劉云飛， 鄭凱鋒

(西南交通大學，四川成都 610031)

跨座式鋼混結合軌道梁結構形式與常規(guī)鋼混結合梁不同(圖1)，在太陽照射下，其腹板接收到的太陽輻射更大，會出現(xiàn)局部升溫的情況，其陽面的溫度變化幅度大, 陰面溫度變化幅度小[1]，現(xiàn)有規(guī)范中關于鋼混結構的溫度荷載值較小，不符合軌道梁受日照升溫的實際情況[2]。且鋼結構和混凝土線膨脹系數(shù)不同，由于結構材料熱脹冷縮的性質，當溫度發(fā)生變化，鋼混軌道結合梁必然產生溫度變形，變形會受到結構的內部纖維約束和超靜定約束，結構將產生相當大的溫度應力[3]。而且曲線梁橋與直線梁橋相比，存在彎扭耦合作用[4]，其內力、變形計算比直線梁橋更為復雜。理論分析及實驗研究表明：超靜定結構體系中，溫差應力可以達到甚至超過活載產生的應力。

(a) 常規(guī)鋼混結合梁受日照模式

(b) 鋼混軌道梁受日照模式

除了應力變化的影響，鋼軌道梁線形尺寸精度要求高，根據(jù)相關設計規(guī)范要求，端面傾斜度限制為±5/1 000 rad，端部梁寬允許誤差為±2 mm。在溫度荷載與活載共同作用時，易使其變形超限，因為軌道梁即是承重結構又是列車運行的軌道，如出現(xiàn)變形過大的情況，可能會導致列車行進不平順，嚴重者甚至出現(xiàn)脫軌等情況[5]。因此本文用 ANSYS建立了某連續(xù)曲線軌道梁精細的實體有限元模型，進行多種溫度場荷載組合，對比軌道梁可能出現(xiàn)的不利情況。

1 工程概況

計算取某(40+65+40) m連續(xù)鋼混結合軌道梁。該曲線鋼混結合軌道梁橋計算跨度為(39.44+65+39.44) m，梁全長144.83 m，軌道梁由鋼箱和混凝土橋面結合而成，雙側結合梁之間采用鋼橫梁和下平縱聯(lián)連接。主梁截面中支點總高3.2 m，混凝土橋面寬0.7 m，高0.38 m。鋼結構采用外高2.82 m，外寬0.55 m箱型截面。邊支點截面總高度2.6 m，鋼結構采用外高2.22 m，外寬0.55 m箱型截面。鋼結構頂板厚20 mm，底板厚36 mm，腹板厚20 mm。為保證箱梁抵抗畸變、翹曲及結構的橫向傳力，主梁每間隔0.925 m、1.11 m、1.25 m或1.3 m在箱內設置橫隔板。主梁中支點處設置3道橫梁，間距1.3 m，其余每隔3.7 m、4.44 m或5.0 m在兩箱梁間設置橫梁。兩片主梁下設工字型截面下平聯(lián)。鋼軌道梁部分由工廠預制，現(xiàn)場拼接，混凝土橋面現(xiàn)場澆筑。鋼結構材質采用Q345qD鋼，橋面采用C60混凝土，其截面形式如(圖2)。

圖2 鋼-混結合梁及橫向聯(lián)系構造

2 有限元模型

有限元模型計算時假定鋼材與混凝土均為理想的彈性體。根據(jù)軌道梁的結構特點，采用板殼單元Shell63模擬薄鋼板在彈性狀態(tài)下的變化過程，用線彈性實體單元Solid65來模擬混凝土橋面部分，上平縱聯(lián)用3D梁單元Beam188模擬，栓結焊接部分均視為固結。為達到較準確的計算結果，采用映射劃分網格。全橋共計89 183個節(jié)點，89 111個單元，利用ANSYS建立的有限元模型見圖3。

圖3 ANSYS局部模型

3 計算參數(shù)說明

混凝土容重2 500 kg/m3，鋼材容重7 800 kg/m3，鋼梁彈性模量取2.1×105MPa，泊松比取0.3，線膨脹系數(shù)1.2 ×10-5?？紤]混凝土收縮徐變影響，鋼與混凝土彈模比取n=6?；炷翉姸鹊燃墳镃60，泊松比取0.2，線膨脹系數(shù)1.0 ×10-5。

4 支座設置

橋梁的支座均采用盆式橡膠支座，在ANSYS中采用實體單元模擬鋼墊板和橡膠支座，鋼墊板上端點與上部主梁相應面進行耦合，橡膠底面采取相應約束，支座布置形式見圖4。

圖4 支座布置示意

其中4號為固定支座，2號、3號、6號、8號為單向活動支座，1號、5號、7號為雙向活動支座。

5 溫度荷載工況設計

橋址處極端最低氣溫為-19.4 ℃，極端最高氣溫取43.72 ℃。參考《跨座式單軌交通設計規(guī)范》的8.2.14條規(guī)定，并結合工程實際及鐵路相關設計規(guī)范，選取了如下5個工況進行對比計算(僅考慮升溫)。

工況1：豎向溫度梯度。

工況2：整體升溫25 ℃。

工況3：鋼箱梁升溫35 ℃+混凝土橋面升溫15 ℃。

工況4：整體升溫25 ℃+鋼箱梁東側腹板升溫45 ℃。

工況5：整體升溫25 ℃+鋼箱梁西側腹板升溫45 ℃。

工況1參考了現(xiàn)行橋梁規(guī)范中關于鋼混結合梁溫度梯度的計算方法，由于我國鐵路規(guī)范只規(guī)定了混凝土箱梁結構的溫度梯度[6]，暫無關于鋼混結構溫度梯度的規(guī)定，故參考了JTG D60-2016《公路橋涵設計通用規(guī)范》進行工況設置。如圖5所示，其中T1取25 ℃，T2取6.7 ℃，t為混凝土橋面厚度，A按規(guī)范取值為380。因為軌道梁的結構特點為窄幅箱梁，故本文只考慮豎向溫度梯度[7]。

圖5 豎向溫度梯度

工況2和工況3為季節(jié)溫差效應分析，由于鋼和混凝土導熱率不同，在夏季兩者升溫的幅度也不盡相同，為了對比鋼與混凝土整體均勻升溫和非均勻升溫對結構產生的影響，同時根據(jù)各國規(guī)范對于橋梁整體有效溫度最大最小值的規(guī)定而而采取了該計算溫度[8]。因為太陽輻射的影響，夏季太陽照射下鋼板溫度會遠高于氣溫，參考相關文獻[9-11]，本文以工況4和工況5中鋼腹板溫度高于氣候20 ℃來模擬太陽照射下鋼箱梁陽面與陰面的日照溫差對結構的影響。

6 季節(jié)溫差效應分析

6.1 位移

季節(jié)溫差所產生的位移采取東側軌道梁頂板位移進行分析，其位移圖如圖6所示。

通過計算發(fā)現(xiàn)，規(guī)范給出的溫度梯度所產生的豎向位移變形趨勢與整體均勻升溫相同，且位移最大。在季節(jié)溫差作用下，鋼材與混凝土的非均勻升溫所產生的位移不同于其整體均勻升溫產生的位移，兩種工況的豎向位移所產生的變形趨勢相反，均勻升溫在邊跨變形最大，而非均勻升溫在中跨跨中達到最大。三種工況的縱向位移趨勢相同，但工況3變形更為明顯。三種工況的橫向位移對比也較為明顯，溫度梯度下的橫向位移與季節(jié)溫差作用相反，其中整體均勻升溫情況下的變形幅度最小，說明溫度梯度和非均勻升溫是導致橫向位移的主要原因；三種工況作用下的橫向位移均產生波浪形變形，可見橫撐對結構的溫度作用橫向變形起到了抵抗作用。

(a)豎向撓度

(b)橫向撓度

(c)縱向撓度圖6 溫度梯度和季節(jié)溫差作用位移

6.2 支座反力

由表1可以看出：按規(guī)范施加溫度梯度荷載所產生的支座反力遠小于結構整體均勻升溫和非均勻產生的支反力；非均勻升溫對支座反力的影響遠大于均勻升溫產生的支座反力；工況2與工況3的支座反力方向一致，可以看出兩種工況結構的變形方向相同；三種工況下支座均有拉力產生，但拉力均較小，可忽略不計。

7 日照溫差效應分析

7.1 位移

日照溫差所產生的位移同樣采取東側軌道梁頂板位移進行分析，其位移圖如圖7所示。

表1 溫度梯度和季節(jié)溫差作用下支座反力

(a)豎向撓度

(b)橫向撓度

(c)縱向撓度圖7 日照溫差作用位移

當日照從東向西變化時，軌道梁鋼箱受日照面也隨之變化，由圖7可以看出太陽在東側時，東側軌道梁豎向位移較西側大，說明軌道梁橋呈向內扭轉趨勢；而當太陽位于西側時，如圖8所示，軌道梁將會向外扭轉，呈外翻趨勢，此時該軌道梁的超高將降低，列車離心力增大，影響列車的行車安全；兩者的縱向位移相差不大，而橫向位移方向相反，可見在一天內隨著太陽位置的變化，橋梁會在不同的時間產生相反的位移，因此說明曲線軌道梁橋的方位也對其受力和變形有影響。

圖8 工況5西側軌道梁豎向撓度

將圖7與圖6對比可發(fā)現(xiàn)，軌道梁單側腹板受日照升溫引起的邊跨豎向變形與3變形方向相反，可見混凝土橋面板對于結構邊跨溫度變形有較大的影響；對比兩張圖中的橋梁橫向位移，可以看出五種工況的橫向位移情況均不相同，說明結構的橫向位移對溫度荷載的變化較為敏感。

7.2 支座反力

由表2可以看出：在日照變化下支座徑向反力大小接近，在固定支座處的徑向反力方向相反；兩種工況的支座豎向反力表現(xiàn)為受拉，且內側支座拉力大于外側拉力，呈現(xiàn)向外扭轉的趨勢，在不利溫度作用下內側支座會出現(xiàn)最大約265 kN的拉力，造成內側支座脫空，梁體發(fā)生向外側約1 °的扭轉變形，兩側軌道梁垂直面內的高差約4 cm；而兩者固定支座處的徑向反力相反，工況4軌道梁鋼箱變形沿縱向表現(xiàn)為腹板向內凹陷，工況5則為腹板向外突出。

表2 日照溫差作用下支座反力計算結果 kN

綜合表1和表2可以看出工況3產生的豎向反力較大，工況4和工況5產生的縱向反力較大，可以看出溫度梯度對支反力影響很小，季節(jié)性溫差是導致產生支座豎向力的主要原因，而日照溫差會產生較大的支座徑向力。

8 應力

根據(jù)計算結果，溫度梯度和整體升溫所產生的結構應力很小，不均勻升溫和日照溫差是結構產生溫度應力的主要原因，其中日照溫差會產生較大的頂板拉應力，不均勻升溫會在支座處產生最大的底板壓應力，腹板應力在這三種工況下差別不大；只有日照溫差會產生較大的上平縱聯(lián)和橫撐的正應力，這是由于結構的整體性導致的。

9 結論

(1)鋼混結合軌道梁與常規(guī)鋼混結合梁的結構形式存在差異，其鋼腹板受太陽輻射面積大，季節(jié)升溫和日照升溫對其影響均大于常規(guī)鋼混結合梁。根據(jù)文中計算可知，參考相關規(guī)范中的溫度梯度得出的應力和支座反力遠小于結構在季節(jié)溫差和日照溫差作用，在軌道梁的溫度計算中不應完全以規(guī)范上的溫度梯度作為參考，否則會使連續(xù)軌道梁橋出現(xiàn)病害，影響正常使用。

(2)季節(jié)溫差作用下結構非均勻升溫所產生的位移與整體均勻升溫產生的位移不同，兩者分別在中跨和邊跨達到了位移最大值，非均勻升溫所產生的橫向位移和縱向位移均大于均勻升溫，兩者的橫向位移均產生波浪形變形，可見橫撐對結構的溫度作用橫向變形起到了抵抗作用。

(3)非均勻升溫產生的支座反力大于均勻升溫產生的支座反力，但兩種工況結構的反力方向相同；前三種工況下支座均有拉力產生，但按豎向溫度梯度加載產生支座豎向反力較小，可忽略不計，另外兩種工況反力較大，且不均勻升溫相比于均勻升溫的支座豎向反力更大。

(4)當太陽位于橋梁東側時，軌道梁橋呈向內扭轉趨勢；而當太陽位于西側時，軌道梁將會向外扭轉，呈外翻趨勢，因此隨著太陽方位的變化，橋梁產生不同的位移，同時，軌道梁的位置也會影響其變化幅度.可見日照溫差效應是導致鋼混結合軌道梁產生病害的主要因素之一。

(5)在日照方向變化下支座徑向反力大小接近，在固定支座處的徑向反力方向相反；工況4和工況5的內側支座拉力大于外側拉力，呈現(xiàn)向外扭轉的趨勢，在工況5作用下梁體會發(fā)生向外側約1°的扭轉變形，兩側軌道梁垂直面內的高差約4 cm；日照溫度作用下支座的豎向反力低于整體非均勻升溫的豎向反力，但會產生較大的徑向力，可能會造成支座剪壞，梁底或墩臺帽混凝土受拉開裂等。