高墩大跨橋梁橋墩升溫對橋上無縫線路的影響研究

張夢楠，胡志鵬，巫裕斌，王 平

(1.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；2.西南交通大學土木工程學院， 成都 610031)

高墩大跨橋梁橋墩升溫對橋上無縫線路的影響研究

張夢楠1，胡志鵬1，巫裕斌2，王 平1

(1.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；2.西南交通大學土木工程學院， 成都 610031)

高墩大跨橋梁橋墩整體在太陽輻射下升溫，會使橋墩頂部產生豎向位移。對橋墩升溫產生豎向位移對無縫線路的影響這一問題，使用有限元軟件建立線-橋-墩一體化模型，分析高墩升溫條件下橋上無縫線路的受力及變形。計算結果表明：橋墩的升溫對橋墩受力影響較小，橋墩溫度變化引起的線路豎向不平順主要是長波不平順。建議高墩大跨橋梁不考慮橋墩整體溫度變化對線路受力的影響，但要對橋墩變形引起的豎向不平順進行檢算，以滿足規范對橋上無縫線路驗收的需要。

高墩大跨橋梁；橋墩升溫；無縫線路；平順性

近年來，隨著鐵路建設的快速發展和橋上鋪設無縫線路技術的進步[1]，橋梁在線路中所占比例逐漸增大，為了滿足線路跨越橫穿交通干線、陡峭峽谷、寬廣河流等特殊地段的要求，大量的高墩大跨橋梁相繼出現[2]。由于這些橋梁本身具有特殊的結構特點及相鄰橋梁結構間構造的差異，在橋墩受到溫度荷載時，橋上無縫線路的受力及變形都受到影響[3]。在高墩大跨橋梁中，橋墩整體升溫會帶來墩頂豎向位移的增加，從而引起橋上無縫線路的縱向附加力和鋼軌的豎向位移。鋼軌的豎向位移又會降低道床的縱橫向阻力，進而降低軌道結構穩定性。因此，需要對高墩大跨橋梁升溫對橋上無縫線路的影響進行分析研究。

1 模型建立

對于高墩大跨橋梁橋墩升溫對無縫線路的影響這一問題，本文選取某一高墩大跨橋梁進行分析。該橋梁位于新建鐵路長沙至昆明客運專線玉屏至昆明段內，全橋位于平坡直線地段，橋跨布置形式為(89+168+89) m連續剛構橋梁+(33+56+33) m連續梁，其總布置如圖1所示。

為了研究橋墩升溫對橋上無縫線路的影響，利用有限元軟件ANSYS建立了線-橋-墩一體化模型[4-5]。橋墩及梁體為實現主要控制截面間的漸變[6]，模型中梁體、橋墩及鋼軌通過beam188單元來模擬。道床縱向阻力采用非線性彈簧單元combin39模擬[7]。為了消除模型計算中的邊界效應，即保證橋上無縫線路處于固定區，在橋梁左右橋臺外側建立(100+邊跨長度) m的路基模型。

圖1 某高墩大跨橋梁立面布置

2 橋墩升溫對無縫線路受力的影響

高墩大跨橋梁中，橋墩整體升溫會使墩頂豎向位移增加，從而引起橋上無縫線路的縱向附加力以及鋼軌的豎向位移[8-9]，鋼軌的豎向位移又會降低道床的縱橫向阻力，進而降低軌道結構穩定性。由于橋臺自身高度較低，其自身由于溫度的變化而產生的豎向位移很小，因此計算中不考慮橋臺的溫度變化，僅考慮橋墩的溫度變化。依據規范[10]，以1號～5號橋墩溫度改變15 ℃為例進行計算，其計算結果如圖2及表1所示。

圖2 橋墩升溫計算結果

墩編號12345縱向位移/mm-0.97-0.370-0.050墩底縱向力/kN-630.05427.6404.760豎向位移/mm11.3915.448.456.752.85墩底豎向力/kN392.24373.64-366.1338.0916.32

從圖2可以看出，左側橋臺處鋼軌受到壓力，主要是因為1號橋墩的縱向剛度2 054 kN/cm是2號橋墩的縱向剛度1 038 kN/cm的2倍左右，而且1號橋墩的高度又比2號橋墩的高度低了27m，因此2號橋墩在橋墩升溫時伸長量會更大，所以連續剛構橋梁整體會帶動橋上鋼軌向左側橋臺移動。右側橋臺處的鋼軌受拉，但拉力值極小。這主要是連續梁橋的5號橋墩在縱向上為活動支座，使得右側橋臺處的橋梁梁體的縱向位移比較小，該處鋼軌的拉力也較小。從鋼軌豎向位移圖中可以看出，鋼軌的豎向位移最大值可以達到16.2 mm。

從表1中可以看出，橋墩升溫對橋墩受力的影響較小，最大值為1號橋墩對應的縱向力為630 kN。

3 橋墩升溫對無縫線路平順性的影響

從圖2可以看出，鋼軌的豎向位移最大值達到16.2 mm，說明橋墩升溫對鋼軌的高低不平順影響較大，因此有必要研究由鋼軌的豎向位移產生的豎向不平順值[11]。依據規范規定，高低不平順采用10 m的弦測法進行，且不平順矢度不能超過2 mm，并且30 m弦隔5 m校核值不超過2 mm，300 m弦隔150 m校核值不超過10 mm[12]。

圖3～圖5為該段線路的高低不平順與里程之間的關系。

圖3 10 m弦軌向不平順值

圖4 30 m弦隔5 m校核值

圖5 300 m弦隔150 m校核值

計算結果表明，該段線路由于橋墩升溫產生的高低不平順均小于規范所規定限值。從圖3可以看出，高低不平順矢度的幅值出現在左右橋臺及剛構橋與連續梁橋接縫處3個位置。左右橋臺處產生峰值的原因主要是由于邊界條件的作用，路基在溫度荷載作用下是不可能發生橫向位移的，因此在鋼軌位移圖上表現出折角，使得該處的不平順矢度偏大。2座橋梁接縫處峰值產生的原因主要是剛構橋梁的2號橋墩比3號橋墩高出47 m，2號橋墩也比1號橋墩高27 m，所以在左側橋臺處的峰值是3個峰值中最大的一個。

同時考慮橋墩及梁體升溫15 ℃和單獨梁體升溫15 ℃時，其鋼軌受力如圖6及表2所示。

圖6 梁體與橋墩同時升溫與梁體單獨升溫時的鋼軌縱向力

從圖6及表2的計算結果中可以看出，鋼軌的最大附加壓力位于左側橋臺位置處，橋墩是否升溫對鋼軌縱向力影響不大。橋墩的升溫降低了2座橋梁縫處的鋼軌壓力值，鋼軌壓力從584.95 kN降低到556.60 kN，降低了4.85%，可以認為橋墩的升溫對鋼軌受力的影響是有利的。因此，在高墩大跨橋上無縫線路鋼軌受力計算中可以不考慮這種有利的影響。對于橋梁專業，由于橋墩的升溫大大增加了橋墩的受力，在為橋梁專業提供相應的墩臺力時，建議將橋墩及梁體的整體升溫工況納入考慮的范圍內。

表2 墩底縱向力比較

通過上述分析，在鋼軌受力方面不需要考慮橋墩溫度變化，但是需要研究橋墩溫度變化對線路高低不平順的影響，下面以橋墩整體升溫為例分析在橋墩升溫溫度為5 ℃、10 ℃、20 ℃及30 ℃等工況下的線路高低不平順，計算結果如圖7～圖9所示。

圖7 不同升溫幅度下10 m弦軌向不平順值

圖8 不同升溫幅度下30 m弦隔5 m校核值

圖9 不同升溫幅度下300 m弦隔150 m校核值

從圖7計算結果看出，隨著橋墩溫度的升高，其造成的鋼軌高低不平順矢度也增加，并且不平順矢度最大值成線性增加，橋墩溫度從10 ℃增加到20 ℃，再增加到30 ℃，其不平順的最大值從0.26 mm增加到0.52 mm，再增加到0.78 mm。當橋墩整體升溫達到30 ℃時仍未超出限值2 mm。從圖8計算結果看出，左、右橋臺是中波不平順峰值的位置，在橋墩溫度變化達到30 ℃，中波不平順仍未超出限值，從圖9可以看出，橋墩溫度變化達到20 ℃時，其產生長波不平順[13]最大值為10.1 mm，開始出現輕微超限現象。

線路的豎向變形不僅與橋墩的溫度變化有關，還與橋墩的高度相關，下面以剛構橋的2個橋墩為例，保持靠近右橋臺處的橋墩高度變化，改變靠近左橋臺的橋墩的高度，得到在15 ℃時不同橋墩高度差下的軌道高低不平順計算結果，如圖10～圖12所示。

圖10 不同橋墩高度差下10 m弦軌向不平順

圖11 不同橋墩高度差下30 m弦隔5 m校核值

圖12 不同橋墩高度差下300 m弦隔150 m校核值

從圖10～圖12計算結果看出，剛構橋橋墩高度差對軌道豎向不平順的影響仍然主要是集中在長波上，并且影響范圍也僅在橋墩改變的一聯梁范圍內，對于本文計算的橋梁，當橋墩高度差大于80 m時長波不平順出現超限現象。

4 結論及建議

本文針對高墩大跨橋梁橋墩升溫對無縫線路的影響這一問題，利用Ansys有限元模型進行了計算，得到以下結論。

(1)橋墩升溫對橋墩受力影響較小，對鋼軌縱向力影響也不大，故在高墩大跨橋上無縫線路鋼軌受力計算中可以不考慮橋梁升溫的影響。

(2)橋墩溫度變化引起的線路豎向不平順主要為長波不平順，在橋墩溫度達到20 ℃時出現輕微的超限現象，同時其是否超限還與相鄰橋墩的高度差有關，當橋墩溫度變化為15 ℃時，對于本文所選擇的跨度橋，鄰墩的高度差超過80 m時，其對應的長波不平順超限。

(3)建議對于高墩大跨橋梁在進行檢算時，不考慮橋墩整體溫度變化對線路受力的影響，但需要對橋墩變形引起的軌向豎向不平順進行檢算，以滿足規范對橋上無縫線路驗收的需要。

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Influence of Pier Temperature Increase on Jointless Track of Large-Span Bridge with High-Pier

ZHANG Meng-nan1， HU Zhi-peng1， WU Yu-bin2， WANG Ping1

(1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China； 2.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The rising of temperature of pier of large-span bridge with high-pier under solar radiation will lead to vertical displacement on the top of pier. This paper addresses the influence of this vertical displacement on jointless track by analyzing the stress and displacement of jointless tack under the rising temperature of high pier with an integrative line-bridge-pier finite element model. The calculation results show that the force is very small when pier temperature rises， and the vertical track irregularity caused by temperature variation of pier is of mainly long wave. It is suggested that the overall influence of pier temperature variation on jointless track is not necessarily to be considered， but the vertical track irregularity caused by pier deformation shall be checked so as to meet the requirements of the standard for the acceptance of jointless track on bridge．

Large-span bridge with high-pier; Pier temperature rise; Jointless track; Track regularity

2013-12-11

張夢楠(1990—)，女，碩士研究生。

1004-2954(2014)09-0032-04

U213.9

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.008