張亞爽，胡志鵬，馬旭峰，王 平

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600； 2.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)

高墩水平溫差對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋上無(wú)縫線路的影響

張亞爽1，胡志鵬2，馬旭峰2，王 平2

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600； 2.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)

為研究高墩水平溫差對(duì)橋上無(wú)縫線路的影響，選取某高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋工程實(shí)例，基于梁軌相互作用原理，建立線橋墩一體化有限元模型，分析在水平縱向和橫向溫差作用下高墩大跨橋上無(wú)縫線路受力變形情況。結(jié)果表明：高墩縱向溫差對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋上無(wú)縫線路縱向受力影響較大，隨著橋墩縱向溫差的增大，橋上無(wú)縫線路受力逐漸增大；橋墩橫向溫差影響橋上無(wú)縫線路平順性，當(dāng)橋墩橫向溫差超過(guò)一定的限值時(shí)，連續(xù)剛構(gòu)橋上無(wú)縫線路會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)波不平順超限；總結(jié)以上分析結(jié)果，建議在連續(xù)剛構(gòu)橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)檢算中考慮高墩在水平溫差作用下對(duì)橋上無(wú)縫線路的影響。

鐵路橋；高墩；連續(xù)剛構(gòu)橋；無(wú)縫線路；縱向溫差；橫向溫差

1 概述

在高速鐵路建設(shè)中，受地形的限制，尤其是在我國(guó)西部山區(qū)，橋梁往往需要跨越深水、深谷、大河和急流，因此出現(xiàn)了越來(lái)越多的高墩大跨橋[1]。在太陽(yáng)輻射條件下，高墩大跨橋在背陰側(cè)由于沒(méi)有陽(yáng)光的照射，混凝土表面的溫度比較低，相反，在向陽(yáng)側(cè)，由于直接受到太陽(yáng)的輻射，溫度較高。對(duì)于普通橋上無(wú)縫線路，由于橋墩高度比較低，太陽(yáng)輻射作用引起的橋墩水平溫差不會(huì)使橋墩頂部產(chǎn)生較大的位移，然而在高墩大跨結(jié)構(gòu)中，橋墩高度大大增加，水平溫差作用下，墩頂產(chǎn)生較大的縱橫向位移，這種位移作用在梁體之上，容易引起梁體整體移動(dòng)，其中，橫向移動(dòng)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致軌道出現(xiàn)橫向不平順，從而引起軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性下降；縱向位移則會(huì)帶動(dòng)梁體發(fā)生整體縱向位移，這種位移作用在軌道結(jié)構(gòu)上必然會(huì)引起軌道結(jié)構(gòu)附加力與位移。

目前，各國(guó)對(duì)梁體撓曲、梁溫差、列車(chē)制動(dòng)等梁軌相互作用進(jìn)行了大量的分析和研究[2-4]，但對(duì)于橋墩溫差引起的梁軌相互作用研究較少，只有德國(guó)鐵路將此項(xiàng)內(nèi)容納入了最新版的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[5-7]。由于高墩大跨橋墩在水平溫差作用下產(chǎn)生較大的位移，影響橋上無(wú)縫線路的受力和平順性，因此，考慮高墩大跨橋墩在水平溫差作用下對(duì)橋上無(wú)縫線路的影響，對(duì)高墩大跨橋上無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)具有重要的意義。高墩所受水平溫差可分為縱向溫差和橫向溫差，重點(diǎn)討論橋墩在縱向溫差和橫向溫差作用下對(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋上無(wú)縫線路的影響。

2 計(jì)算模型

選取某一高墩大跨橋梁(直線段)，橋跨布置形式為(89+168+89) m連續(xù)剛構(gòu)橋梁+(33+56+33) m連續(xù)梁，橋上鋪設(shè)有砟軌道無(wú)縫線路，橋跨布置如圖1所示，橋墩參數(shù)如表1所示。

圖1 橋跨布置立面

墩臺(tái)號(hào)0123456橋墩高度/m—76103564519—支座類型活動(dòng)固結(jié)固結(jié)活動(dòng)固定活動(dòng)活動(dòng)縱向剛度/(kN/m)—205410384749963499—橫向剛度/(kN/m)—521839551070211112098—

注：0號(hào)和6號(hào)分別為左右橋臺(tái)。

將無(wú)縫線路和橋梁作為一個(gè)相互作用、相互影響的耦合系統(tǒng)，建立線橋墩一體化計(jì)算模型[8]，模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。為研究高墩對(duì)橋上無(wú)縫線路的影響，在模型中根據(jù)墩身結(jié)構(gòu)和梁體形式，建立精確的橋梁有限元模型。

圖2 有限元模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

模型中鋼軌采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌，扣件豎向及橫向剛度均采用5.0×107kN/mm，軌枕采用新Ⅲ型混凝土軌枕，軌枕支撐剛度采用半枕支撐剛度120 kN/mm，道床縱橫向阻力取值參照鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范。為實(shí)現(xiàn)主要控制截面間的漸變，鋼軌、梁體、橋墩采用beam188單元，扣件及道床縱橫向阻力采用非線性彈簧單元combin39模擬。本次計(jì)算是基于基礎(chǔ)條件良好的假設(shè)，橋墩底部采用固結(jié)方式，但采用該方式橋墩剛度比實(shí)際情況有所提高，實(shí)際工程計(jì)算中需根據(jù)工程地質(zhì)條件酌情考慮該情況。在橋梁左右橋臺(tái)外側(cè)建立(100+邊跨長(zhǎng)度)m的路基，消除邊界效應(yīng)，保證橋上無(wú)縫線路處于固定區(qū)[9]。

3 橋墩在縱向溫差作用下對(duì)無(wú)縫線路的影響

橋梁的走向決定橋墩會(huì)有一側(cè)為向陽(yáng)側(cè)，一側(cè)為背陽(yáng)側(cè)，向陽(yáng)側(cè)由于太陽(yáng)的照射而溫度較高，背陽(yáng)側(cè)則相反，這樣在溫差的作用下橋墩會(huì)向著背陽(yáng)側(cè)偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)梁體移動(dòng)從而帶動(dòng)橋上無(wú)縫線路產(chǎn)生縱向附加力。這種作用會(huì)因橋墩的高度而起到放大的作用，因此對(duì)于高墩橋梁需要考慮該荷載類型。參考長(zhǎng)沙理工大學(xué)田仲初在《溫度對(duì)空心薄壁高墩垂直度的影響分析》一文中對(duì)貴州大烏江特大橋的試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)擬合，得出橋墩背陽(yáng)側(cè)與向陽(yáng)側(cè)溫差為13.5 ℃。為了研究橋墩縱向溫差變化時(shí)鋼軌的受力變形情況，考慮一定的安全儲(chǔ)備，分別討論橋墩背陽(yáng)側(cè)與向陽(yáng)側(cè)溫差為5 ℃、10 ℃、15 ℃及20 ℃四種工況[10]，每種工況均為靠近右側(cè)橋臺(tái)一側(cè)的溫度高，溫度荷載通過(guò)直接對(duì)橋墩施加溫度實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算結(jié)果如圖3及表2所示。

圖3 縱向溫差下鋼軌縱向力

表2 墩頂縱向位移mm

注：由于3號(hào)與5號(hào)橋墩的支座為活動(dòng)支座，其縱向位移對(duì)橋上無(wú)縫線路影響很小，計(jì)算中不考慮這4個(gè)墩臺(tái)的縱向溫度差作用。

從圖3及表2中看出，由于對(duì)橋梁墩臺(tái)施加的縱向溫差荷載為：靠近右側(cè)橋臺(tái)一側(cè)的溫度高，而遠(yuǎn)離的一側(cè)溫度低，橋墩均向左側(cè)發(fā)生縱向位移，位移值較大，并且隨著橋墩背陽(yáng)與向陽(yáng)側(cè)溫差的增加，橋墩墩頂?shù)目v向位移也在變大；無(wú)論橋墩向陽(yáng)側(cè)與背陽(yáng)側(cè)的溫差多大，左側(cè)橋臺(tái)處鋼軌受壓，右側(cè)橋臺(tái)處鋼軌受拉，從鋼軌縱向力變化規(guī)律看，隨著背陽(yáng)與向陽(yáng)側(cè)溫差的增大，鋼軌的縱向力也在增加。當(dāng)橋墩向陽(yáng)側(cè)與背陽(yáng)側(cè)的溫差達(dá)到5 ℃時(shí)，鋼軌力最大值達(dá)到了220.39 kN；當(dāng)溫差達(dá)到15 ℃時(shí)，其值為523.09 kN。對(duì)該橋梁體施加溫度荷載Δt=15 ℃，此種工況下，計(jì)算可得鋼軌最大伸縮附加力為584.95 kN，如圖4所示。由此可知，當(dāng)橋墩背陽(yáng)側(cè)與向陽(yáng)側(cè)溫差為15 ℃時(shí)，鋼軌力已經(jīng)接近于最大的附加伸縮力。因此在高墩大跨橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)中必須考慮橋墩縱向向陽(yáng)側(cè)與背陽(yáng)側(cè)的溫差。

圖4 梁體溫度荷載Δt=15 ℃時(shí)鋼軌伸縮附加力

從上述計(jì)算中看出，橋墩縱向溫差引起的鋼軌縱向力較大，是高墩大跨橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)及檢算均應(yīng)該考慮的荷載，但是橋墩縱向溫差的變化與橋梁梁體溫度的變化之間的關(guān)系如何并未見(jiàn)到相關(guān)的研究?jī)?nèi)容，假設(shè)兩者均可同時(shí)達(dá)到最大值，混凝土梁的溫度變化為15 ℃[11]，考慮橋墩溫差的改變(仍選取5 ℃、10 ℃、15 ℃及20 ℃四種工況)的計(jì)算結(jié)果如圖5所示，其中圖5(a)為同時(shí)考慮橋梁梁體溫度變化與橋墩縱向溫差兩種荷載作用下的計(jì)算結(jié)果，圖5(b)為同時(shí)考慮上述兩種荷載情況下的鋼軌縱向力幅值與單獨(dú)計(jì)算兩種荷載工況下鋼軌縱向力幅值的線性和的比較。

圖5 鋼軌縱向力

分析圖5(a)可知，在梁體溫度荷載和橋墩縱向溫差荷載共同作用下，橋墩縱向溫差對(duì)鋼軌受力產(chǎn)生較大的影響，鋼軌力隨橋墩溫差增大而增大，在對(duì)線路進(jìn)行穩(wěn)定性及強(qiáng)度檢算時(shí)，有必要考慮該荷載作用。從圖5(b)可看出，假設(shè)橋梁溫度與橋墩縱向溫差同時(shí)達(dá)到最大值時(shí)計(jì)算的鋼軌縱向力的最大值小于兩者分別計(jì)算后的鋼軌縱向力幅值相加得到的值，這主要是線路縱向阻力為雙線性產(chǎn)生的。

4 橋墩在橫向溫差作用下無(wú)縫線路的影響

在高墩大跨橋橋墩橫向溫差作用下，橋墩頂部會(huì)發(fā)生較大的橫向位移，這種位移通過(guò)梁體作用在軌道結(jié)構(gòu)上，軌道因此產(chǎn)生橫向位移與附加力。采用上述橋梁模型，取橋墩橫向溫差為15 ℃進(jìn)行分析，其計(jì)算結(jié)果如表3、圖6所示。

表3 計(jì)算結(jié)果

圖6 鋼軌縱向力及位移計(jì)算結(jié)果

從圖6及表3計(jì)算結(jié)果看出，橋墩的橫向溫差荷載引起的鋼軌及橋墩受力均比較小，可以不用考慮，但是其引起的鋼軌橫向位移比較大，可能會(huì)導(dǎo)致線路的軌向不平順超限或者降低線路的穩(wěn)定性，下面對(duì)鋼軌采用10 m弦測(cè)法確定其不平順矢度以及30 m弦隔5 m校核值的限值和300 m弦隔150 m校核值[12]，從而判斷其是否超限，詳細(xì)計(jì)算方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7～圖9。

圖7 軌向不平順矢度(10 m弦)

圖8 30 m弦隔5 m校核值

圖9 300 m弦隔150 m校核值

從圖7～圖9計(jì)算結(jié)果看出，在10 m弦測(cè)得軌向不平順矢度以及30 m弦5 m校核值均未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的2 mm限值，但是300 m弦150 m校核值確超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的限值10 mm[13]，因此看出，橋墩橫向溫差主要是對(duì)橋上無(wú)縫線路的長(zhǎng)波不平順產(chǎn)生影響。

為研究橋墩橫向溫差對(duì)軌向不平順的影響，橋墩橫向溫差取為5 ℃、10 ℃、15 ℃及20 ℃四種工況，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10～圖12。

圖10 10 m弦軌向不平順值

圖11 30 m弦隔5 m校核值

圖12 300 m弦隔150 m校核值

從圖10～圖12計(jì)算結(jié)果看出，不平順隨著橋墩橫向溫差的增加而逐漸增大，對(duì)本論文計(jì)算采用的橋梁模型，當(dāng)溫差超過(guò)10 ℃時(shí)，該橋上無(wú)縫線路長(zhǎng)波不平順就會(huì)超限。

5 結(jié)論及建議

本文通過(guò)建立梁橋有限元模型，分析了高墩在水平溫差作用下對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋上無(wú)縫線路的影響，結(jié)論如下。

(1)高墩在縱向溫差作用下對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋上無(wú)縫線路縱向受力影響較大，隨著橋墩縱向溫差的增大，橋上無(wú)縫線路受力逐漸增大。由于線路阻力的非線性，橋墩縱向溫差荷載與梁體溫度荷載耦合計(jì)算時(shí)，鋼軌縱向力增加幅度小于單獨(dú)橋墩縱向溫差作用時(shí)的結(jié)果。建議連續(xù)剛構(gòu)橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)或檢算中考慮梁體溫度變化的同時(shí)考慮橋墩縱向溫差的影響，并將其與梁體溫差耦合進(jìn)行計(jì)算。

(2)連續(xù)剛構(gòu)橋高墩橫向溫差引起的鋼軌橫向位移較大，影響橋上無(wú)縫線路的平順性，當(dāng)橋墩橫向溫差超過(guò)一定的限值時(shí)，連續(xù)剛構(gòu)橋上無(wú)縫線路會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)波不平順超限。

(3)總結(jié)上述分析結(jié)果，建議在連續(xù)剛構(gòu)橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)檢算中考慮高墩在縱橫向溫差作用下對(duì)橋上無(wú)縫線路的影響。由于我國(guó)無(wú)縫線路相關(guān)規(guī)范未給出橋墩縱向溫差，僅德國(guó)規(guī)范中規(guī)定：無(wú)縫線路設(shè)計(jì)時(shí)考慮橋墩縱向溫度荷載的影響，并且溫差取為5 ℃。但是我國(guó)地域遼闊，直接采用德國(guó)規(guī)范的限值不一定適用，因此建議對(duì)不同地域的橋墩進(jìn)行觀測(cè)，以得到其分布規(guī)律從而確定計(jì)算中溫差的合理取值。

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The Influence of High Piers with Horizontal Temperature Difference on CWR on the Continuous Rigid Frame Bridge

Zhang Yashuang1， Hu Zhipeng2， Ma Xufeng2， Wang Ping2

(1.China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Beijing 102600， China; 2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，China)

An engineering project of the continuous rigid frame bridge is selected in this paper in order to study the influence of high piers under the condition of horizontal temperature difference on continuous welded rail on the bridge. Based on the principle of the interaction between bridge and track， a track-bridge-pier integration finite element model is established to analyze the stress and deformation of continuous welded rail on the large-span bridge with high piers under the condition of various longitudinal and transverse temperature differences. Study results show that the continuous welded rail on the continuous rigid frame bridge is affected greatly by the longitudinal temperature difference of high piers， and the force acting on the continuous welded rail increases with the increasing of the longitudinal temperature difference of high piers. The regularity of the continuous welded rail is influenced by the transverse temperature difference of piers. When the transverse temperature difference of piers is more than certain limit value， long wave irregularity of the continuous welded rail will exceed the limit. Therefore， it’s suggested that the influence of high piers under the condition of longitudinal and transverse temperature difference on continuous welded rail on the continuous rigid frame bridge should be considered in the design and check-calculation of continuous welded rail on the bridge．

Railway bridge; High pier; Continuous rigid frame bridge; Continuous welded rail; Longitudinal temperature difference: Transverse temperature difference

2014-01-20；

：2014-02-14

張亞爽(1990—)，女，碩士研究生，E-mail：727858653@qq.com。

1004-2954(2014)11-0020-04

U213.9

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.005