文 甜

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

經(jīng)科研人員大量研究證明，高速鐵路中以橋代路更能控制工后沉降和變形，時速300～350 km/h及以上的高速鐵路線路，80 %及以上的路段都是橋梁[1]?；炷翗蚰芨玫貪M足鐵路橋?qū)偠鹊囊?，故其在鐵路橋中的應(yīng)用較多。溫度應(yīng)力引起的裂縫是造成混凝土結(jié)構(gòu)病害和破壞的重要原因之一，這給世界各國的橋梁工程建設(shè)造成了巨大的損失。加拿大西部曾經(jīng)發(fā)生過某混凝土-鋼箱結(jié)合梁橋垮塌的事故，據(jù)分析，溫度應(yīng)力和變形是導(dǎo)致其垮塌的重要原因之一[2]。因此，準(zhǔn)確計算和分析溫度效應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響是很重要的。我國的鐵路橋混凝土箱梁溫度作用的計算采用的是原鐵道部科學(xué)研究院西南研究所的研究成果，其溫度基數(shù)和溫差模式與世界上公認(rèn)的最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范之一的歐洲規(guī)范[3]中的相應(yīng)規(guī)定有較大差別。

本文為探討中、歐規(guī)范在溫度作用方面的差異和溫度作用對鐵路混凝土簡支梁橋的影響，基于高速鐵路橋梁中常用的梁截面形式和縱向橋跨分布模式，應(yīng)用有限元分析軟件Midas Civil建立了考慮梁軌相互作用的32 m雙線整孔預(yù)應(yīng)力混凝土簡支標(biāo)準(zhǔn)箱梁三跨模型進(jìn)行計算分析，分別按照中、歐鐵路橋梁規(guī)范確定的參數(shù)計算分析了在均勻溫度、豎向溫差、局部溫差作用下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。

1 算例概況和有限元模型

1.1 算例概況

算例采用設(shè)計時速350 km/h的32 m混凝土雙線簡支梁橋，截面類型為單箱單室標(biāo)準(zhǔn)箱梁，橋梁凈寬12 m，跨中梁高3.05 m，梁端梁高3.078 m，梁長32.6 m，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道，橋梁總長98 m(32.6+0.1+32.6+0.1+32.6)。鋼軌自梁端兩側(cè)各延伸100 m，即鋼軌采用100 m+98 m+100 m的布置方式。簡支梁固定支座均設(shè)置在其左端，活動支座均設(shè)置在梁的右端。混凝土箱梁采用C50混凝土。

1.2 有限元模型

采用有限元分析軟件Midas Civil 2015建立如圖1所示的空間有限元模型。采用梁單元模擬鋼軌和梁，橋臺和橋墩的縱向剛度采用線性彈性連接模擬。其中，橋臺縱向剛度取值為4 000 kN/cm，橋墩縱向剛度均取為1 000 kN/cm，橋墩豎向剛度取1 012 kN/cm?？奂v向非線性阻力和路基縱向非線性阻力都采用多折線彈性連接模擬，間距0.65 m，沿縱向等值設(shè)置，扣件豎向剛度也同樣采用多折線彈性連接模擬，縱向阻力和連接剛度分別按照中國規(guī)范與歐洲規(guī)范取值。為了消除路基上鋼軌對橋上無縫線路縱向力的影響，將鋼軌在橋梁兩端的路基上分別延長100 m，鋼軌兩端不施加約束。中國規(guī)范計算的模型采用的是CHN60型鋼軌，歐洲規(guī)范計算的模型采用的是UIC60型鋼軌。

根據(jù)橋面類型和橋面鋪裝層厚度，參照鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范[4]確定溫度作用參數(shù)。

圖1 考慮梁軌相互作用的三跨32 m雙線混凝土簡支梁鐵路橋模型

2 溫度效應(yīng)對比分析

根據(jù)溫度作用的特點和規(guī)范規(guī)定，將混凝土箱梁的溫度作用效應(yīng)主要分為三部分來分析：由均勻溫度、橋面溫度梯度以及局部溫差引起的橋梁的變形和應(yīng)力。

2.1 橋面均勻溫度效應(yīng)對比

均勻溫度作用下梁的軸向位移如圖2所示，歐洲規(guī)范均勻升溫作用下梁端最大位移為5.67 mm，均勻降溫作用下梁端最大位移為5.93 mm；中國規(guī)范均勻升溫和均勻降溫作用下梁端最大位移都為5.35 mm。歐洲規(guī)范由于考慮了結(jié)構(gòu)溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系，溫度基數(shù)較中國規(guī)范略大，故計算結(jié)果也相對較大。

圖2 均勻溫度作用下梁的軸向位移

從表1可看出考慮梁軌相互作用時中、歐規(guī)范計算結(jié)果相近，在軌道中均產(chǎn)生較大的軸向應(yīng)力，在升溫狀態(tài)下由于鋼軌的膨脹系數(shù)大于混凝土箱梁，故在無約束狀態(tài)下鋼軌伸長長度相對于混凝土梁更大，從而當(dāng)梁軌之間有一定約束時會使得鋼軌中產(chǎn)生壓應(yīng)力，有可能引發(fā)軌道的失穩(wěn)問題。因此，均勻溫度變化對鐵路混凝土簡支梁橋中的梁軌相互作用會產(chǎn)生較大的影響。

表1 均勻溫度作用下軌道的最大軸向應(yīng)力 MPa

2.2 橋面溫度梯度效應(yīng)對比

2.2.1 線性溫差

中國規(guī)范沒有考慮線性溫差，歐洲規(guī)范考慮了豎向和橫向線性溫差。計算結(jié)果表明，歐規(guī)中橫向線性溫差的作用效應(yīng)不大，跨中橫向位移為0.47 mm，梁體最大橫向應(yīng)力為0.13 MPa，軌道最大應(yīng)力為8.66 MPa。所以，按中國鐵路橋規(guī)計算日照溫差時由于懸高比較大而采用的沿梁高方向的單向溫差的計算是合理的。

歐洲規(guī)范豎向線性溫差作用下橋梁結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力如圖3～圖5所示。對混凝土箱梁而言，豎向線性溫差對箱梁撓度的影響往往比對箱梁軸向位移的影響更為關(guān)鍵，但總體而言線性溫差作用引起的箱梁變形仍較小，線性升溫時跨中最大豎向位移為2.40 mm，線性降溫時跨中最大豎向位移為1.74 mm；線性溫差對箱梁軸向應(yīng)力影響較小，最大壓應(yīng)力0.23 MPa，最大拉應(yīng)力0.17 MPa，箱梁上翼緣應(yīng)力絕對值均大于下翼緣；相比較箱梁翼緣中產(chǎn)生的應(yīng)力，豎向線性溫差對鋼軌縱向應(yīng)力的影響更大，其最大壓應(yīng)力38.01 MPa，最大拉應(yīng)力27.15 MPa，固端支座處的鋼軌軸向應(yīng)力均大于活動支座處鋼軌軸向應(yīng)力。

圖3 豎向線性溫差作用下梁的豎向位移

圖4 豎向線性溫差作用下梁體翼緣應(yīng)力

圖5 豎向線性溫差作用下軌道應(yīng)力

2.2.2 非線性溫差

將中國規(guī)范的日照溫差作用效果與歐洲規(guī)范的豎向非線性升溫作用效果比較，如圖6、圖7所示。最大應(yīng)力都位于梁端部支座處；由于日照溫差的溫度基數(shù)較豎向非線性升溫的溫差基數(shù)稍大，因此日照溫差作用下梁體產(chǎn)生的變形和應(yīng)力以及軌道應(yīng)力均較豎向非線性升溫大：梁體最大應(yīng)力比之大22 %，軌道最大應(yīng)力比之大24 %。中國規(guī)范沒有就豎向非線性負(fù)溫差的計算給出相關(guān)規(guī)定。

圖6 豎向非線性正溫差作用下軌道應(yīng)力

圖7 非線性正溫差作用下梁體翼緣應(yīng)力

在豎向非線性溫差作用下不僅軌道中會產(chǎn)生較大應(yīng)力，而且梁體中也會產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。非線性溫差作用下產(chǎn)生的最大變形和應(yīng)力值如表2所示，跨中豎向位移中國規(guī)范的計算結(jié)果比歐洲規(guī)范大135 %；中、歐規(guī)范計算結(jié)果中混凝土梁體最大拉應(yīng)力均超過了3 MPa，對于混凝土箱梁而言，此最大拉應(yīng)力可能會導(dǎo)致箱梁開裂，影響結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性等，甚至影響結(jié)構(gòu)的承載能力。

表2 豎向非線性溫差的計算結(jié)果

2.3 橋面局部溫差效應(yīng)對比

對于橫向局部溫差即腹板溫差的考慮，歐洲規(guī)范和中國鐵路橋規(guī)采用的是兩種思路，歐洲規(guī)范一般推薦的是15 ℃的線性溫差，而中國鐵路橋規(guī)采用的是基數(shù)為-10的指數(shù)溫差模式。

在歐洲規(guī)范內(nèi)外腹板溫差的作用下梁端軸向位移為0.54 mm，梁體最大應(yīng)力為0.79 MPa，軌道最大壓應(yīng)力為7.66 MPa。從計算結(jié)果可見，在歐洲規(guī)范內(nèi)外腹板溫差作用下產(chǎn)生的變形和應(yīng)力都較小，在除梁端外的大部分梁上應(yīng)力均勻分布，且均為最大值。

如表3所示，中國規(guī)范局部溫差中外腹板降溫溫差計算結(jié)果較小，板厚溫差產(chǎn)生的變形和應(yīng)力最大。而且，同是考慮頂板的局部溫差時板厚溫差比頂板降溫溫差的計算結(jié)果大，板厚溫差和頂板降溫溫差最大應(yīng)力均位于梁端支座處。而外腹板降溫溫差作用下的應(yīng)力分布同歐洲規(guī)范但數(shù)值較之小，內(nèi)外腹板溫差作用下無論是按歐洲規(guī)范還是中國規(guī)范計算，其計算結(jié)果都較小。

表3 中國規(guī)范局部溫差的計算結(jié)果

3 結(jié)論

(1)在均勻溫度作用下，歐洲規(guī)范溫度作用計算結(jié)果中梁的軸向位移和軌道的軸向應(yīng)力比之中國規(guī)范稍大。

(2)在溫差分量的豎向溫差部分，歐洲規(guī)范考慮線性和非線性豎向溫差，而中國規(guī)范只考慮了豎向的非線性溫差。中國鐵路橋規(guī)的溫差基數(shù)較歐洲規(guī)范大，雖總體變形和應(yīng)力分布差不多，但數(shù)值相差較大，尤其是非線性豎向溫差作用下梁的跨中豎向位移，中國規(guī)范的計算結(jié)果約為歐洲規(guī)范的2倍。在橫向溫差部分，中國規(guī)范考慮較為全面，考慮了橋面懸臂長度的影響，當(dāng)懸高比較小時，應(yīng)該考慮橫向溫度梯度；歐洲規(guī)范一般情況下不考慮橫向溫差，當(dāng)考慮時按線性分布考慮且計算結(jié)果較小。

(3)當(dāng)考慮局部溫差時，兩者的相關(guān)規(guī)定不同。在腹板溫差計算結(jié)果中有一定的差別，但作用效應(yīng)都很小。中國鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范對箱梁板厚溫差應(yīng)力的計算作了明確的規(guī)定，主要考慮的是頂板的板厚溫差，且板厚的溫差效應(yīng)影響較大。

(4)在考慮梁軌相互作用時溫度效應(yīng)在軌道中會產(chǎn)生較大應(yīng)力，在非線性豎向溫差和板厚溫差作用下箱梁中會產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，最大值可超過3 MPa。