張夢(mèng)楠，胡志鵬，巫裕斌，王 平

(1.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；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 成都 610031)

高墩大跨橋梁橋墩升溫對(duì)橋上無(wú)縫線路的影響研究

張夢(mèng)楠1，胡志鵬1，巫裕斌2，王 平1

(1.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；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 成都 610031)

高墩大跨橋梁橋墩整體在太陽(yáng)輻射下升溫，會(huì)使橋墩頂部產(chǎn)生豎向位移。對(duì)橋墩升溫產(chǎn)生豎向位移對(duì)無(wú)縫線路的影響這一問(wèn)題，使用有限元軟件建立線-橋-墩一體化模型，分析高墩升溫條件下橋上無(wú)縫線路的受力及變形。計(jì)算結(jié)果表明：橋墩的升溫對(duì)橋墩受力影響較小，橋墩溫度變化引起的線路豎向不平順主要是長(zhǎng)波不平順。建議高墩大跨橋梁不考慮橋墩整體溫度變化對(duì)線路受力的影響，但要對(duì)橋墩變形引起的豎向不平順進(jìn)行檢算，以滿足規(guī)范對(duì)橋上無(wú)縫線路驗(yàn)收的需要。

高墩大跨橋梁；橋墩升溫；無(wú)縫線路；平順性

近年來(lái)，隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展和橋上鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù)的進(jìn)步[1]，橋梁在線路中所占比例逐漸增大，為了滿足線路跨越橫穿交通干線、陡峭峽谷、寬廣河流等特殊地段的要求，大量的高墩大跨橋梁相繼出現(xiàn)[2]。由于這些橋梁本身具有特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相鄰橋梁結(jié)構(gòu)間構(gòu)造的差異，在橋墩受到溫度荷載時(shí)，橋上無(wú)縫線路的受力及變形都受到影響[3]。在高墩大跨橋梁中，橋墩整體升溫會(huì)帶來(lái)墩頂豎向位移的增加，從而引起橋上無(wú)縫線路的縱向附加力和鋼軌的豎向位移。鋼軌的豎向位移又會(huì)降低道床的縱橫向阻力，進(jìn)而降低軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，需要對(duì)高墩大跨橋梁升溫對(duì)橋上無(wú)縫線路的影響進(jìn)行分析研究。

1 模型建立

對(duì)于高墩大跨橋梁橋墩升溫對(duì)無(wú)縫線路的影響這一問(wèn)題，本文選取某一高墩大跨橋梁進(jìn)行分析。該橋梁位于新建鐵路長(zhǎng)沙至昆明客運(yùn)專線玉屏至昆明段內(nèi)，全橋位于平坡直線地段，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，其總布置如圖1所示。

為了研究橋墩升溫對(duì)橋上無(wú)縫線路的影響，利用有限元軟件ANSYS建立了線-橋-墩一體化模型[4-5]。橋墩及梁體為實(shí)現(xiàn)主要控制截面間的漸變[6]，模型中梁體、橋墩及鋼軌通過(guò)beam188單元來(lái)模擬。道床縱向阻力采用非線性彈簧單元combin39模擬[7]。為了消除模型計(jì)算中的邊界效應(yīng)，即保證橋上無(wú)縫線路處于固定區(qū)，在橋梁左右橋臺(tái)外側(cè)建立(100+邊跨長(zhǎng)度) m的路基模型。

圖1 某高墩大跨橋梁立面布置

2 橋墩升溫對(duì)無(wú)縫線路受力的影響

高墩大跨橋梁中，橋墩整體升溫會(huì)使墩頂豎向位移增加，從而引起橋上無(wú)縫線路的縱向附加力以及鋼軌的豎向位移[8-9]，鋼軌的豎向位移又會(huì)降低道床的縱橫向阻力，進(jìn)而降低軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于橋臺(tái)自身高度較低，其自身由于溫度的變化而產(chǎn)生的豎向位移很小，因此計(jì)算中不考慮橋臺(tái)的溫度變化，僅考慮橋墩的溫度變化。依據(jù)規(guī)范[10]，以1號(hào)～5號(hào)橋墩溫度改變15 ℃為例進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖2及表1所示。

圖2 橋墩升溫計(jì)算結(jié)果

墩編號(hào)12345縱向位移/mm-0.97-0.370-0.050墩底縱向力/kN-630.05427.6404.760豎向位移/mm11.3915.448.456.752.85墩底豎向力/kN392.24373.64-366.1338.0916.32

從圖2可以看出，左側(cè)橋臺(tái)處鋼軌受到壓力，主要是因?yàn)?號(hào)橋墩的縱向剛度2 054 kN/cm是2號(hào)橋墩的縱向剛度1 038 kN/cm的2倍左右，而且1號(hào)橋墩的高度又比2號(hào)橋墩的高度低了27m，因此2號(hào)橋墩在橋墩升溫時(shí)伸長(zhǎng)量會(huì)更大，所以連續(xù)剛構(gòu)橋梁整體會(huì)帶動(dòng)橋上鋼軌向左側(cè)橋臺(tái)移動(dòng)。右側(cè)橋臺(tái)處的鋼軌受拉，但拉力值極小。這主要是連續(xù)梁橋的5號(hào)橋墩在縱向上為活動(dòng)支座，使得右側(cè)橋臺(tái)處的橋梁梁體的縱向位移比較小，該處鋼軌的拉力也較小。從鋼軌豎向位移圖中可以看出，鋼軌的豎向位移最大值可以達(dá)到16.2 mm。

從表1中可以看出，橋墩升溫對(duì)橋墩受力的影響較小，最大值為1號(hào)橋墩對(duì)應(yīng)的縱向力為630 kN。

3 橋墩升溫對(duì)無(wú)縫線路平順性的影響

從圖2可以看出，鋼軌的豎向位移最大值達(dá)到16.2 mm，說(shuō)明橋墩升溫對(duì)鋼軌的高低不平順影響較大，因此有必要研究由鋼軌的豎向位移產(chǎn)生的豎向不平順值[11]。依據(jù)規(guī)范規(guī)定，高低不平順采用10 m的弦測(cè)法進(jìn)行，且不平順矢度不能超過(guò)2 mm，并且30 m弦隔5 m校核值不超過(guò)2 mm，300 m弦隔150 m校核值不超過(guò)10 mm[12]。

圖3～圖5為該段線路的高低不平順與里程之間的關(guān)系。

圖3 10 m弦軌向不平順值

圖4 30 m弦隔5 m校核值

圖5 300 m弦隔150 m校核值

計(jì)算結(jié)果表明，該段線路由于橋墩升溫產(chǎn)生的高低不平順均小于規(guī)范所規(guī)定限值。從圖3可以看出，高低不平順矢度的幅值出現(xiàn)在左右橋臺(tái)及剛構(gòu)橋與連續(xù)梁橋接縫處3個(gè)位置。左右橋臺(tái)處產(chǎn)生峰值的原因主要是由于邊界條件的作用，路基在溫度荷載作用下是不可能發(fā)生橫向位移的，因此在鋼軌位移圖上表現(xiàn)出折角，使得該處的不平順矢度偏大。2座橋梁接縫處峰值產(chǎn)生的原因主要是剛構(gòu)橋梁的2號(hào)橋墩比3號(hào)橋墩高出47 m，2號(hào)橋墩也比1號(hào)橋墩高27 m，所以在左側(cè)橋臺(tái)處的峰值是3個(gè)峰值中最大的一個(gè)。

同時(shí)考慮橋墩及梁體升溫15 ℃和單獨(dú)梁體升溫15 ℃時(shí)，其鋼軌受力如圖6及表2所示。

圖6 梁體與橋墩同時(shí)升溫與梁體單獨(dú)升溫時(shí)的鋼軌縱向力

從圖6及表2的計(jì)算結(jié)果中可以看出，鋼軌的最大附加壓力位于左側(cè)橋臺(tái)位置處，橋墩是否升溫對(duì)鋼軌縱向力影響不大。橋墩的升溫降低了2座橋梁縫處的鋼軌壓力值，鋼軌壓力從584.95 kN降低到556.60 kN，降低了4.85%，可以認(rèn)為橋墩的升溫對(duì)鋼軌受力的影響是有利的。因此，在高墩大跨橋上無(wú)縫線路鋼軌受力計(jì)算中可以不考慮這種有利的影響。對(duì)于橋梁專業(yè)，由于橋墩的升溫大大增加了橋墩的受力，在為橋梁專業(yè)提供相應(yīng)的墩臺(tái)力時(shí)，建議將橋墩及梁體的整體升溫工況納入考慮的范圍內(nèi)。

表2 墩底縱向力比較

通過(guò)上述分析，在鋼軌受力方面不需要考慮橋墩溫度變化，但是需要研究橋墩溫度變化對(duì)線路高低不平順的影響，下面以橋墩整體升溫為例分析在橋墩升溫溫度為5 ℃、10 ℃、20 ℃及30 ℃等工況下的線路高低不平順，計(jì)算結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 不同升溫幅度下10 m弦軌向不平順值

圖8 不同升溫幅度下30 m弦隔5 m校核值

圖9 不同升溫幅度下300 m弦隔150 m校核值

從圖7計(jì)算結(jié)果看出，隨著橋墩溫度的升高，其造成的鋼軌高低不平順矢度也增加，并且不平順矢度最大值成線性增加，橋墩溫度從10 ℃增加到20 ℃，再增加到30 ℃，其不平順的最大值從0.26 mm增加到0.52 mm，再增加到0.78 mm。當(dāng)橋墩整體升溫達(dá)到30 ℃時(shí)仍未超出限值2 mm。從圖8計(jì)算結(jié)果看出，左、右橋臺(tái)是中波不平順?lè)逯档奈恢?，在橋墩溫度變化達(dá)到30 ℃，中波不平順仍未超出限值，從圖9可以看出，橋墩溫度變化達(dá)到20 ℃時(shí)，其產(chǎn)生長(zhǎng)波不平順[13]最大值為10.1 mm，開(kāi)始出現(xiàn)輕微超限現(xiàn)象。

線路的豎向變形不僅與橋墩的溫度變化有關(guān)，還與橋墩的高度相關(guān)，下面以剛構(gòu)橋的2個(gè)橋墩為例，保持靠近右橋臺(tái)處的橋墩高度變化，改變靠近左橋臺(tái)的橋墩的高度，得到在15 ℃時(shí)不同橋墩高度差下的軌道高低不平順計(jì)算結(jié)果，如圖10～圖12所示。

圖10 不同橋墩高度差下10 m弦軌向不平順

圖11 不同橋墩高度差下30 m弦隔5 m校核值

圖12 不同橋墩高度差下300 m弦隔150 m校核值

從圖10～圖12計(jì)算結(jié)果看出，剛構(gòu)橋橋墩高度差對(duì)軌道豎向不平順的影響仍然主要是集中在長(zhǎng)波上，并且影響范圍也僅在橋墩改變的一聯(lián)梁范圍內(nèi)，對(duì)于本文計(jì)算的橋梁，當(dāng)橋墩高度差大于80 m時(shí)長(zhǎng)波不平順出現(xiàn)超限現(xiàn)象。

4 結(jié)論及建議

本文針對(duì)高墩大跨橋梁橋墩升溫對(duì)無(wú)縫線路的影響這一問(wèn)題，利用Ansys有限元模型進(jìn)行了計(jì)算，得到以下結(jié)論。

(1)橋墩升溫對(duì)橋墩受力影響較小，對(duì)鋼軌縱向力影響也不大，故在高墩大跨橋上無(wú)縫線路鋼軌受力計(jì)算中可以不考慮橋梁升溫的影響。

(2)橋墩溫度變化引起的線路豎向不平順主要為長(zhǎng)波不平順，在橋墩溫度達(dá)到20 ℃時(shí)出現(xiàn)輕微的超限現(xiàn)象，同時(shí)其是否超限還與相鄰橋墩的高度差有關(guān)，當(dāng)橋墩溫度變化為15 ℃時(shí)，對(duì)于本文所選擇的跨度橋，鄰墩的高度差超過(guò)80 m時(shí)，其對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)波不平順超限。

(3)建議對(duì)于高墩大跨橋梁在進(jìn)行檢算時(shí)，不考慮橋墩整體溫度變化對(duì)線路受力的影響，但需要對(duì)橋墩變形引起的軌向豎向不平順進(jìn)行檢算，以滿足規(guī)范對(duì)橋上無(wú)縫線路驗(yàn)收的需要。

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Influence of Pier Temperature Increase on Jointless Track of Large-Span Bridge with High-Pier

ZHANG Meng-nan1， HU Zhi-peng1， WU Yu-bin2， WANG Ping1

(1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China； 2.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The rising of temperature of pier of large-span bridge with high-pier under solar radiation will lead to vertical displacement on the top of pier. This paper addresses the influence of this vertical displacement on jointless track by analyzing the stress and displacement of jointless tack under the rising temperature of high pier with an integrative line-bridge-pier finite element model. The calculation results show that the force is very small when pier temperature rises， and the vertical track irregularity caused by temperature variation of pier is of mainly long wave. It is suggested that the overall influence of pier temperature variation on jointless track is not necessarily to be considered， but the vertical track irregularity caused by pier deformation shall be checked so as to meet the requirements of the standard for the acceptance of jointless track on bridge．

Large-span bridge with high-pier; Pier temperature rise; Jointless track; Track regularity

2013-12-11

張夢(mèng)楠(1990—)，女，碩士研究生。

1004-2954(2014)09-0032-04

U213.9

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.008