橋墩溫度荷載對高墩大跨橋上無砟軌道無縫線路的影響研究

羅華朋，馬旭峰，肖杰靈，王平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

橋墩溫度荷載對高墩大跨橋上無砟軌道無縫線路的影響研究

羅華朋，馬旭峰，肖杰靈，王平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

在高墩大跨橋梁中，由于夏季太陽輻射作用混凝土結構會出現膨脹，橋墩整體升溫會導致墩頂豎向位移增加，從而引起橋上無縫線路縱向附加力和鋼軌豎向位移。為研究橋墩整體升溫對無砟軌道中軌道部件受力和變形的影響，基于梁軌相互作用原理，利用有限元方法，建立線—橋—墩一體化模型，分析高墩大跨橋墩升溫條件下橋上無砟軌道無縫線路的受力以及平順性。計算結果表明:橋墩整體升溫對鋼軌的縱向力、梁軌相對位移、凸臺樹脂變形和凸臺受力的影響均很小，在無縫線路設計和檢算時可以不考慮其對鋼軌強度的影響，但會引起線路豎向不平順，且主要是長波不平順。

高墩大跨連續剛構 橋墩升溫 無縫線路 無砟軌道

1 模型的建立

本文分析高墩大跨連續剛構橋橋墩受整體溫度荷載作用下軌道各部件的受力、變形規律以及對線路不平順的影響［1-3］。以CRTSⅠ型板式無砟軌道為研究對象，高墩大跨連續剛構橋無砟軌道無縫線路主要由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿充填層、底座板、凸形擋臺、樹脂填充層、橋梁梁體、橋墩等組成［4］。依據梁軌相互作用原理，建立橋墩升溫的線—橋—墩一體化模型。鋼軌選用梁單元模擬，根據鋼軌的截面積、慣性矩以及扭轉彎矩等參數，按實際截面屬性建模。扣件采用非線性彈簧單元模擬，扣件的阻力和剛度值均根據實測值選取。考慮到梁體、橋墩控制截面是漸變的及橋墩整體溫度的變化和縱橫向溫度梯度作用，梁體和橋墩均用Beam 188單元模擬。CA砂漿層、樹脂層采用非彈性彈簧單元Combin39模擬，CA砂漿層考慮了縱向阻力、橫向阻力和垂向剛度，樹脂層僅考慮縱橫向阻力［5-6］。計算橋型采用在連續梁兩端各布置5跨32 m簡支梁，即5×32 m+(89+189+89)m+5×32 m連續剛構橋梁，在橋梁左右橋臺外側分別建立150 m的路基段用以消除計算模型中的邊界效應。線—橋—墩一體化模型如圖1所示。

圖1 計算模型示意

2 梁體及軌道板升溫條件下軌道各部件的受力、變形分析

全橋鋪設常阻力扣件，整體式單元板摩阻力取為6.3 kN/m，極限位移取為0.2 mm。樹脂強度取線性剛度為80 kN/mm。依據《鐵路無縫線路設計規范》，對于無砟軌道橋上無縫線路，在計算無縫線路伸縮附加力時對橋梁梁體和軌道板施加的溫度荷載Δt= 30℃。計算得到的鋼軌伸縮附加力、各部件的縱向位移、梁軌及板軌相對位移、凸形擋臺縱向力、凸形擋臺樹脂壓縮量如圖2所示。各部件受力和變形最大值見表1。圖2中樹脂變形正值表示離縫，負值表示壓縮。

圖2 梁體及軌道板升溫條件下計算結果

表1 梁體、軌道板同時升溫條件下軌道各部件受力和變形最大值

從圖2可以看出，鋼軌伸縮附加力最大值發生在剛構橋的左側梁端處。因軌道板與CA砂漿間的摩擦阻力不足以完全阻止軌道板與橋梁間的相對位移，凸形擋臺周圍樹脂會承受縱向力而變形，其最大縱向力同樣出現在剛構橋的左側梁端處，樹脂的最大壓縮或離縫也發生在此部位。板軌相對位移最大值為16.361 mm，未超過規范規定的限值(70 mm)。樹脂壓縮量最大值為2.530 mm，樹脂離縫最大值為2.562 mm，未超過規范規定限值(3 mm)。經過計算可知凸臺所受縱向力及樹脂的壓縮量只與單元板上的扣件縱向力、板下摩阻力有關，而與橋梁溫度無關。這說明CRTSⅠ型板式無砟軌道結構適合在大跨度橋梁上鋪設。

3 橋墩整體升溫條件下軌道各部件的受力、變形分析

在高墩大跨橋梁中，橋墩升溫會帶來墩頂豎向位移，從而引起橋上無縫線路的縱向附加力［7］。在本文所舉橋例中，由于橋臺和簡支梁橋橋墩高度較低，其自身在溫度荷載作用下的變形很小，因此不考慮兩者的溫度變化。以1#和2#鋼構橋墩溫度改變15℃為例進行計算，結果如圖3所示，墩頂位移和墩底豎向力見表2。從圖3及表2中可知，剛構橋雖然左右對稱，在左右梁端處鋼軌縱向力的大小存在差異，這是由兩橋墩高度差引起的。由橋墩整體升溫所引起的鋼軌縱向力、梁軌相對位移、凸臺縱向力、樹脂變形均非常小，可以忽略不計。同時，由于橋墩的豎向剛度很大，墩底所受豎向力不會對橋墩產生較大影響。

從上面的分析中可以看出雖然橋墩的整體升溫對線路的強度影響很小，但是對鋼軌的豎向變形影響很大，其中最大的鋼軌豎向位移為14.64 mm，因此橋墩升溫會造成線路的高低不平順。根據《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2009)，用弦測法計算線路的高低不平順，采用10 m弦不平順矢度不超過2 mm，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［6］。計算結果如圖4所示。

圖3 橋墩整體升溫時計算結果

表2 墩頂位移和墩臺力計算結果

從圖4可以看出，10 m弦的矢度最大值(短波不平順)為0.53 mm，小于規范限值(2 mm);30 m弦隔5 m校核最大值(中波不平順)為0.69 m，小于規范限值(2 mm);300 m弦隔150 m校核最大值(長波不平順)為9.20 m，小于規范限值(10 mm)。雖然長波不平順未超過規范限值，但已十分接近，可見橋墩升溫主要影響線路豎向的長波不平順。

圖4 線路不平順計算結果

橋墩、梁體和軌道板同時升溫及梁體和軌道板升溫2種工況時，軌道各部件的受力和變形對比如圖5，墩底縱向力見表3。

表3 2種工況墩底縱向力kN

從圖5和表3中可以看到，整體升溫時鋼軌的最大縱向附加力仍位于連續剛構橋的左端，與梁體和軌道板升溫工況相比，幾乎沒有變化。同樣梁軌相對位移、凸臺樹脂變形、凸臺縱向力的變化也均較小，對于橋墩墩臺的受力還有微弱的降低作用。

上述橋墩升溫對線路不平順影響的分析主要是針對長波不平順，且橋墩升溫為15℃。有必要分析橋墩不同升溫條件對線路高低不平順的影響。橋墩升溫15，20，25，30℃等工況下的線路不平順計算結果見圖6。

圖5 2種工況計算結果對比

圖6 橋墩不同升溫條件下線路不平順計算結果

從圖6可知，隨著橋墩溫度的升高，線路不平順不斷增加。短波、中波不平順在橋墩整體升溫達到30℃時仍未超過規定限值(2 mm)，當升溫達到20℃時，線路長波不平順超過規定限值(10 mm)。

由于橋墩高度等原因，高墩大跨橋梁橋墩剛度不可能很大，因此有必要研究橋墩剛度變化時橋墩整體升溫引起的線路不平順［8］。計算中主要考慮了橋墩剛度為原始剛度的0.1，0.5，1.0，2.0倍4種工況，鋼軌豎向位移計算結果如圖7所示。

從圖7中可知，對于不同的橋墩剛度，橋墩整體升溫所引起的鋼軌豎向位移最大值為14.749 mm，最小值為14.687 mm，兩者相差極小。由于橋墩剛度的變化所引起的線路不平順變化非常小。同樣，橋墩剛度的變化對軌道部件受力和變形的影響也較小。

圖7 不同剛度條件下橋墩升溫引起的鋼軌豎向位移

4 結論及建議

1)對于高墩大跨橋上無縫線路的設計，需要考慮橋墩升溫這種特殊荷載的作用。對高墩大跨橋上無縫線路進行設計和檢算時，不能僅檢算橋上無縫線路的強度和穩定性，還需要考慮橋上無縫線路在特殊荷載作用下造成的不平順是否超過規定限值。

2)橋墩整體升溫對鋼軌縱向力、凸臺樹脂的變形、凸臺縱向力、墩頂位移產生的影響均很小，建議對于高墩大跨橋上無砟軌道無縫線路的檢算，不考慮橋墩整體升溫對鋼軌強度的影響。

3)橋墩整體升溫會引起鋼軌的豎向位移，從而造成線路豎向不平順，且主要集中在長波范圍內。橋墩升溫15℃且有砟軌道梁體升溫相同時，線路的短波、中波、長波高低不平順均不會超過規范限值。橋墩升溫20℃且無砟軌道梁體升溫相同時，線路的長波高低不平順會超過規范限值。

4)橋墩剛度變化時，橋墩升溫對軌道部件受力和變形影響很小，線路不平順的變化也較小，可以忽略不計。

［1］劉浩.風荷載對高墩大跨橋梁橋上無縫線路的影響［J］.鐵道建筑，2013(12):15-18.

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［3］李陽春.橋墩溫差荷載作用下橋上無縫線路鋼軌附加力研究［J］.鐵道建筑，2008(2):6-9.

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［6］全順喜.高速道岔幾何不平順動力分析及其控制方法研究［D］.成都:西南交通大學，2012:83-85.

［7］李秋義.橋墩溫差荷載引起的橋上無縫線路鋼軌附加力［J］.中國鐵道科學，2007(4):50-54.

［8］朱浩.連續剛構橋橋墩剛度對橋上無縫線路的影響［J］.鐵道建筑，2014(1):109-111.

(責任審編李付軍)

U213.9

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.33

1003-1995(2015)06-0127-05

2014-09-16;

2014-10-25

中央高校基本科研業務費資助項目(SWJTU12CX079)

羅華朋(1991—)，男，安徽濉溪人，碩士研究生。