季節(jié)性氣溫變化對高速鐵路橋梁沉降影響分析

周金國，崔書珍，李 建

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶400015；2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶400007）

季節(jié)性氣溫變化對高速鐵路橋梁沉降影響分析

周金國1，崔書珍2，李 建2

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶400015；2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶400007）

介紹了高速鐵路工后沉降影響因素及工后沉降限值，通過實例分析了季節(jié)性氣溫變化對高速鐵路工后沉降的影響。實驗表明，季節(jié)性氣溫變化會導(dǎo)致高速鐵路橋梁季節(jié)性的撓度變形，在高速鐵路運營期沉降監(jiān)測分析過程中應(yīng)予以修正。

高速鐵路； 溫度變形 ；工后沉降撓度

高速鐵路要保證高速安全運行，軌道平順性要求極高，這就要求有一個穩(wěn)定的線下基礎(chǔ)。高速鐵路線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要由路基、橋梁、隧道3部分組成，其穩(wěn)定性決定了高速鐵路的安全性。2010年，鐵道部運輸局下發(fā)了“關(guān)于發(fā)布《高速鐵路運營沉降監(jiān)測管理辦法》的通知”，要求對高速鐵路運營期沉降監(jiān)測進(jìn)行規(guī)范管理，各高速鐵路運營線路維護(hù)部門也相繼開展了線下沉降監(jiān)測和精密網(wǎng)復(fù)測等相關(guān)工作[1,2]。氣溫變化引起構(gòu)筑物的熱脹冷縮，特別對大跨度的連續(xù)梁會引起較大的垂直撓度變形，在分析高速鐵路線下構(gòu)筑物沉降量組成時，應(yīng)予以考慮，以判定沉降量屬于構(gòu)筑物自身變形還是構(gòu)筑物沉降。本文首先介紹了高速鐵路工后沉降影響因素以及工后沉降限值，然后通過工程實例分析了季節(jié)性氣溫變化對連續(xù)梁工后沉降的影響，為高速鐵路線路平順性維護(hù)提供參考。

1 高速鐵路工后沉降影響因素

高速鐵路工后沉降主要包括線下構(gòu)筑物自身變形和基礎(chǔ)沉陷2部分。

高速鐵路多采用無碴軌道，線下構(gòu)筑物主要是混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土構(gòu)筑物自身變形主要分為非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形[3]。非荷載作用下的混凝土變形主要包括化學(xué)收縮、干濕變形和溫度變形。

①化學(xué)收縮：水泥水化生成物的體積比反應(yīng)前物質(zhì)的體積小，使混凝土收縮。該種變形會隨著混凝土硬化齡期的延長而增加，大致與時間的對數(shù)成正比，一般在混凝土成型40 d內(nèi)增長較快，以后就漸趨穩(wěn)定，不可恢復(fù)。

②干濕變形：混凝土受周圍環(huán)境濕度的變化影響，引起混凝土的干濕變形，表現(xiàn)為干縮濕脹。干濕變形可部分恢復(fù)。

③溫度變形：混凝土隨溫度的變化而產(chǎn)生熱脹冷縮變形。混凝土的溫度線膨脹系數(shù)為（0．6～1．3）×10-5mm/℃/mm,對于高速鐵路大跨度連續(xù)梁和高墩橋梁，在外界氣溫變化較大的情況下，可能會產(chǎn)生較大的伸縮變形。

荷載作用下的混凝土變形主要包括彈塑性變形和徐變。

①彈塑性變形：混凝土作為一個彈塑性體在短期荷載作用下，既產(chǎn)生彈性變形，又產(chǎn)生塑性變形。

②徐變：混凝土在長期荷載作用下，隨時間而增長的變形。混凝土徐變主要跟水灰比、水泥用量、骨料性質(zhì)和所受荷載有關(guān)。

線下構(gòu)筑物基礎(chǔ)沉陷是指構(gòu)筑物在重力作用下，構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉引起的沉降。

在高速鐵路施工過程中，對線下構(gòu)筑物的工后沉降已進(jìn)行監(jiān)測、評估，變形已趨于穩(wěn)定，不應(yīng)對鐵路線路平順性產(chǎn)生影響。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和鐵路線路周圍環(huán)境的劇烈變化，亦會導(dǎo)致高速鐵路運營過程中發(fā)生沉降現(xiàn)象。

高速鐵路橋梁的工后沉降主要由橋梁自身變形（其中包括溫度變形）和墩臺基礎(chǔ)沉陷兩部分組成，最終反映為橋梁的垂直撓度變形。

2 高速鐵路工后沉降限值

根據(jù)鐵建設(shè)函[2005]754號《客運專線無碴軌道鐵路設(shè)計指南》，高速鐵路土質(zhì)路基均應(yīng)進(jìn)行工后沉降分析。路基在無碴軌道鋪設(shè)完成后的工后沉降，應(yīng)滿足扣減調(diào)整和線路豎曲線圓順的要求。工后沉降一般不能超過扣件允許的沉降調(diào)高值15 mm；沉降比較均勻、長度大于20 m的路基，允許的最大工后沉降值為30 mm，并且調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑應(yīng)滿足下列要求：

式中 ，Rsh為軌面圓順的豎曲線半徑（m）；vsj為設(shè)計最高速度（km/h）。

路橋或路隧交界處的差異沉降不應(yīng)大于5 mm，過渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應(yīng)大于1/1 000。

根據(jù)德國《無碴軌道的總體技術(shù)規(guī)范技術(shù)通告》（2002．8．1 DB Netz NST）和DIN技術(shù)報告101，鋪設(shè)無碴軌道的高速鐵路橋梁，橋梁變形容許限值取決于橋梁跨度和列車速度：

式中，δ容許為橋梁變形的限值；L＜3 m時，λ（L）=0．8，L>10 m時，λ（L）=0.4；δ804為橋梁撓度。

連續(xù)、簡支結(jié)構(gòu)的最大垂直撓曲的限制值δ/L如表1所示。

表1 橋梁最大垂直撓曲限制值

另外，根據(jù)德國《無碴軌道的總體技術(shù)規(guī)范技術(shù)通告》6．4．7條，軌道安裝后徐變和收縮引起的橋梁垂直變形限值為1/5 000[4]。

為保證高速鐵路的高平順性，高速鐵路在設(shè)計、施工階段就采取了一定措施控制工后沉降[5]。例如，對軟土地基通過設(shè)置樁+筏板，對路基基礎(chǔ)進(jìn)行加固；對路堤兩側(cè)設(shè)置壁式擋土墻，加強(qiáng)路基側(cè)向約束；通過大量采用“以橋代路”，降低工后沉降量和縮短工后沉降周期；設(shè)置“過渡段”解決路橋、路隧相接處的差異沉降。

3 氣溫變化對橋梁工后沉降影響分析

長三角是全國城際客運系統(tǒng)最發(fā)達(dá)地區(qū)，其高速鐵路網(wǎng)絡(luò)主要由滬寧、滬杭、寧杭和杭甬等客運專線組成。長三角地區(qū)也是全國地面沉降較嚴(yán)重的地區(qū)，人口稠密，四季變化較明顯，列車安全運行至關(guān)重要。長三角高鐵網(wǎng)滬寧城際鐵路全長超過300 km，采用無碴軌道，設(shè)計時速350 km。本文選用滬寧城際鐵路昆山某段大跨度連續(xù)梁作為研究對象，研究季節(jié)性氣溫變化對高速鐵路橋梁撓度變形的影響。

該連續(xù)梁全長270 m，由3孔組成，最大跨度120 m，橋梁上的CPIII控制點作為監(jiān)測點，CPIII點分布情況如圖1所示。

圖1 橋梁及CPIII點分布示意圖

監(jiān)測從2012年9月份開始至2013年8月結(jié)束，為期1 a，共觀測11次，觀測均在列車運行天窗時間（0:00～4:00）進(jìn)行，采用幾何水準(zhǔn)測量方法。收集到的每期觀測當(dāng)天天氣情況如表2所示。

表2 周期觀測天氣概況表

以2012-09-18觀測數(shù)據(jù)為首期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以后每期數(shù)據(jù)與其進(jìn)行比較，觀察橋梁上的CPIII控制點隨時間的變化情況。圖2展示了下行CPIII控制點累計變化縱斷面曲線圖。取橋梁中間CPIII點46307號點，繪出其累計沉降量與時間的年度變化曲線，如圖3所示。同時，繪制觀測當(dāng)日平均氣溫-時間變化曲線，如圖4所示。

從圖2、圖3和圖4中可以看出，該橋梁隨季節(jié)性氣溫降低而發(fā)生垂直下沉撓度變形，隨季節(jié)性氣溫回升而又回彈恢復(fù)，且橋梁累計變化趨勢與氣溫變化趨勢相符。同時，通過分析可以看出，該橋梁垂直撓度變形是由橋梁自身變形（主要是溫度變形）引起的，無基礎(chǔ)沉陷，且垂直變形量最大值4．7 mm＜δ容許=0．4×1 200 00/5 000=9．6 mm，在橋梁垂直撓度變形允許值之內(nèi)。

圖2 下行CPIII控制點累計變化縱斷面曲線圖

圖3 CPIII點46 307號點年度累計變化曲線

圖4 觀測期間氣溫變化曲線

4 結(jié) 語

高速鐵路運營期工后沉降監(jiān)測對列車安全運行至關(guān)重要，線下構(gòu)筑物自身變形作為工后沉降的重要組成部分需引起重視。通過工程實例可以看出，季節(jié)性氣溫變化對高速鐵路橋梁產(chǎn)生較大的撓度變形。在未來的高速鐵路沉降監(jiān)測中，應(yīng)加強(qiáng)年季節(jié)氣溫變化沉降影響的監(jiān)測，總結(jié)季節(jié)性氣溫變化的沉降影響量與橋梁跨度、氣溫的數(shù)學(xué)關(guān)系，對工后沉降總量進(jìn)行修正，分析沉降段沉降總量構(gòu)成和形成原因，為線下工程維護(hù)與整治提供依據(jù)。

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1672-4623（2014）05-0129-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.047

周金國，碩士，主要從事精密工程測量與GPS技術(shù)研究。

2014-06-27。

項目來源：重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題資助項目（KJC201336）。