溫度對(duì)高速鐵路高墩橋梁行車(chē)影響分析與研究

徐 旭

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

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溫度對(duì)高速鐵路高墩橋梁行車(chē)影響分析與研究

徐 旭

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

高速鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)安全和行車(chē)安全性、平順性是基本要求，而不同溫度條件下，由于混凝土結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮引起橋梁橋面高程變化會(huì)對(duì)高鐵行車(chē)造成一定的影響。文章通過(guò)對(duì)相關(guān)案例的分析與研究，判斷不同溫度條件對(duì)高墩橋梁的影響，可供類(lèi)似工程參考。

溫度； 高速鐵路高墩橋梁； 行車(chē)影響

1 橋梁設(shè)計(jì)概況

橋梁設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為250 km/h，采用無(wú)砟軌道，孔跨布置為(6×32+72+128+72) m連續(xù)剛構(gòu)+(5×32+2×24) m，墩高14～85 m，全橋基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。

2 溫度對(duì)橋梁橋面高程的影響

2014年7月大橋在聯(lián)調(diào)聯(lián)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分CPⅢ測(cè)點(diǎn)高程與提供的軌道精調(diào)前首次復(fù)測(cè)成果不吻合，2014年8月7日對(duì)大橋的CPⅢ網(wǎng)進(jìn)行再次復(fù)測(cè)確認(rèn)，從兩次復(fù)測(cè)對(duì)比來(lái)看高程差呈規(guī)律變化，在墩身較高處的高差較大，在最高墩身(8號(hào)墩身高度為85 m)處達(dá)7.2 mm(表1)。

表1 CPⅢ高程成果對(duì)比

根據(jù)后續(xù)觀測(cè)，2014年9月4日至12月19日橋面豎向變形最大值為27.39 mm，發(fā)生在主跨跨中。2014年10月28日與2015年10月29日的橋面豎向變形基本相當(dāng)。2015年10月29日主跨中部豎向變形為14.1 mm。根據(jù)對(duì)橋面的觀測(cè)，一年中從9月至12月橋面基本呈規(guī)律的向下變形，且隨氣溫降低，豎向變形越大。7#、8#墩豎向變形值與后述溫度變化20℃的豎向變形計(jì)算值基本相當(dāng)。

3 分析與研究

3.1 大橋溫度效應(yīng)下橋梁變形

根據(jù)TB 10002.1-2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》附錄F.1、F.2可查得橋址處1月份平均氣溫6℃，7月份平均氣溫26℃。在溫度變化20℃情況下，大橋各墩豎向變形值見(jiàn)表2。

表2 溫度效應(yīng)下橋墩豎向變形值

3.2 軌道平順性分析

3.2.1 CP Ⅲ高程變化影響分析

根據(jù)CP Ⅲ高程變化數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)砟軌道平順性進(jìn)行了分析(表3)。

表3 靜態(tài)高低值統(tǒng)計(jì) mm

3.2.2 20℃溫差橋墩高程變化影響分析

根據(jù)溫差20℃情況下橋梁墩臺(tái)線性膨脹后高程變化值對(duì)無(wú)砟軌道平順性進(jìn)行了分析(表4)。

3.2.3 小結(jié)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，大橋墩臺(tái)高程變化對(duì)無(wú)砟軌道短波不平順影響較小，10 m弦和30 m基線長(zhǎng)波不平順均能夠滿足軌道安全性的要求。對(duì)影響舒適性的300 m基線長(zhǎng)波不平順影響相對(duì)較大，20℃溫差溫度效應(yīng)下墩臺(tái)高程理論變化值長(zhǎng)波不平順為12.95 mm。

表4 靜態(tài)高低值統(tǒng)計(jì) mm

3.3 車(chē)-橋耦合動(dòng)力分析

大橋梁部設(shè)計(jì)時(shí)，已考慮墩身發(fā)生10 mm不均勻沉降對(duì)梁體受力的影響、且考慮了年溫度變化下的梁體受力，因此，上述墩高不同對(duì)梁體的受力是有保證的。

由于墩高不同，在溫度荷載效應(yīng)下，引起橋面的起伏，在20℃溫度效應(yīng)下，相鄰墩臺(tái)最大豎向位移差為8.2 mm，跨中最大豎向位移為25 mm，造成的軌面不平順，采用車(chē)-橋耦合動(dòng)力分析程序，分析了橋上列車(chē)運(yùn)行安全性、平順性。

3.3.1 橋梁振動(dòng)性能

CRH3動(dòng)車(chē)組以速度250～300 m/h運(yùn)行時(shí)，橋墩正常情況下，簡(jiǎn)支梁跨中的橫向和豎向振動(dòng)位移最大值分別為0.472 mm、1.396 mm，橫向和豎向振動(dòng)加速度最大值分別為0.043 m/s2和0.867 m/s2；考慮橋墩溫差效應(yīng)情況下，簡(jiǎn)支梁跨中的橫向和豎向振動(dòng)位移最大值分別為0.474 mm、1.398 mm，橫向和豎向振動(dòng)加速度最大值分別為0.045 m/s2和0.870 m/s2；橋墩正常情況下，連續(xù)梁跨中的橫向和豎向振動(dòng)位移最大值分別為0.465 mm、4.385 mm，橫向和豎向振動(dòng)加速度最大值分別為0.040 m/s2和0.119 m/s2；考慮橋墩溫差效應(yīng)情況下，連續(xù)梁跨中的橫向和豎向振動(dòng)位移最大值分別為0.466 mm、4.390 mm，橫向和豎向振動(dòng)加速度最大值分別為0.039 m/s2和0.120 m/s2；。

由此可見(jiàn)，在溫度變化20℃的計(jì)算條件下，大橋各墩產(chǎn)生豎向變形對(duì)列車(chē)作用下橋梁的動(dòng)力響應(yīng)影響很小，墩臺(tái)豎向變形尚未加劇橋梁的振動(dòng)。無(wú)論橋梁正常、還是橋墩豎向變形工況，橋梁的振動(dòng)性能均完全滿足規(guī)范限值要求。

3.3.2 列車(chē)運(yùn)行安全性

在溫度變化20℃情況下，橋墩發(fā)生豎向變形，車(chē)輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、車(chē)體橫向力等計(jì)算結(jié)果，均滿足安全要求，橋墩的豎向變形對(duì)列車(chē)的行車(chē)安全性影響很小。

3.3.3 列車(chē)運(yùn)行舒適性

在溫度變化20℃情況下，橋墩發(fā)生豎向變形，車(chē)體橫向、豎向加速度，車(chē)體橫向、豎向Sperling指標(biāo)等計(jì)算結(jié)果，均滿足舒適性要求。

在溫度變化20℃情況下，橋墩發(fā)生豎向變形對(duì)列車(chē)運(yùn)行橫向舒適性影響很小，對(duì)列車(chē)運(yùn)行豎向舒適性影響也有限。

4 案例小結(jié)

(1)橋面CP Ⅲ高程變化的主要原因是溫度效應(yīng)下橋墩線性膨脹。

(2)橋梁梁部在設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮了發(fā)生10 mm不均勻 沉降對(duì)梁體受力的影響，且考慮了年溫度變化下梁體受力，溫度效應(yīng)下橋墩高程變化對(duì)梁體的受力是有保證的。

(3)溫度效應(yīng)下橋面高程變化對(duì)無(wú)砟軌道短波不平順影響較小，能夠滿足行車(chē)安全性的要求；300 m基線長(zhǎng)波不平順對(duì)舒適性有一定的影響。

(4)無(wú)砟軌道可以按設(shè)計(jì)高程進(jìn)行精調(diào)，選擇在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行二次精調(diào)能確保300 m基線長(zhǎng)波不平順滿足要求。

5 啟發(fā)

高速鐵路高墩橋梁設(shè)計(jì)，除常規(guī)的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)著重注意以下幾個(gè)方面的影響：

(1)充分考慮不均勻沉降對(duì)連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)的影響，保證結(jié)構(gòu)安全。

(2)進(jìn)行車(chē)-線-橋耦合振動(dòng)分析，控制橋面高程變化對(duì)橋上高鐵車(chē)輛走行的安全性和平順性。

(3)橋上軌道需要預(yù)留有足夠的調(diào)整空間，確保在橋面高程變化時(shí)不影響平順性。

在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中做好了以上三點(diǎn)，那么不同溫度條件下，由于高墩混凝土熱脹冷縮引起的橋面高程變化，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全性、橋面高鐵車(chē)輛走行的安全性和平順性的影響都是可以控制的。

徐旭(1983～)，男，本科，工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。

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[定稿日期]2017-03-21