橋梁溫度分布對無縫線路變形特性的影響分析

何建平,馮青松,吳 琛,許晨霄

(1.中國鐵路南昌局集團有限公司南昌高鐵維修段,南昌 330100； 2.華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

隨著我國高速鐵路的快速發展，無砟軌道以高穩定性、高平順性和少維修的特點成為其主要軌道結構形式。因我國地形條件的限制高速列車運行高平順性要求，高速鐵路多采用以橋代路的方式，橋梁暴露在自然環境中，由于太陽照射角度和混凝土材料熱傳導性能差等原因，橋梁內部將產生一定的不均勻溫差，影響軌道結構的耐久性和平順性[1-2]。

諸多學者針對橋上無縫線路展開了大量研究[3-7]。此外，陳嶸[8]等系統研究了溫度荷載作用下CRTSⅡ型板式無砟軌道的梁軌相互作用規律及其影響因素；劉鈺[9]、吳斌[10]等針對CRTSⅡ型板式無砟軌道，分析了軌道各結構層溫度場的分布及變化規律；戴公連等[11]提出適用于我國東南地區CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構的夏季橫、豎向溫度梯度擬合模式，并基于長期的測量數據，分析了大跨度連續梁橋上縱向連續板式軌道的縱向受力特征[12]；趙虎[13]分析了軌道結構整體溫升與溫度梯度荷載下的溫度變形特征和損傷機理；朱勝陽[14]等分析了CRTSⅡ型板式軌道溫度變化引起的界面損傷情況；張鵬飛[15]等分析了豎向、橫向溫度梯度荷載作用下多跨簡支梁橋上無縫線路的受力與變形特性；劉克旭[16]分析了橋梁溫度梯度、溫度荷載組合和極端溫度下軌道結構的受力變形規律；馮青松[17]等以簡支梁橋上CRTSⅢ型板式無砟軌道無縫線路為研究對象，分析了橋梁在均勻溫度荷載與不均勻溫度荷載作用下無縫線路的受力與變形情況，并考慮對幾何形位的影響；朱禹[18-19]等分析了橋梁均勻溫度荷載和溫度梯度荷載對高低和水平不平順的影響。通過上述分析可知，既有研究中關于橋上無縫線路軌道幾何形位的研究相對較少，且大部分僅考慮均勻溫差和不均勻溫差，或僅研究溫梯荷載對某單一不平順的影響，缺乏系統性研究，并且無針對大跨度連續梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的研究。因此，系統分析橋梁溫度分布對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道無縫線路力學特性和軌道幾何形位的影響具有重要工程意義。

針對既有研究的不足，以大跨度連續梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道無縫線路為研究對象，基于梁軌相互作用原理和有限元法，建立了大跨度連續梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道無縫線路空間耦合模型，分析了橋梁均勻溫度荷載和溫度梯度荷載對橋上無縫線路力學特性和軌道幾何形位的影響。

1 模型建立

1.1 模型概述

高速鐵路大跨度連續梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、軌道板、底座板和橋梁等結構組成。以雙線連續梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為研究對象，根據梁-板-軌相互作用原理和有限元法，利用ANSYS有限元軟件建立了5×32 m簡支梁+(70.75+125+70.75) m連續梁+5×32 m簡支梁模型。同時，為了消除邊界效應，在簡支梁兩側的左右橋臺分別建路基部分，橋跨結構如圖1所示。

圖1 橋跨布置示意

1.2 計算參數

(1)鋼軌及扣件

鋼軌為CHN60工字型標準鋼軌，在計算模型中，采用BEAM188鐵木辛柯梁單元模擬，截面面積為77.45 cm2。

扣件采用WJ-8B型扣件，間距為0.654 m，除連續梁兩端一組扣件為常阻力扣件外，連續梁橋全橋鋪設小阻力扣件。扣件的橫向和垂向剛度采用 COMBIN14線性彈簧單元模擬，其大小分別為50，35 kN·mm-1；扣件縱向阻力采用COMBIN39非線性彈簧單元模擬，常阻力扣件和小阻力扣件縱向阻力分別按式(1)、式(2)計算取值；扣件上拔力限值按式(3)取值。

WJ-8B型常阻力扣件縱向阻力

(1)

WJ-8B型小阻力扣件縱向阻力

(2)

式中，r為扣件縱向阻力，kN/(m·軌)；x為鋼軌相對扣件的縱向位移。

WJ-8B型常阻力扣件、小阻力扣件的彈條扣壓力Fc分別為9 kN和6 kN，因扣件附加上拔力應小于彈條扣壓力的設計值，故

(3)

(2)其余軌道結構

采用SOLID45實體單元模擬軌道板、底座板和箱梁梁體；連續梁采用長度分別為5 736 mm的梁端軌道板和6 440 mm的跨中軌道板，簡支梁單元長度均為6 440 mm，簡支梁與連續梁梁端的軌道板之間設置寬150 mm的伸縮縫，其余軌道板間均設置寬100 mm的伸縮縫，結構參數如表1所示，橋墩(臺)頂縱向線剛度按表2取值。

表1 結構參數

表2 橋墩(臺)頂縱向線剛度

2 橋梁均勻溫度荷載的影響

本節主要分析橋梁均勻溫度荷載對無縫線路力學特性和軌道幾何形位的影響，橋梁整體溫度分別取為20，30 ℃和40 ℃。

2.1 無縫線路力學特性

軌道結構因溫度變化引起梁端變形使梁縫兩側一定范圍內扣件產生上拔力，當扣件上拔力超限時將影響扣件系統的正常使用[20-21]。因本文中連續梁左側梁端位置處鋼軌受力與變形較大，故選取左側梁端左右各6個扣件進行上拔力分析。

在橋梁整體溫升20，30 ℃和40 ℃的情況下，無縫線路受力與變形的計算結果如圖2所示，各結構受力與變形的極值見表3。表中，Fr為鋼軌伸縮力；Ff為扣件上拔力；Δts為軌道板上下表面應力差，Δbp為底座板上下表面應力差；Drl、Drt和Drv分別為鋼軌縱向、橫向和垂向位移，Dtsu為軌道板上表面縱向位移，Δrts為軌板縱向相對位移。

分析圖2和表3可知，鋼軌縱向力、扣件上拔力、軌道板應力、底座板應力、鋼軌位移、軌道板位移和橋梁位移均隨橋梁均勻溫度荷載的增加而顯著增加。在極端溫度荷載條件下連續梁橋梁端第1組扣件受力可能超過小阻力扣件初始扣壓力12 kN，故建議梁端第1組扣件設置常阻力扣件；鋼軌縱向位移在左側簡支梁部分開始逐漸增大，在連續梁部分呈線性增加，并在連續梁活動支座一側的邊跨出現位移極值；鋼軌橫向位移在連續梁部分上拱，且上拱幅度隨溫升幅度的增加而增大；鋼軌垂向位移在連續梁中間橋跨上拱，邊跨和簡支梁部分整體下凹，其原因為連續梁中跨跨度最大，在溫度力作用下整體上拱，兩側支座受到約束作用且同時提供一個支座反力，邊跨下凹，最后達到平衡狀態。

圖2 不同梁體溫差下各結構受力與變形

表3 不同梁體溫差下各結構受力與變形極值

當橋梁的溫度荷載從20 ℃增加到40 ℃時，鋼軌最大縱向力由壓力變為拉力，同比增大33.90%；扣件上拔力、軌道板和底座板上下表面應力差的最大值分別增大96.16%，97.23%，102.06%；鋼軌的縱向位移、鋼軌橫向位移、鋼軌垂向位移和軌板縱向相對位移極值分別增大46.49%，100%，92.11%和140.54%。

綜上所述，隨著梁體溫升幅度的增加，大跨度連續梁橋上無縫線路縱向力和位移的增大趨勢明顯，因此需要在梁端等薄弱環節加強結構的養護與監測。

2.2 軌道幾何形位

軌道的幾何形位主要包括水平、軌距、高低和軌向。根據TB 10082—2017《鐵路軌道設計規范》3.3.6節中的有關規定，本文所采用的軌道靜態不平順限值如表4所示，其中高低和軌向采用10 m弦測法按式(4)進行計算。

(4)

式中，z為線路里程；L為弦線長度；f(z)為不平順幅值；g(z)為弦測法計算值。

表4 軌道靜態不平順限值 mm

由于橋上無砟軌道結構沿橋梁中心線呈對稱分布，因此本文只提取右側軌道結構的幾何形位進行分析。橋梁整體溫升20，30 ℃和40 ℃的情況下，軌道幾何不平順的計算結果如圖3所示，不平順極值如表5所示。

圖3 不同梁體溫差下軌道靜態不平順

表5 不同梁體溫差下軌道靜態不平順極值 mm

分析圖3和表5可知，隨著橋梁均勻溫度荷載的增加，軌道靜態幾何形位發生變化，并呈線性增大，其中高低偏差和水平偏差的變化較大，而軌距偏差和軌向偏差的變化較?。贿B續梁部分的水平偏差和軌距偏差相比簡支梁部分較大，高低偏差在橋梁梁端會發生突變，而在跨中相對較小，軌向偏差僅在連續梁梁端出現最大值。

當橋梁的溫度荷載從20 ℃增加到40 ℃時，鋼軌水平偏差、軌距偏差、高低偏差和軌距偏差的最大值分別增大100%，100%，92.56%和100%；溫度荷載對軌道幾何形位的影響較大，特別是當橋梁整體溫升20 ℃時高低偏差已經超限，因此，在線路設計時應特別重視溫度荷載對高低不平順的影響。

3 橋梁溫度梯度荷載的影響

本節主要分析橋梁豎向溫度梯度荷載和雙向溫度梯度荷載對無縫線路力學特性和軌道幾何形位的影響。根據TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》，混凝土箱梁的溫度梯度荷載沿梁寬和梁高方向取值，分別按式(5)、式(6)和表6進行計算。

Tx=T01·e-ax

(5)

Ty=T02·e-ay

(6)

式中：x、y為計算點至梁體表面的距離，m；Tx和Ty分別為計算點沿梁寬和梁高方向的溫度梯度荷載；T01和T02分別為沿梁寬和梁高方向的日照溫差。

表6 溫度梯度荷載的a與T0取值

3.1 無縫線路力學特性

橋梁溫度梯度荷載作用下無縫線路受力與變形計算結果如圖4所示，各結構受力與變形的極值如表7所示，其中雙向溫度梯度荷載按豎向與橫向溫度曲線疊加取值。

圖4 橋梁溫度梯度荷載作用下各結構受力與變形

表7 橋梁溫度梯度荷載作用下各結構受力與變形極值

分析圖4、圖2和表7可知，兩種橋梁溫度梯度荷載作用下鋼軌縱向力、鋼軌縱向位移、鋼軌垂向位移、軌道板縱向位移和軌板相對位移的波形相似，幅值相差不大，而雙向溫度梯度荷載作用下的鋼軌橫向位移比豎向溫度梯度下增大1倍；與橋梁整體溫升20 ℃相比，雙向溫度梯度荷載作用下鋼軌縱向力、扣件上拔力、軌道板和底座板上下表面應力差、鋼軌縱向位移和軌板縱向相對位移極值分別減小了30.67%，53.09%，16.05%，9.41%，57.30%和61.06%，而鋼軌橫向位移和鋼軌垂向位移的最大值分別增大了173.17%，27.15%。

分析圖4(b)和表7可知，與橋梁豎向溫度荷載相比，橋梁雙向溫度荷載作用下扣件上拔力增大了17.61%，從而說明橫向溫度分布不均對扣件上拔力有一定程度的增大作用。

分析圖4(d)、圖2(d)和表7可知，橋梁豎向溫度梯度荷載作用下鋼軌橫向位移的波形同橋梁整體溫差作用相似，但連續梁部分的變化規律相反；由于橋梁沿橫向溫度分布不均，雙向溫度梯度荷載作用下鋼軌橫向位移在橋梁每跨范圍內均有較大波動，其位移極值大幅度增加，并在連續梁中間橋跨上拱，在連續梁邊跨和簡支梁部分整體下凹。

分析圖4(e)、圖2(e)和表7可知，橋梁溫度梯度荷載作用下鋼軌垂向位移在連續梁中部下凹，在連續梁邊跨和簡支梁部分產生上拱變形，與橋梁均勻溫度荷載作用下的變形規律相反。

綜上所述，橋梁溫度梯度荷載作用下無縫線路的力學特性與橋梁均勻溫度荷載作用下的計算結果相差較大，與橋梁均勻溫度荷載相比，當橋梁考慮溫度梯度荷載作用時，鋼軌橫向位移和垂向位移會有一定的增大，而無縫線路其他力學特性會有不同程度的減小。

3.2 軌道幾何形位

橋梁溫度梯度荷載作用下鋼軌水平偏差、軌距偏差、高低偏差和軌向偏差的計算結果如圖5所示，軌道靜態不平順極值如表8所示。

圖5 橋梁溫度梯度荷載作用下軌道靜態不平順

表8 橋梁溫度梯度荷載作用下軌道靜態不平順極值

分析圖3、圖5和表8可知，與橋梁豎向溫度梯度荷載相比，雙向溫度梯度荷載作用下鋼軌水平偏差和高低偏差分別減小了40.38%，14.60%，軌距偏差變化不大，軌向偏差大幅度增加，表明當橋梁考慮橫向溫度梯度荷載時對水平偏差和高低偏差具有一定程度的減小作用，而對軌向偏差有很大程度的增大作用。

與橋梁整體溫升20 ℃相比，雙向溫度梯度荷載作用下鋼軌水平偏差增大47.62%，其波形有較大變化，但幾何不平順幅值小于限值±2 mm；橋梁均勻溫度荷載和溫度梯度荷載作用均對軌距的影響很小，遠小于其對應限值±1 mm；與均勻溫度荷載作用不同，當橋梁考慮溫度梯度荷載時，由于溫度的不均勻分布，橋梁結構在連續梁邊跨和簡支梁部分產生上拱變形，使高低偏差在梁端出現最大負值，并引起突變；雙向溫度梯度荷載作用下高低偏差最大值為-1.93 mm，稍小于限值±2 mm；溫度梯度荷載作用下鋼軌軌向偏差的波形與均勻溫度荷載作用相似，軌向偏差的最大值增幅明顯，并在梁端位置處發生突變。

綜上所述，兩種溫度梯度荷載相比，當考慮橫向溫度梯度時，對鋼軌水平偏差、高低偏差和軌向偏差的影響較大，而對軌距偏差的影響不明顯；與橋梁整體溫升相比，雙向溫度梯度荷載作用下水平偏差和軌向偏差的計算結構明顯增大，而軌距偏差和高低偏差有所減小。

4 結論

以大跨度連續梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道無縫線路為研究對象，基于梁軌相互作用理論建立有限元計算模型，分別分析了橋梁均勻溫度荷載和溫度梯度荷載對橋上無縫線路力學特性和軌道幾何形位的影響，主要得出以下結論。

(1)橋梁溫度梯度荷載與均勻溫度荷載作用下無縫線路力學特性的計算結果相差較大，與橋梁整體溫升20℃相比，鋼軌橫向位移和垂向位移極值分別增大173.17%、27.15%。

(2)極端溫度荷載條件下連續梁橋梁端第1組扣件受力可能超過小阻力扣件初始扣壓力12 kN，故建議梁端第1組扣件設置常阻力扣件。

(3)兩種不同溫度荷載作用下，鋼軌水平偏差和高低偏差的變化較大，而軌距偏差變化不明顯；高低偏差在橋梁跨中位置相對較小，而在梁端位置會發生突變；兩種橋梁溫度梯度荷載作用下，當橋梁考慮橫向溫度梯度時，水平偏差和高低偏差有一定程度的減小，而軌向偏差大幅度增加。

(4)當橋梁整體溫升20 ℃時高低偏差已經超限，而雙向溫度梯度作用下高低偏差最大值為-1.93 mm，僅稍小于限值±2 mm。因此，在設計高速鐵路橋上無縫線路時，應特別注意溫度荷載對高低不平順的影響。