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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

高墩剛構(gòu)橋基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)橋墩偏轉(zhuǎn)對(duì)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(duì)橋上無縫線路的影響。計(jì)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(shí),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(shí),整個(gè)橋上無縫線路會(huì)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(tái)及兩個(gè)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(huì)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(dòng)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(duì)橋上無縫線路縱向受力影響較大,梁體橫向位移對(duì)橋上無縫線路的軌向不平順影響較大。對(duì)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(duì)高墩大跨橋梁具有實(shí)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(duì)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(gè)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(duì)橋上無縫線路的影響,傳統(tǒng)的橋上無縫線路計(jì)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(shí)體模型等,考慮到計(jì)算精度及計(jì)算耗時(shí),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(tái)處的橋梁支座類型為活動(dòng)支座,因此建模過程中沒有將其進(jìn)行單獨(dú)建立,墩臺(tái)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(tái)縱橫向剛度

該空間模型的計(jì)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(dòng)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(jì)算中為了保證橋上無縫線路處于固定區(qū),在左右橋臺(tái)外側(cè)建立了110 m的路基[9-11]。

2 橋墩縱向偏轉(zhuǎn)對(duì)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(duì)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(shí),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(huì)減小其對(duì)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(huì)降低,對(duì)線路的受力影響比較大,為了證明上述分析,假設(shè)1號(hào)橋墩與2號(hào)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(jìn)行驗(yàn)證。

表2 驗(yàn)證工況

表2中所列的4種驗(yàn)證工況計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 驗(yàn)證工況計(jì)算結(jié)果

從圖3計(jì)算結(jié)果看出,工況三對(duì)應(yīng)的鋼軌拉力和壓力均為最大,這也驗(yàn)證了上述的分析。因此,在計(jì)算橋墩縱向偏轉(zhuǎn)時(shí),選擇最不利工況,即兩橋墩發(fā)生同向偏轉(zhuǎn)。同時(shí)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(duì)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(jì)算

為了比較不同偏轉(zhuǎn)角的影響,下面分別計(jì)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(jì)算得到墩頂位移見表3。由于3號(hào)與5號(hào)橋墩為活動(dòng)支座,對(duì)于橋上無縫線路的影響比較小,因此表中未列出具體計(jì)算數(shù)值。

表3 墩頂位移 mm

對(duì)表3中的5種工況進(jìn)行計(jì)算,得到如圖4(a)、(b)的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)計(jì)算橋墩不發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)伸縮工況下的鋼軌伸縮附加力,將兩者做一對(duì)比分析,其計(jì)算結(jié)果如圖4(c)。

從圖4計(jì)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(duì)高墩大跨橋上無縫線路的強(qiáng)度及穩(wěn)定性均會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

圖4 橋墩縱向偏轉(zhuǎn)計(jì)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(shí),會(huì)出現(xiàn)相互抵消的情形,同時(shí)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(shí)對(duì)高墩大跨橋上無縫線路的影響,基于表3的5種工況,計(jì)算其與梁體耦合的鋼軌附加力,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 耦合計(jì)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(dú)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(jì)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(jì)算結(jié)果看出,橋墩縱向偏轉(zhuǎn)會(huì)增加橋上無縫線路的縱向受力,因此有必要研究在同時(shí)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(jì)算方法[12],得到單根鋼軌允許的最大縱向壓力為1 325 kN (對(duì)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(jì)算kN

從表4計(jì)算結(jié)果看出,當(dāng)偏轉(zhuǎn)角達(dá)到4.0/10 000,軌溫變化幅度為30℃時(shí)就超過了無縫線路穩(wěn)定性限值。當(dāng)同時(shí)考慮橋墩偏轉(zhuǎn)及梁體溫度變化時(shí),首先應(yīng)該分析取最不利值荷載工況時(shí),即梁體溫升對(duì)應(yīng)的橋墩偏向及梁體溫降對(duì)應(yīng)的橋墩偏向。其次采用耦合模型計(jì)算而不采用兩者分別計(jì)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(jì)會(huì)增加額外的工程費(fèi)用。考慮到橋墩的偏轉(zhuǎn)是一個(gè)隨時(shí)間變化的過程,在運(yùn)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(huì)隨著列車的通過而逐漸放散,因此實(shí)際中鋼軌因橋墩偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的縱向力不可能達(dá)到理論所計(jì)算的最大值。橋墩偏轉(zhuǎn)與梁體溫度變化耦合計(jì)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(jì)中將橋墩縱向偏轉(zhuǎn)作為特殊荷載進(jìn)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(jìn)行耦合計(jì)算。

3 橋墩橫向偏轉(zhuǎn)對(duì)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(shí),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(huì)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(jì)兩種驗(yàn)證工況,如表5所示。

表5 驗(yàn)證工況

這兩種工況的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 驗(yàn)證工況計(jì)算結(jié)果

從圖6可以看出,雖然橋墩向不同方向偏轉(zhuǎn)會(huì)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)無縫線路不平順的影響

雖然橋墩的橫向偏轉(zhuǎn)角對(duì)鋼軌受力的影響比較小,但是其對(duì)軌向不平順的影響比較大,因此在研究橋墩橫向偏轉(zhuǎn)對(duì)高墩大跨橋上無縫線路的影響時(shí),選取同縱向偏轉(zhuǎn)角相同的角度進(jìn)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(jì)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(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 橋墩橫向偏轉(zhuǎn)計(jì)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(shí),整個(gè)橋上無縫線路會(huì)有多處出現(xiàn)不平順超限,其主要分布在左、右側(cè)橋臺(tái)及2個(gè)梁體接縫處。從圖7(b)中看出,當(dāng)橋墩橫向偏轉(zhuǎn)角達(dá)到3.0/10 000時(shí),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(dá)到2.0/10 000時(shí),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(dá)到0.5/10 000時(shí),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(jì)算時(shí),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(jì)時(shí),將橋墩偏轉(zhuǎn)與梁體溫度荷載耦合,對(duì)橋墩及鋼軌縱向力進(jìn)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(shí),整個(gè)橋上無縫線路會(huì)出現(xiàn)多處長波不平順超限,其主要分布在左、右側(cè)橋臺(tái)及2個(gè)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(jì)時(shí),需檢算橋墩的橫向偏轉(zhuǎn)對(duì)線路不平順的影響,但不作為控制條件,需要在運(yùn)行中加強(qiáng)橋墩偏轉(zhuǎn)及線路不平順的監(jiān)測(cè)及檢測(cè)。

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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(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(編號(hào): 2682013CX043)

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