梁體溫差對橋上無縫線路伸縮附加力的影響研究

安彥坤，蔡小培，曲 村

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

我國的高速鐵路建設(shè)，為節(jié)約耕地，多以橋代路，且橋梁多采用混凝土箱梁結(jié)構(gòu)形式。橋梁在自然環(huán)境下，會受到溫度荷載的作用。橋梁溫度變化主要有日照溫度變化和降溫溫度變化。由于混凝土材料的熱傳導(dǎo)性能差，混凝土箱梁在日照或驟然降溫作用下引起溫度變化，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)表面溫度迅速上升或下降，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度一般沒有變化，因此在箱梁中形成較大的不均衡溫差，即溫度梯度［1］。

我國現(xiàn)行《新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計暫行規(guī)定》［2］(以下簡稱《暫規(guī)》)中規(guī)定，梁體溫差按日溫差取值，為均勻溫差，無砟橋梁溫差荷載為20℃，對橋梁實(shí)際溫度荷載做了較大的儲備。德國鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范DS804，規(guī)定梁溫度差一般按±30℃考慮，為年溫差。國際鐵路聯(lián)盟規(guī)范《梁軌相互作用計算的建議》(UIC-774-3)規(guī)定:對于混凝土梁及結(jié)合梁橋，允許以±35℃的溫差進(jìn)行計算。而《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［3］中規(guī)定，箱梁溫差荷載為不均衡溫度荷載。分為日照溫差和降溫溫差，其中計算日照溫差時，有砟箱梁只考慮梁寬方向的溫差荷載，無砟無枕箱梁應(yīng)分別考慮梁高方向的溫差荷載和2個方向的組合溫差荷載。為此，本文分析了不同梁體溫差荷載和不均衡溫差對橋上無縫線路伸縮力的影響。

1 模型的建立

由于梁寬方向的溫差荷載對橋上無縫線路伸縮附加力影響有限，本文在計算不均衡溫差時，只考慮梁高方向的溫差荷載，因此根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，建立橋上無砟無枕箱梁模型。

建立橋上雙塊式無砟軌道箱梁模型，橋梁為5—32 m簡支梁+(60+100+60)m連續(xù)梁+5—32 m簡支梁。全橋橋跨如圖1所示，有限元模型如圖2、圖3所示。

圖1 全橋橋跨示意(單位:m)

因此在梁體溫度荷載分別為10、15、20、30℃和35℃時，對橋上無縫線路伸縮附加力進(jìn)行計算分析。橋上扣件采用小阻力扣件，縱向阻力值為6.5 kN/m/軌。梁體溫度荷載工況如表1所示。

表1 梁體溫度荷載工況

我國《暫規(guī)》、德國鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范DS804及國際鐵路聯(lián)盟規(guī)范《梁軌相互作用計算的建議》(UIC-774-3)中，梁體溫度荷載均取為均勻溫度荷載。而我國《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和公路橋梁規(guī)范，以及英國橋梁設(shè)計和施工規(guī)范BS5400、歐洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocodel、新西蘭公路橋梁設(shè)計規(guī)范和美國AASHTO公路橋梁設(shè)計規(guī)范等對梁體溫度荷載取值均采用溫度梯度荷載，且經(jīng)比較分析，鐵路橋梁規(guī)范所采用的指數(shù)形式曲線都可以較準(zhǔn)確地模擬截面豎向溫度梯度，本文推薦以此指數(shù)曲線表示截面豎向溫度梯度［5］。

《暫規(guī)》中梁體溫差荷載取為20℃，溫度梯度荷載按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，梁高、梁寬方向溫度曲線如圖4所示。

圖2 橋梁局部示意

圖3 橋梁全局示意

圖4 箱梁溫差分布

2 參數(shù)的選取

鐵科院橋梁室在沙河特大橋上進(jìn)行了橋梁縱向力測試。沙河特大橋采用長枕埋入式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，測得橋址處大氣日溫差為14.5℃，梁溫度差為3.5℃。考慮測試時間周期較短，因此取其測量值3倍左右值，約為10℃作為工況一。

我國規(guī)范規(guī)定的依據(jù)是成昆線青衣江大橋?qū)崪y3年和京廣線七里河大橋?qū)崪y1年的結(jié)果，又在青藏線昆侖河和南京無砟橋梁上進(jìn)行了補(bǔ)充測定，分析得，梁體每日甚至每旬溫度變化幅度均＜15℃［4］。因此取15℃作為工況二。

取《暫規(guī)》中規(guī)定值 20℃作為工況三，德國DS804中規(guī)定值30℃作為工況四，國際鐵路聯(lián)盟UIC-774-3中規(guī)定值35℃作為工況五。

沿梁高、梁寬方向溫度梯度荷載計算公式為

式中 Ty，Tx——計算點(diǎn)y、x處的溫差，℃;

T01，T02——箱梁梁高方向、梁寬方向溫差，℃，對于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計可按表2取值;

y、x——計算點(diǎn)至箱梁外表面的距離，m;

a——計算參數(shù)，m－1，按表2 取值。

表2 無砟橋面日照溫差曲線的a與T0取值

3 梁體溫差的影響

梁體均勻溫度荷載分別取為10、15、20、30℃和35℃時，橋上無縫線路伸縮附加力如圖5、圖6所示。橋上無縫線路伸縮附加力計算結(jié)果如表3所示。

圖5 不同工況下伸縮附加力對比

圖6 伸縮附加力極值

表3 橋上無縫線路伸縮附加力計算結(jié)果

分析圖5、圖6及表3的計算結(jié)果，可知當(dāng)溫度荷載較小時，伸縮附加力在連續(xù)梁大里程端有最大值，當(dāng)溫度荷載取為35℃時，連續(xù)梁上鋼軌所受拉力超過大里程端壓力。隨著溫度荷載的增加，伸縮附加力不斷增加，但增長趨勢放緩。

4 梁體不均衡溫差的影響

以下分析溫度梯度荷載對橋上無縫線路伸縮附加力的影響。分別計算分析沿梁高單向和沿梁高、梁寬雙向溫度梯度荷載情況下，橋上無縫線路鋼軌所受伸縮附加力的情況。

梁體溫差分別取均勻溫度荷載20℃、沿梁高單向溫度梯度荷載及沿梁高、梁寬雙向溫度梯度荷載時，橋上無縫線路伸縮附加力計算結(jié)果如圖7所示。

溫度梯度荷載作用下，會引起梁的上拱，梁端會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。梁端偏轉(zhuǎn)后，將引起軌道系統(tǒng)某些部件工作狀況發(fā)生改變。梁端偏轉(zhuǎn)后將導(dǎo)致扣件系統(tǒng)出現(xiàn)不均勻的拉壓受力［6］。因此選取連續(xù)梁大里程端及其相鄰簡支梁端部截面，沿梁高方向各取4個點(diǎn)，提取其縱向位移作圖，如圖8所示。

溫度梯度荷載作用下橋上無縫線路伸縮附加力計算結(jié)果如表4所示。

圖7 溫度梯度荷載作用下伸縮力

圖8 梁端面沿梁高縱向位移分布

表4 溫度梯度荷載作用下橋上無縫線路伸縮附加力計算結(jié)果

分析圖7及表4可得，施加單向溫度梯度荷載時，伸縮力為施加均勻溫度荷載時伸縮力的22.8%。可見施加溫度梯度荷載時，鋼軌的伸縮附加力相對小很多。當(dāng)溫度梯度荷載考慮沿梁高和梁寬雙向荷載組合時，相對沿梁高方向伸縮附加力有所增大，但相對施加均勻溫度荷載所產(chǎn)生的伸縮附加力仍然較小。當(dāng)施加溫度梯度荷載時，在連續(xù)梁上由于橋梁上拱，引起鋼軌所受伸縮附加力下凹。

分析圖8可知，沿梁高方向各點(diǎn)的縱向位移，近似為1條直線，經(jīng)擬合后，由于縱向位移量值較小，所以梁端轉(zhuǎn)角約等于直線斜率。模型中，梁兩端懸出長度為0.2 m。連續(xù)梁大里程活動端與其相鄰簡支梁之間的轉(zhuǎn)角為0.3‰，小于《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的3.0‰。梁端轉(zhuǎn)角較小，影響不大。

均勻溫度荷載和溫度梯度荷載分別出自2個不同的計算體系，但結(jié)果相差很大。橋梁在自然環(huán)境下，所受的溫度荷載是客觀獨(dú)立存在的，只是2個計算體系對梁體溫度荷載的模擬不同而已。橋上無縫線路計算附加力時，采用均勻溫度荷載。《暫規(guī)》中指出，用溫度計測量橋梁溫度時，測得的只是梁體的表面溫度，因而一般均采用測量梁的位移量來反算梁的溫差。而溫度梯度荷載是直接模擬橋梁在自然環(huán)境下所受的溫度荷載，更為符合實(shí)際情況。

從計算結(jié)果可以看出，溫度梯度荷載作用下，伸縮附加力相對小很多。說明《暫規(guī)》中梁體溫度荷載的取值相對保守。在無縫線路檢算時，伸縮力往往比撓曲力大［7，8］，起控制作用，用于對鋼軌強(qiáng)度和軌道穩(wěn)定性進(jìn)行檢算。因此，梁體溫度荷載取值的相對保守對于無縫線路的設(shè)計起到了限制作用，建議進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)論

通過建立橋上無砟軌道無縫線路模型，分析了不同梁體溫差對伸縮附加力的影響，得到以下結(jié)論和建議。

(1)當(dāng)溫度荷載較小時，伸縮附加力在連續(xù)梁大里程端有最大值，當(dāng)溫度荷載取為35℃時，連續(xù)梁上鋼軌所受拉力超過大里程端壓力。隨著溫度荷載的增加，伸縮附加力不斷增加，增長趨勢放緩。

(2)與施加梁體均勻溫度荷載相比，沿梁高方向施加溫度梯度荷載時，橋上無縫線路鋼軌伸縮附加力小很多。

(3)當(dāng)溫度梯度荷載考慮沿梁高和梁寬雙向荷載組合時，相對沿梁高方向伸縮附加力有所增大，但相對施加均勻溫度荷載所產(chǎn)生的伸縮附加力仍然較小。

(4)溫度梯度荷載條件下，伸縮附加力計算結(jié)果相對較小。溫度梯度荷載較為符合梁體溫度荷載的實(shí)際情況，《暫規(guī)》中采用測量梁的位移量來反算梁的溫差，取值相對保守。由于伸縮附加力在橋上無縫線路檢算中，起著重要的作用，因此建議進(jìn)一步深入研究，對溫度荷載的取值進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。

［1］張元海，李 喬.橋梁結(jié)構(gòu)日照溫差二次力及溫度應(yīng)力計算方法研究［J］.中國公路學(xué)報，2004，17(1):49-52.

［2］中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)函［2003］205號 新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［3］中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］盧耀榮.再議中國與德國橋上無縫線路設(shè)計理念的差異［J］.鐵道建筑，2007(6):75-77.

［5］彭友松.混凝土橋梁結(jié)構(gòu)日照溫度效應(yīng)理論及應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2007.

［6］趙坪銳，肖杰靈，劉學(xué)毅.梁端位移對無砟軌道扣件系統(tǒng)的影響分析［J］.鐵道學(xué)報，2008，30(5):68-73.

［7］李 艷.大跨度多跨連續(xù)梁橋上無縫線路設(shè)計方法研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2004(12):81-83.

［8］曲 村，高 亮，喬神路.高速鐵路長大橋梁CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路力學(xué)特性分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(4):12-15.