高墩剛構橋基礎不均勻沉降對無縫線路的影響研究

馬旭峰,胡志鵬,謝鎧澤,王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

高墩剛構橋基礎不均勻沉降對無縫線路的影響研究

馬旭峰,胡志鵬,謝鎧澤,王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

高墩大跨剛構橋橋墩若出現工后沉降,橋墩縱向和橫向的沉降值存在差異,將導致橋墩出現縱橫向偏轉。針對橋墩偏轉對無縫線路的影響,結合某一高墩大跨剛構橋上無縫線路,利用有限元方法,建立空間線-橋-墩一體化模型,分析橋墩縱向、橫向偏轉對橋上無縫線路的影響。計算結果表明:隨著橋墩縱向偏轉角度的增加,鋼軌中產生的附加力近似呈線性增加;當橋墩縱向偏轉與溫度荷載耦合時,橋墩縱向偏轉所引起的鋼軌縱向力變化幅度不大。橋墩的橫向偏轉主要引起軌道長波不平順,鋼軌位移及不平順隨著橋墩的橫向偏轉角的增加而增加,并且當橋墩橫向偏轉角較大時,整個橋上無縫線路會出現多處不平順超限,超限位置主要分布在左、右側橋臺及兩個梁體接縫處。

鐵路橋;剛構橋;偏轉;無縫線路;穩定性

高墩大跨剛構橋梁橋墩基礎不同側的沉降差會導致橋墩的偏轉,使墩頂沿某一方向出現位移,即所謂的橋墩偏轉[1-4]。橋墩發生偏轉后,致使橋墩墩頂產生位移,從而帶動梁體發生位移,引起鋼軌的附加力[5]。相關研究表明,梁體的縱向位移對橋上無縫線路縱向受力影響較大,梁體橫向位移對橋上無縫線路的軌向不平順影響較大。對于高墩大跨連續剛構橋,由于橋墩比較高,橋墩基礎發生微小的偏轉將造成墩頂大幅度的偏移,因此研究橋墩偏轉對高墩大跨橋梁具有實際的意義。本文主要研究橋墩沿線路方向(下文簡稱“縱向”)與垂直線路方向(下文簡稱橫向)偏轉對橋上無縫線路受力及穩定性的影響[6- 8]。

1 模型建立

以成昆線某高墩大跨橋梁為例,該橋全橋處于平直地段,橋跨布置形式為(89+189+89)m連續剛構橋梁+(33+56+33)m連續梁橋,連續剛構橋兩個固結橋墩墩高分別為76 m與103 m,其橋跨及支座布置形式如圖1所示。

本文分析橋墩的縱橫向偏轉對橋上無縫線路的影響,傳統的橋上無縫線路計算的線-橋-墩一體化模型不再適用,因此建立了空間的線-橋-墩一體化模型,其中空間模型又分為梁模型、梁板模型及梁實體模型等,考慮到計算精度及計算耗時,選取了空間梁模型,如圖2所示。由于模型中在左右側橋臺處的橋梁支座類型為活動支座,因此建模過程中沒有將其進行單獨建立,墩臺縱橫向剛度如表1所示。

圖2 線—橋—墩一體化空間模型斷面原理示意

表1 墩臺縱橫向剛度

該空間模型的計算假設與傳統橋上無縫線路的基本假設相同,由于考慮了橋梁橫向變形的影響,因此增加了固定支座能完全約束橋梁梁體的橫向變形,活動支座不約束梁體的橫向變形。模型中橋墩及梁體采用變截面梁單元模擬,軌枕及鋼軌采用等截面梁單元模擬,扣件縱向阻力、道床縱橫向阻力均采用非線性彈簧模型,扣件橫向阻力采用顯性彈簧模擬,其具體參數均由規范取得。計算中為了保證橋上無縫線路處于固定區,在左右橋臺外側建立了110 m的路基[9-11]。

2 橋墩縱向偏轉對無縫線路的影響

2.1 橋墩最不利偏轉情況確定

為了研究橋墩偏轉對橋上無縫線路的影響,首先定義偏轉角。偏轉角為偏轉前橋墩中心軸位置與偏轉后中心軸位置切線的夾角,由于偏轉角一般比較小,因此墩頂的位移直接利用偏轉角與橋墩墩高的乘積得到。

橋墩發生縱向偏轉時,不同橋墩的偏轉方向引起的墩頂位移可能不同。若兩橋墩向相反方向偏轉,由于跨中梁的限制會減小其對無縫線路的影響。若兩橋墩向同一方向偏轉,則中跨梁的限制作用就會降低,對線路的受力影響比較大,為了證明上述分析,假設1號橋墩與2號橋墩由偏轉引起的墩頂位移均為8 mm,以表2所列4種工況進行驗證。

表2 驗證工況

表2中所列的4種驗證工況計算結果如圖3所示。

圖3 驗證工況計算結果

從圖3計算結果看出,工況三對應的鋼軌拉力和壓力均為最大,這也驗證了上述的分析。因此,在計算橋墩縱向偏轉時,選擇最不利工況,即兩橋墩發生同向偏轉。同時從工況三和工況四可以看出,發生縱向偏轉的橋墩數越多,對橋上無縫線路鋼軌受力的影響越大。

2.2 橋墩縱向偏轉作用下鋼軌縱向力計算

為了比較不同偏轉角的影響,下面分別計算偏轉角為0.5/10 000,1.0/10 000,2.0/10 000、3.0/ 10 000及4.0/10 000 5種工況,由偏轉角計算得到墩頂位移見表3。由于3號與5號橋墩為活動支座,對于橋上無縫線路的影響比較小,因此表中未列出具體計算數值。

表3 墩頂位移 mm

對表3中的5種工況進行計算,得到如圖4(a)、(b)的計算結果。同時計算橋墩不發生偏轉時伸縮工況下的鋼軌伸縮附加力,將兩者做一對比分析,其計算結果如圖4(c)。

從圖4計算結果看出,隨著橋墩縱向偏轉角度的增加,鋼軌中產生的附加力近似呈線性增加,并且鋼軌中的縱向拉壓力值差別不大。并且鋼軌出現最大縱向力的位置與在伸縮工況下附加伸縮力出現最大值的位置相同,伸縮工況下最大伸縮附加力發生在連續剛構橋右端,其值為585.0 kN。因此橋墩縱向偏轉對高墩大跨橋上無縫線路的強度及穩定性均會產生一定的影響。

圖4 橋墩縱向偏轉計算結果

考慮到橋墩縱向偏轉與梁體溫度變化相疊加時,會出現相互抵消的情形,同時還包括線路阻力的非線性的原因。因此,分析梁體溫度變化與橋墩偏轉疊加時對高墩大跨橋上無縫線路的影響,基于表3的5種工況,計算其與梁體耦合的鋼軌附加力,計算結果如圖5所示。

圖5 耦合計算結果

從圖5(b)可以看出,隨著橋墩縱向偏轉角的增加,耦合作用下鋼軌產生的附加壓力逐漸增加,且增加值與橋墩偏轉角成線性關系。耦合作用下的鋼軌最大壓力總是小于兩者單獨作用下產生的鋼軌附加力線性之和,并且隨著偏轉角的增加,兩者之間的差值也越來越大。從采用耦合計算的方法來看,橋墩縱向偏轉所引起的鋼軌縱向力增加不多。

2.3 橋墩縱向偏轉作用下線路穩定性

從2.2節計算結果看出,橋墩縱向偏轉會增加橋上無縫線路的縱向受力,因此有必要研究在同時考慮橋梁梁體溫度變化及橋墩縱向偏轉共同作用下的無縫線路穩定性,采用規范規定的無縫線路穩定性計算方法[12],得到單根鋼軌允許的最大縱向壓力為1 325 kN (對應的溫度變化為69℃)。在橋墩偏轉與梁體溫度

變化作用下無縫線路穩定性檢算結果如表4所示。

表4 穩定性計算kN

從表4計算結果看出,當偏轉角達到4.0/10 000,軌溫變化幅度為30℃時就超過了無縫線路穩定性限值。當同時考慮橋墩偏轉及梁體溫度變化時,首先應該分析取最不利值荷載工況時,即梁體溫升對應的橋墩偏向及梁體溫降對應的橋墩偏向。其次采用耦合模型計算而不采用兩者分別計算結果的線性疊加,雖然線性疊加可以保證線路較大的安全系數,但這樣設計會增加額外的工程費用。考慮到橋墩的偏轉是一個隨時間變化的過程,在運營過程中,橋墩偏轉所產生的鋼軌縱向力同伸縮附加力一樣會隨著列車的通過而逐漸放散,因此實際中鋼軌因橋墩偏轉所產生的縱向力不可能達到理論所計算的最大值。橋墩偏轉與梁體溫度變化耦合計算中,橋墩偏轉所引起的縱向力較小,因此建議在高墩大跨橋上無縫線路設計中將橋墩縱向偏轉作為特殊荷載進行橋墩及鋼軌縱向力檢算,檢算中應該將其與梁體溫度荷載進行耦合計算。

3 橋墩橫向偏轉對無縫線路的影響

3.1 橋墩橫向偏轉最不利工況確定

當橋墩發生橫向不均勻沉降時,將導致墩頂產生橫向位移,其主要影響線路的軌向不平順以及橋上無縫線路的穩定性。由于橋墩基礎橫向的不均勻沉降造成不同方向的橋墩偏轉,若橋墩的橫向偏轉方向一致,則會造成鋼軌較大的橫向位移,但并不一定造成較大的不平順矢度,因此首先研究橋墩橫向偏轉的最不利工況,為此設計兩種驗證工況,如表5所示。

表5 驗證工況

這兩種工況的計算結果如圖6所示。

圖6 驗證工況計算結果

從圖6可以看出,雖然橋墩向不同方向偏轉會適當降低鋼軌的橫向位移幅值,但卻增加了軌向不平順的幅值,尤其是長波不平順。橋墩不同方向的偏轉引起的軌向不平順將造成長波不平順超限,規范規定不平順限值為:10 m弦2 mm,30 m弦5 m校核值2 mm, 300 m弦150 m校核值10 mm[13-14]。

從圖6中可知,不同向的偏轉使不平順的波長減小一倍左右,相關研究結果表明,不平順波長及不平順矢度對無縫線路穩定性有較大的影響,不平順波長越短、不平順矢度越大則無縫線路的穩定性也就越低。因此,可以推斷出橋墩不同方向的偏轉會造成無縫線路穩定性的部分喪失。綜合上述分析,在橋墩橫向偏轉對橋上無縫線路影響研究中選取的最不利工況為:橋墩橫向發生不同方向偏轉。

3.2 橋墩橫向偏轉對無縫線路不平順的影響

雖然橋墩的橫向偏轉角對鋼軌受力的影響比較小,但是其對軌向不平順的影響比較大,因此在研究橋墩橫向偏轉對高墩大跨橋上無縫線路的影響時,選取同縱向偏轉角相同的角度進行研究,即橋墩橫向偏轉角分別為0.5/10 000,1.0/10 000,2.0/10 000、3.0/10 000及4.0/10 000 5種工況,由偏轉角計算得到墩頂位移見表6。

表6 墩頂位移 mm

上述5種工況的計算結果如圖7所示。

圖7 橋墩橫向偏轉計算結果

從圖7看出,鋼軌位移及不平順隨著橋墩的橫向偏轉角的增加而增加,并且當橋墩橫向偏轉角較大時,整個橋上無縫線路會有多處出現不平順超限,其主要分布在左、右側橋臺及2個梁體接縫處。從圖7(b)中看出,當橋墩橫向偏轉角達到3.0/10 000時,線路的10 m弦不平順矢度超限,從圖7(c)看出,橋墩橫向偏轉達到2.0/10 000時,線路的30 m弦5 m校核值超限,從圖7(d)中看出,當橋墩橫向偏轉達到0.5/10 000時,線路的300 m弦150 m校核值已經超限。綜合軌向不平順的短波、中波及長波段的控制值來看,橋墩的橫向偏轉所引起的軌向不平順主要為長波不平順,并且長波不平順容易超限。

4 結論及建議

(1)橋墩縱向偏轉與梁體溫度變化耦合計算時,橋墩偏轉所引起的鋼軌縱向力較小,建議在高墩大跨橋上無縫線路設計時,將橋墩偏轉與梁體溫度荷載耦合,對橋墩及鋼軌縱向力進行檢算。

(2)鋼軌位移及不平順隨著橋墩橫向偏轉角的增加而增加,并且當橋墩橫向偏轉角較大時,整個橋上無縫線路會出現多處長波不平順超限,其主要分布在左、右側橋臺及2個梁體接縫處。

(3)考慮到橋墩基礎沉降產生的橋墩橫向偏轉的緩慢性及長期性,建議高墩大跨橋上無縫線路設計時,需檢算橋墩的橫向偏轉對線路不平順的影響,但不作為控制條件,需要在運行中加強橋墩偏轉及線路不平順的監測及檢測。

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The Effect on Continuous Welded Rail Caused by Uneven Foundation Settlement of High-pier Rigid frame Bridge

MA Xu-feng,HU Zhi-peng,XIE Kai-ze,WANG Ping
(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

If post-acceptance settlement occurs at the pier of a long-span high-pier rigid frame bridge, there will be settlement difference between longitudinal and lateral directions of the pier,and the settlement difference will cause a longitudinal or lateral deflection of the pier.Focusing on the problem of bridge pier deflection,and taking a certain continuous welded rail on a large-span high-pier rigid frame bridge as an example,this study established a spatial integrated model of track-bridge-pier by using finite element method,and analyzed the effect on the continuous welded rail caused by the longitudinal and lateral deflections of bridge pier.The results show that:(a)As the longitudinal deflection angle of bridge pier increases,the additional force of the rail will approximately linearly increase;when coupling the longitudinal deflection of bridge pier with the temperature load,the rail's longitudinal force caused by the longitudinal deflection of bridge pier will change marginally.(b)The lateral deflection of bridge pier mainly causes the irregularity of rail's long wave;the deformation and irregularity of rail will increase with the increase of the lateral deflection angle of bridge pier;when the lateral deflection angle of bridge pier is relatively large,there will be a lot of over-limit irregularities along the whole continuous welded rail on the bridge,and the over-limit irregularities will mainly occur at the left and right bridge abutments as well as at the juncture between two girders of the bridge.

railway bridge;rigid frame bridge;deflection;continuous welded rail;stability

U443.2;U213.9

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.011

1004-2954(2014)08-0048-05

2013-11-11;

2013-11-12

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(編號: 2682013CX043)

馬旭峰(1990—),男,碩士研究生,E-mail:459290502@qq. com。