大跨度無砟軌道簡支鋼桁梁橋溫度效應(yīng)研究

李 輝,金 令

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 研究背景

官廳水庫特大橋是京張高鐵控制性工程之一。大橋位于京張高鐵350 km/h無砟軌道區(qū)段，且跨越北京市一級水源保護(hù)區(qū)—官廳水庫庫區(qū)，技術(shù)難度大，環(huán)保要求高。

官廳水庫特大橋主橋設(shè)計(jì)中采用8孔108 m簡支曲弦鋼桁梁。簡支結(jié)構(gòu)、多孔跨布置形式，避免了軌道伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置，減少了后期運(yùn)營維護(hù)的工作量；而且變高曲弦桁式，不僅景觀效果好，同時(shí)又符合簡支梁的受力特點(diǎn)，用較小的用鋼量獲得了較大的結(jié)構(gòu)剛度[1-2]。大橋靜活載計(jì)算撓度31.8 mm，撓跨比1/3 396，每孔簡支鋼梁用鋼量為1 818 t，平均每延米用鋼量僅16.5 t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

根據(jù)調(diào)研，之前國內(nèi)已建成通車的高速鐵路大跨度無砟軌道簡支鋼梁僅有2座，分別為2009年底通車的武廣高鐵(時(shí)速350 km)汀泗河特大橋1孔140 m下承式簡支鋼箱系桿拱橋[3]和2017年底通車的西成客專(時(shí)速250 km)跨西寶客專特大橋1孔132 m簡支鋼桁梁[4]。而在350 km/h無砟軌道線路中采用多孔大跨度簡支鋼梁形式國內(nèi)外尚屬首次。

與混凝土橋梁相比，大跨度鋼桁梁具有輕質(zhì)、環(huán)保、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其對環(huán)境溫度較為敏感，橋梁結(jié)構(gòu)的幾何線形和內(nèi)力狀態(tài)等均和溫度變化密切相關(guān)，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于高速鐵路無砟軌道線路時(shí)，對其溫度效應(yīng)的研究將比以往更為重要。

目前，TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對于溫度荷載的取值規(guī)定較為簡單，僅規(guī)定了鋼橋應(yīng)考慮歷年極端最高和最低氣溫，混凝土橋按照所在地區(qū)的最高和最低月平均氣溫和混凝土結(jié)構(gòu)式樣、尺寸等確定構(gòu)件的計(jì)算溫度。JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》給出了鋼橋面板鋼橋和混凝土橋面板鋼橋的有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值和結(jié)合梁的豎向梯度溫度取值，但對于鋼桁梁的溫度荷載取值標(biāo)準(zhǔn)并未提及。

國內(nèi)外關(guān)于上部結(jié)構(gòu)溫度場的研究中多以混凝土梁[5]、鋼-混結(jié)合梁[6-8]和鋼箱梁[9]等構(gòu)造形式為主，對鋼桁梁進(jìn)行的溫度場和溫度效應(yīng)的研究還較少。而且針對鋼桁梁溫度場[10-12]的研究基本上都是為施工中的結(jié)構(gòu)線形控制服務(wù)的，溫度場測量數(shù)據(jù)大多過于復(fù)雜，且因橋梁所處的地理位置、橋梁方位等因素的不同而具有較大差別，對于設(shè)計(jì)的實(shí)際指導(dǎo)意義并不強(qiáng)。因此，有必要以本橋?yàn)橐劳虚_展高速鐵路無砟軌道鋼桁梁橋溫度效應(yīng)研究，提出適宜的溫度荷載模式，為今后無砟軌道鋼桁梁橋設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。建成后的京張高鐵官廳水庫特大橋見圖1。

圖1 京張高鐵官廳水庫特大橋主橋?qū)嵕?/p>

2 結(jié)構(gòu)概況

京張高鐵官廳水庫特大橋主橋鋼桁梁單跨梁長 109.7 m，支點(diǎn)跨度108 m，桁高11～19 m，桁寬13.8 m，節(jié)間長10.8 m。主桁弦桿均采用箱形截面，腹桿部分采用箱形截面、部分采用H形截面。端斜桿為箱形截面，各桿件根據(jù)需要設(shè)置加勁肋。主桁上、下弦桿節(jié)點(diǎn)均采用整體節(jié)點(diǎn)形式。簡支曲弦鋼桁梁立面見圖2。

圖2 108 m簡支曲弦鋼桁梁立面(單位：mm)

橋面系采用正交異性鋼橋面板，鋼橋面板上鋪設(shè)20 cm厚混凝土板，其上鋪設(shè)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。簡支曲弦鋼桁梁橋面系斷面見圖3。

圖3 108 m簡支曲弦鋼桁梁橋面系斷面(單位：mm)

橋面系橫梁均采用倒T形截面，分為端支點(diǎn)橫梁、節(jié)點(diǎn)橫梁及節(jié)間橫梁。每線鐵路下設(shè)2道倒T形截面縱梁。鋼橋面板板厚16 mm，縱向采用U形加勁肋和板式加勁肋。在鋼橋面板上緣布置剪力釘，用于鋼橋面板與混凝土橋面板的連接，橋面板混凝土采用工地現(xiàn)澆施工。

3 橋址氣象條件

橋址區(qū)屬于寒溫帶半干旱性氣候區(qū)，冬季漫長寒冷干燥，夏季多雷雨，春秋多風(fēng)沙。年平均氣溫10.5 ℃，最熱月平均氣溫25.3 ℃，最冷月平均氣溫-6.7 ℃；極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-21.7 ℃；全年平均風(fēng)速約2.6 m/s，最大風(fēng)速為24.0 m/s[13]。

4 溫度荷載取值及其作用下的結(jié)構(gòu)豎向變形分析

TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性好，對溫度變化較靈敏，故溫度取值應(yīng)考慮歷年極端最高和最低氣溫；而混凝土結(jié)構(gòu)因本身導(dǎo)熱性較差，故對尺寸較大的構(gòu)件，其內(nèi)部溫度還是接近于該地區(qū)的月平均氣溫。本橋?yàn)楦咚勹F路無砟軌道橋梁，混凝土橋面板上方設(shè)置有混凝土防水層、保護(hù)層、電纜槽、軌道底座板等橋面附屬結(jié)構(gòu)，可以起到保溫隔熱的作用，因此設(shè)計(jì)中混凝土橋面板的溫度取值可按該地區(qū)的最低和最高月平均氣溫考慮。

根據(jù)規(guī)范要求，溫度模式①取值如下：平均溫度10.5 ℃，鋼結(jié)構(gòu)最大整體升降溫±32 ℃(最高溫度42.5 ℃，最低溫度-21.5 ℃)，混凝土橋面板最大升降溫±17 ℃(最高溫度27.5 ℃，最低溫度-6.5 ℃)，鋼混結(jié)構(gòu)最大溫差±15 ℃。溫度模式①作用下梁體豎向位移如表1所示。

表1 溫度模式①作用下梁體豎向位移計(jì)算值 mm

通過對橋梁結(jié)構(gòu)斷面布置形式分析可知，上述溫度模式和實(shí)際情況有較大偏差。首先，混凝土橋面板和正交異性鋼橋面板密貼布置，兩者之間不可能存在15 ℃的溫差。根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》豎向梯度溫度取值圖形和北京工業(yè)大學(xué)陳彥江等《鋼-混凝土組合梁橋溫度場及溫度效應(yīng)研究》[6]的研究成果，并考慮到高速鐵路無砟軌道鋼桁梁橋面鋼板被下弦桿和混凝土橋面板遮擋和覆蓋的實(shí)際情況，可以認(rèn)為本橋的鋼橋面板和混凝土橋面板采用相同的溫度取值是合理的。其次，鋼桁梁下弦桿和鋼橋面板整體焊連，如仍采用與上弦桿和腹桿相同的溫度取值也不盡合理，因此在設(shè)計(jì)中對于下弦桿的溫度取值根據(jù)腹桿和混凝土板的溫度差值適當(dāng)進(jìn)行了折減。

根據(jù)上述分析，在設(shè)計(jì)中引入了溫度模式②：橋面系鋼結(jié)構(gòu)與混凝土橋面板采用混凝土構(gòu)件溫度(極限值為最低和最高月平均氣溫)、上弦桿及腹桿采用環(huán)境溫度(極限值為歷年極端最低和最高氣溫)、下弦桿溫度根據(jù)混凝土橋面板和腹桿溫差在腹桿構(gòu)件溫度基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)折減的溫度取值模式。溫度模式②不同取值及其作用下梁體豎向位移如表2所示。

表2 溫度模式②取值及其作用下梁體豎向位移計(jì)算值

圖4、圖5分別為京張高鐵官廳水庫特大橋主橋在混凝土橋面板等部分橋面附屬施工完成后233號～234號墩間鋼桁梁在溫度荷載作用下的線路左側(cè)和線路右側(cè)的橋面豎向變形實(shí)測數(shù)據(jù)。

圖4 京張高鐵官廳水庫特大橋233號～234號墩間鋼桁梁線路左側(cè)跨中溫度變形實(shí)測值

圖5 京張高鐵官廳水庫特大橋233號～234號墩間鋼桁梁線路右側(cè)跨中溫度變形實(shí)測值

將表1、表2兩個(gè)溫度模式計(jì)算結(jié)果與圖4中的施工單位豎向位移實(shí)測結(jié)果對比分析可知：

(1)溫度模式①中，橋面結(jié)構(gòu)的跨中計(jì)算位移僅為±2.2 mm，與實(shí)測數(shù)值差別較大；

(2)溫度模式②中，當(dāng)白天上弦鋼結(jié)構(gòu)溫度(近似于氣溫)比每天夜間穩(wěn)定溫度高10 ℃時(shí)，計(jì)算跨中上拱7.7 mm，與實(shí)測上拱值7～8 mm基本一致；當(dāng)白天上弦鋼結(jié)構(gòu)溫度(近似于氣溫)比每天夜間穩(wěn)定溫度高15 ℃時(shí)，計(jì)算跨中上拱值為11.5 mm；

(3)溫度模式②計(jì)算變形值與實(shí)測數(shù)值基本吻合，因此溫度模式②可作為橋面形式為正交異性鋼橋面+混凝土橋面板的鋼桁梁橋溫度荷載計(jì)算模式。

5 無砟軌道曲弦鋼桁梁溫度變形對軌道施工、驗(yàn)收及運(yùn)營安全的影響分析

(1)對于整體升降溫來說，鋼梁產(chǎn)生的豎向變形較小，對軌道平順性影響很小。

(2)由于大跨度鋼橋?qū)Νh(huán)境溫度變化較為敏感，溫度變化對軌道幾何尺寸影響較大，因此，此類橋梁應(yīng)選擇在溫度較穩(wěn)定的夜間進(jìn)行軌道鋪軌、精調(diào)及驗(yàn)收工作。

(3)根據(jù)計(jì)算可知，本橋在最不利溫度場作用下每孔110 m簡支曲弦鋼桁梁跨中計(jì)算最大變形值為±11.5 mm。

為保證行車安全，在設(shè)計(jì)中將溫度變形值±15 mm作為不平順數(shù)值加入不平順譜中進(jìn)行車橋耦合分析計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行情況可知，在該溫度變形條件下，本橋動力分析各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

以京張高鐵官廳水庫特大橋108 m簡支曲弦鋼桁梁為依托，開展鋼桁梁橋溫度效應(yīng)及其對高速鐵路無砟軌道的適應(yīng)性研究，得出以下結(jié)論。

(1)按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的溫度荷載取值模式，對無砟軌道鋼桁梁橋進(jìn)行溫度變形計(jì)算時(shí)，與實(shí)測數(shù)值偏差較大。

(2)設(shè)計(jì)中提出了橋面系鋼結(jié)構(gòu)與混凝土橋面板采用混凝土構(gòu)件溫度(極限值為最低和最高月平均氣溫)、上弦桿及腹桿采用環(huán)境溫度(極限值為歷年極端最低和最高氣溫)、下弦桿溫度根據(jù)混凝土橋面板和腹桿溫差在腹桿構(gòu)件溫度基礎(chǔ)上折減20%的溫度取值模式，通過對不同環(huán)境溫度的試算，其計(jì)算的溫度變形值與實(shí)測數(shù)值符合良好，建議將該溫度模式作為橋面形式為正交異性鋼橋面板+混凝土橋面板的鋼桁梁橋的溫度荷載計(jì)算模式。

(3)由于大跨度鋼橋?qū)Νh(huán)境溫度變化較為敏感，溫度變化對軌道幾何尺寸影響較大，因此此類橋梁應(yīng)選擇在溫度較穩(wěn)定的夜間進(jìn)行軌道鋪軌、精調(diào)及驗(yàn)收工作。

(4)設(shè)計(jì)中應(yīng)將最不利溫度場作用下鋼桁梁跨中計(jì)算最大變形值與線路不平順譜進(jìn)行疊加后，進(jìn)行車橋耦合分析計(jì)算，保證高速鐵路的行車安全。

依托中國中鐵股份有限公司重大專項(xiàng)課題(2016-重大專項(xiàng)-02)的子課題3-大跨度拱形鋼桁梁關(guān)鍵技術(shù)研究成果，京張高鐵官廳水庫特大橋設(shè)計(jì)中首次采用了多孔大跨無砟軌道簡支鋼桁梁的結(jié)構(gòu)形式，是目前世界上運(yùn)營速度最高、規(guī)模最大的無砟軌道簡支鋼桁梁橋[14]。大橋的修建提升了我國在高速鐵路無砟軌道鋼橋技術(shù)領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位，其研究成果將為規(guī)范修編和今后的無砟軌道鋼桁梁橋設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。