖2 線—橋—墩一體化空間模型斷面原理示意

表1 墩臺縱橫向剛度

該空間模型的計算假設(shè)與傳統(tǒng)橋上無縫線路的基本假設(shè)相同,由于考慮了橋梁橫向變形的影響,因此增加了固定支座能完全約束橋梁梁體的橫向變形,活動支座不約束梁體的橫向變形。模型中橋墩及梁體采用變截面梁單元模擬,軌枕及鋼軌采用等截面梁單元模擬,扣件縱向阻力、道床縱橫向阻力均采用非線性彈簧模型,扣件橫向阻力采用顯性彈簧模擬,其具體參數(shù)均由規(guī)范取得。計算中為了保證橋上無縫線路處于固定區(qū),在左右橋臺外側(cè)建立了110 m的路基[9-11]。

2 橋墩縱向偏轉(zhuǎn)對無縫線路的影響

2.1 橋墩最不利偏轉(zhuǎn)情況確定

為了研究橋墩偏轉(zhuǎn)對橋上無縫線路的影響,首先定義偏轉(zhuǎn)角。偏轉(zhuǎn)角為偏轉(zhuǎn)前橋墩中心軸位置與偏轉(zhuǎn)后中心軸位置切線的夾角,由于偏轉(zhuǎn)角一般比較小,因此墩頂?shù)奈灰浦苯永闷D(zhuǎn)角與橋墩墩高的乘積得到。

橋墩發(fā)生縱向偏轉(zhuǎn)時,不同橋墩的偏轉(zhuǎn)方向引起的墩頂位移可能不同。若兩橋墩向相反方向偏轉(zhuǎn),由于跨中梁的限制會減小其對無縫線路的影響。若兩橋墩向同一方向偏轉(zhuǎn),則中跨梁的限制作用就會降低,對線路的受力影響比較大,為了證明上述分析,假設(shè)1號橋墩與2號橋墩由偏轉(zhuǎn)引起的墩頂位移均為8 mm,以表2所列4種工況進行驗證。

表2 驗證工況

表2中所列的4種驗證工況計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 驗證工況計算結(jié)果

從圖3計算結(jié)果看出,工況三對應(yīng)的鋼軌拉力和壓力均為最大,這也驗證了上述的分析。因此,在計算橋墩縱向偏轉(zhuǎn)時,選擇最不利工況,即兩橋墩發(fā)生同向偏轉(zhuǎn)。同時從工況三和工況四可以看出,發(fā)生縱向偏轉(zhuǎn)的橋墩數(shù)越多,對橋上無縫線路鋼軌受力的影響越大。

2.2 橋墩縱向偏轉(zhuǎn)作用下鋼軌縱向力計算

為了比較不同偏轉(zhuǎn)角的影響,下面分別計算偏轉(zhuǎn)角為0.5/10 000,1.0/10 000,2.0/10 000、3.0/ 10 000及4.0/10 000 5種工況,由偏轉(zhuǎn)角計算得到墩頂位移見表3。由于3號與5號橋墩為活動支座,對于橋上無縫線路的影響比較小,因此表中未列出具體計算數(shù)值。

表3 墩頂位移 mm

對表3中的5種工況進行計算,得到如圖4(a)、(b)的計算結(jié)果。同時計算橋墩不發(fā)生偏轉(zhuǎn)時伸縮工況下的鋼軌伸縮附加力,將兩者做一對比分析,其計算結(jié)果如圖4(c)。

從圖4計算結(jié)果看出,隨著橋墩縱向偏轉(zhuǎn)角度的增加,鋼軌中產(chǎn)生的附加力近似呈線性增加,并且鋼軌中的縱向拉壓力值差別不大。并且鋼軌出現(xiàn)最大縱向力的位置與在伸縮工況下附加伸縮力出現(xiàn)最大值的位置相同,伸縮工況下最大伸縮附加力發(fā)生在連續(xù)剛構(gòu)橋右端,其值為585.0 kN。因此橋墩縱向偏轉(zhuǎn)對高墩大跨橋上無縫線路的強度及穩(wěn)定性均會產(chǎn)生一定的影響。

圖4 橋墩縱向偏轉(zhuǎn)計算結(jié)果

考慮到橋墩縱向偏轉(zhuǎn)與梁體溫度變化相疊加時,會出現(xiàn)相互抵消的情形,同時還包括線路阻力的非線性的原因。因此,分析梁體溫度變化與橋墩偏轉(zhuǎn)疊加時對高墩大跨橋上無縫線路的影響,基于表3的5種工況,計算其與梁體耦合的鋼軌附加力,計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 耦合計算結(jié)果

從圖5(b)可以看出,隨著橋墩縱向偏轉(zhuǎn)角的增加,耦合作用下鋼軌產(chǎn)生的附加壓力逐漸增加,且增加值與橋墩偏轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。耦合作用下的鋼軌最大壓力總是小于兩者單獨作用下產(chǎn)生的鋼軌附加力線性之和,并且隨著偏轉(zhuǎn)角的增加,兩者之間的差值也越來越大。從采用耦合計算的方法來看,橋墩縱向偏轉(zhuǎn)所引起的鋼軌縱向力增加不多。

2.3 橋墩縱向偏轉(zhuǎn)作用下線路穩(wěn)定性

從2.2節(jié)計算結(jié)果看出,橋墩縱向偏轉(zhuǎn)會增加橋上無縫線路的縱向受力,因此有必要研究在同時考慮橋梁梁體溫度變化及橋墩縱向偏轉(zhuǎn)共同作用下的無縫線路穩(wěn)定性,采用規(guī)范規(guī)定的無縫線路穩(wěn)定性計算方法[12],得到單根鋼軌允許的最大縱向壓力為1 325 kN (對應(yīng)的溫度變化為69℃)。在橋墩偏轉(zhuǎn)與梁體溫度

變化作用下無縫線路穩(wěn)定性檢算結(jié)果如表4所示。

表4 穩(wěn)定性計算kN

從表4計算結(jié)果看出,當(dāng)偏轉(zhuǎn)角達到4.0/10 000,軌溫變化幅度為30℃時就超過了無縫線路穩(wěn)定性限值。當(dāng)同時考慮橋墩偏轉(zhuǎn)及梁體溫度變化時,首先應(yīng)該分析取最不利值荷載工況時,即梁體溫升對應(yīng)的橋墩偏向及梁體溫降對應(yīng)的橋墩偏向。其次采用耦合模型計算而不采用兩者分別計算結(jié)果的線性疊加,雖然線性疊加可以保證線路較大的安全系數(shù),但這樣設(shè)計會增加額外的工程費用?？紤]到橋墩的偏轉(zhuǎn)是一個隨時間變化的過程,在運營過程中,橋墩偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的鋼軌縱向力同伸縮附加力一樣會隨著列車的通過而逐漸放散,因此實際中鋼軌因橋墩偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的縱向力不可能達到理論所計算的最大值。橋墩偏轉(zhuǎn)與梁體溫度變化耦合計算中,橋墩偏轉(zhuǎn)所引起的縱向力較小,因此建議在高墩大跨橋上無縫線路設(shè)計中將橋墩縱向偏轉(zhuǎn)作為特殊荷載進行橋墩及鋼軌縱向力檢算,檢算中應(yīng)該將其與梁體溫度荷載進行耦合計算。

3 橋墩橫向偏轉(zhuǎn)對無縫線路的影響

3.1 橋墩橫向偏轉(zhuǎn)最不利工況確定

當(dāng)橋墩發(fā)生橫向不均勻沉降時,將導(dǎo)致墩頂產(chǎn)生橫向位移,其主要影響線路的軌向不平順以及橋上無縫線路的穩(wěn)定性。由于橋墩基礎(chǔ)橫向的不均勻沉降造成不同方向的橋墩偏轉(zhuǎn),若橋墩的橫向偏轉(zhuǎn)方向一致,則會造成鋼軌較大的橫向位移,但并不一定造成較大的不平順矢度,因此首先研究橋墩橫向偏轉(zhuǎn)的最不利工況,為此設(shè)計兩種驗證工況,如表5所示。

表5 驗證工況

這兩種工況的計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 驗證工況計算結(jié)果

從圖6可以看出,雖然橋墩向不同方向偏轉(zhuǎn)會適當(dāng)降低鋼軌的橫向位移幅值,但卻增加了軌向不平順的幅值,尤其是長波不平順。橋墩不同方向的偏轉(zhuǎn)引起的軌向不平順將造成長波不平順超限,規(guī)范規(guī)定不平順限值為:10 m弦2 mm,30 m弦5 m校核值2 mm, 300 m弦150 m校核值10 mm[13-14]。

從圖6中可知,不同向的偏轉(zhuǎn)使不平順的波長減小一倍左右,相關(guān)研究結(jié)果表明,不平順波長及不平順矢度對無縫線路穩(wěn)定性有較大的影響,不平順波長越短、不平順矢度越大則無縫線路的穩(wěn)定性也就越低。因此,可以推斷出橋墩不同方向的偏轉(zhuǎn)會造成無縫線路穩(wěn)定性的部分喪失。綜合上述分析,在橋墩橫向偏轉(zhuǎn)對橋上無縫線路影響研究中選取的最不利工況為:橋墩橫向發(fā)生不同方向偏轉(zhuǎn)。

3.2 橋墩橫向偏轉(zhuǎn)對無縫線路不平順的影響

雖然橋墩的橫向偏轉(zhuǎn)角對鋼軌受力的影響比較小,但是其對軌向不平順的影響比較大,因此在研究橋墩橫向偏轉(zhuǎn)對高墩大跨橋上無縫線路的影響時,選取同縱向偏轉(zhuǎn)角相同的角度進行研究,即橋墩橫向偏轉(zhuǎn)角分別為0.5/10 000,1.0/10 000,2.0/10 000、3.0/10 000及4.0/10 000 5種工況,由偏轉(zhuǎn)角計算得到墩頂位移見表6。

表6 墩頂位移 mm

上述5種工況的計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 橋墩橫向偏轉(zhuǎn)計算結(jié)果

從圖7看出,鋼軌位移及不平順隨著橋墩的橫向偏轉(zhuǎn)角的增加而增加,并且當(dāng)橋墩橫向偏轉(zhuǎn)角較大時,整個橋上無縫線路會有多處出現(xiàn)不平順超限,其主要分布在左、右側(cè)橋臺及2個梁體接縫處。從圖7(b)中看出,當(dāng)橋墩橫向偏轉(zhuǎn)角達到3.0/10 000時,線路的10 m弦不平順矢度超限,從圖7(c)看出,橋墩橫向偏轉(zhuǎn)達到2.0/10 000時,線路的30 m弦5 m校核值超限,從圖7(d)中看出,當(dāng)橋墩橫向偏轉(zhuǎn)達到0.5/10 000時,線路的300 m弦150 m校核值已經(jīng)超限。綜合軌向不平順的短波、中波及長波段的控制值來看,橋墩的橫向偏轉(zhuǎn)所引起的軌向不平順主要為長波不平順,并且長波不平順容易超限。

4 結(jié)論及建議

(1)橋墩縱向偏轉(zhuǎn)與梁體溫度變化耦合計算時,橋墩偏轉(zhuǎn)所引起的鋼軌縱向力較小,建議在高墩大跨橋上無縫線路設(shè)計時,將橋墩偏轉(zhuǎn)與梁體溫度荷載耦合,對橋墩及鋼軌縱向力進行檢算。

(2)鋼軌位移及不平順隨著橋墩橫向偏轉(zhuǎn)角的增加而增加,并且當(dāng)橋墩橫向偏轉(zhuǎn)角較大時,整個橋上無縫線路會出現(xiàn)多處長波不平順超限,其主要分布在左、右側(cè)橋臺及2個梁體接縫處。

(3)考慮到橋墩基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的橋墩橫向偏轉(zhuǎn)的緩慢性及長期性,建議高墩大跨橋上無縫線路設(shè)計時,需檢算橋墩的橫向偏轉(zhuǎn)對線路不平順的影響,但不作為控制條件,需要在運行中加強橋墩偏轉(zhuǎn)及線路不平順的監(jiān)測及檢測。

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The Effect on Continuous Welded Rail Caused by Uneven Foundation Settlement of High-pier Rigid frame Bridge

MA Xu-feng,HU Zhi-peng,XIE Kai-ze,WANG Ping
(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

If post-acceptance settlement occurs at the pier of a long-span high-pier rigid frame bridge, there will be settlement difference between longitudinal and lateral directions of the pier,and the settlement difference will cause a longitudinal or lateral deflection of the pier.Focusing on the problem of bridge pier deflection,and taking a certain continuous welded rail on a large-span high-pier rigid frame bridge as an example,this study established a spatial integrated model of track-bridge-pier by using finite element method,and analyzed the effect on the continuous welded rail caused by the longitudinal and lateral deflections of bridge pier.The results show that:(a)As the longitudinal deflection angle of bridge pier increases,the additional force of the rail will approximately linearly increase;when coupling the longitudinal deflection of bridge pier with the temperature load,the rail's longitudinal force caused by the longitudinal deflection of bridge pier will change marginally.(b)The lateral deflection of bridge pier mainly causes the irregularity of rail's long wave;the deformation and irregularity of rail will increase with the increase of the lateral deflection angle of bridge pier;when the lateral deflection angle of bridge pier is relatively large,there will be a lot of over-limit irregularities along the whole continuous welded rail on the bridge,and the over-limit irregularities will mainly occur at the left and right bridge abutments as well as at the juncture between two girders of the bridge.

railway bridge;rigid frame bridge;deflection;continuous welded rail;stability

U443.2;U213.9

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.011

1004-2954(2014)08-0048-05

2013-11-11;

2013-11-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(編號: 2682013CX043)

馬旭峰(1990—),男,碩士研究生,E-mail:459290502@qq. com。