季節性氣溫變化對高速鐵路橋梁沉降影響分析

周金國，崔書珍，李 建

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶400015；2.重慶工程職業技術學院，重慶400007）

季節性氣溫變化對高速鐵路橋梁沉降影響分析

周金國1，崔書珍2，李 建2

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶400015；2.重慶工程職業技術學院，重慶400007）

介紹了高速鐵路工后沉降影響因素及工后沉降限值，通過實例分析了季節性氣溫變化對高速鐵路工后沉降的影響。實驗表明，季節性氣溫變化會導致高速鐵路橋梁季節性的撓度變形，在高速鐵路運營期沉降監測分析過程中應予以修正。

高速鐵路； 溫度變形 ；工后沉降撓度

高速鐵路要保證高速安全運行，軌道平順性要求極高，這就要求有一個穩定的線下基礎。高速鐵路線下基礎結構主要由路基、橋梁、隧道3部分組成，其穩定性決定了高速鐵路的安全性。2010年，鐵道部運輸局下發了“關于發布《高速鐵路運營沉降監測管理辦法》的通知”，要求對高速鐵路運營期沉降監測進行規范管理，各高速鐵路運營線路維護部門也相繼開展了線下沉降監測和精密網復測等相關工作[1,2]。氣溫變化引起構筑物的熱脹冷縮，特別對大跨度的連續梁會引起較大的垂直撓度變形，在分析高速鐵路線下構筑物沉降量組成時，應予以考慮，以判定沉降量屬于構筑物自身變形還是構筑物沉降。本文首先介紹了高速鐵路工后沉降影響因素以及工后沉降限值，然后通過工程實例分析了季節性氣溫變化對連續梁工后沉降的影響，為高速鐵路線路平順性維護提供參考。

1 高速鐵路工后沉降影響因素

高速鐵路工后沉降主要包括線下構筑物自身變形和基礎沉陷2部分。

高速鐵路多采用無碴軌道，線下構筑物主要是混凝土結構，混凝土構筑物自身變形主要分為非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形[3]。非荷載作用下的混凝土變形主要包括化學收縮、干濕變形和溫度變形。

①化學收縮：水泥水化生成物的體積比反應前物質的體積小，使混凝土收縮。該種變形會隨著混凝土硬化齡期的延長而增加，大致與時間的對數成正比，一般在混凝土成型40 d內增長較快，以后就漸趨穩定，不可恢復。

②干濕變形：混凝土受周圍環境濕度的變化影響，引起混凝土的干濕變形，表現為干縮濕脹。干濕變形可部分恢復。

③溫度變形：混凝土隨溫度的變化而產生熱脹冷縮變形。混凝土的溫度線膨脹系數為（0．6～1．3）×10-5mm/℃/mm,對于高速鐵路大跨度連續梁和高墩橋梁，在外界氣溫變化較大的情況下，可能會產生較大的伸縮變形。

荷載作用下的混凝土變形主要包括彈塑性變形和徐變。

①彈塑性變形：混凝土作為一個彈塑性體在短期荷載作用下，既產生彈性變形，又產生塑性變形。

②徐變：混凝土在長期荷載作用下，隨時間而增長的變形。混凝土徐變主要跟水灰比、水泥用量、骨料性質和所受荷載有關。

線下構筑物基礎沉陷是指構筑物在重力作用下，構筑物基礎下沉引起的沉降。

在高速鐵路施工過程中，對線下構筑物的工后沉降已進行監測、評估，變形已趨于穩定，不應對鐵路線路平順性產生影響。但由于地質條件的復雜性和鐵路線路周圍環境的劇烈變化，亦會導致高速鐵路運營過程中發生沉降現象。

高速鐵路橋梁的工后沉降主要由橋梁自身變形（其中包括溫度變形）和墩臺基礎沉陷兩部分組成，最終反映為橋梁的垂直撓度變形。

2 高速鐵路工后沉降限值

根據鐵建設函[2005]754號《客運專線無碴軌道鐵路設計指南》，高速鐵路土質路基均應進行工后沉降分析。路基在無碴軌道鋪設完成后的工后沉降，應滿足扣減調整和線路豎曲線圓順的要求。工后沉降一般不能超過扣件允許的沉降調高值15 mm；沉降比較均勻、長度大于20 m的路基，允許的最大工后沉降值為30 mm，并且調整軌面高程后的豎曲線半徑應滿足下列要求：

式中 ，Rsh為軌面圓順的豎曲線半徑（m）；vsj為設計最高速度（km/h）。

路橋或路隧交界處的差異沉降不應大于5 mm，過渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應大于1/1 000。

根據德國《無碴軌道的總體技術規范技術通告》（2002．8．1 DB Netz NST）和DIN技術報告101，鋪設無碴軌道的高速鐵路橋梁，橋梁變形容許限值取決于橋梁跨度和列車速度：

式中，δ容許為橋梁變形的限值；L＜3 m時，λ（L）=0．8，L>10 m時，λ（L）=0.4；δ804為橋梁撓度。

連續、簡支結構的最大垂直撓曲的限制值δ/L如表1所示。

表1 橋梁最大垂直撓曲限制值

另外，根據德國《無碴軌道的總體技術規范技術通告》6．4．7條，軌道安裝后徐變和收縮引起的橋梁垂直變形限值為1/5 000[4]。

為保證高速鐵路的高平順性，高速鐵路在設計、施工階段就采取了一定措施控制工后沉降[5]。例如，對軟土地基通過設置樁+筏板，對路基基礎進行加固；對路堤兩側設置壁式擋土墻，加強路基側向約束；通過大量采用“以橋代路”，降低工后沉降量和縮短工后沉降周期；設置“過渡段”解決路橋、路隧相接處的差異沉降。

3 氣溫變化對橋梁工后沉降影響分析

長三角是全國城際客運系統最發達地區，其高速鐵路網絡主要由滬寧、滬杭、寧杭和杭甬等客運專線組成。長三角地區也是全國地面沉降較嚴重的地區，人口稠密，四季變化較明顯，列車安全運行至關重要。長三角高鐵網滬寧城際鐵路全長超過300 km，采用無碴軌道，設計時速350 km。本文選用滬寧城際鐵路昆山某段大跨度連續梁作為研究對象，研究季節性氣溫變化對高速鐵路橋梁撓度變形的影響。

該連續梁全長270 m，由3孔組成，最大跨度120 m，橋梁上的CPIII控制點作為監測點，CPIII點分布情況如圖1所示。

圖1 橋梁及CPIII點分布示意圖

監測從2012年9月份開始至2013年8月結束，為期1 a，共觀測11次，觀測均在列車運行天窗時間（0:00～4:00）進行，采用幾何水準測量方法。收集到的每期觀測當天天氣情況如表2所示。

表2 周期觀測天氣概況表

以2012-09-18觀測數據為首期基礎數據，以后每期數據與其進行比較，觀察橋梁上的CPIII控制點隨時間的變化情況。圖2展示了下行CPIII控制點累計變化縱斷面曲線圖。取橋梁中間CPIII點46307號點，繪出其累計沉降量與時間的年度變化曲線，如圖3所示。同時，繪制觀測當日平均氣溫-時間變化曲線，如圖4所示。

從圖2、圖3和圖4中可以看出，該橋梁隨季節性氣溫降低而發生垂直下沉撓度變形，隨季節性氣溫回升而又回彈恢復，且橋梁累計變化趨勢與氣溫變化趨勢相符。同時，通過分析可以看出，該橋梁垂直撓度變形是由橋梁自身變形（主要是溫度變形）引起的，無基礎沉陷，且垂直變形量最大值4．7 mm＜δ容許=0．4×1 200 00/5 000=9．6 mm，在橋梁垂直撓度變形允許值之內。

圖2 下行CPIII控制點累計變化縱斷面曲線圖

圖3 CPIII點46 307號點年度累計變化曲線

圖4 觀測期間氣溫變化曲線

4 結 語

高速鐵路運營期工后沉降監測對列車安全運行至關重要，線下構筑物自身變形作為工后沉降的重要組成部分需引起重視。通過工程實例可以看出，季節性氣溫變化對高速鐵路橋梁產生較大的撓度變形。在未來的高速鐵路沉降監測中，應加強年季節氣溫變化沉降影響的監測，總結季節性氣溫變化的沉降影響量與橋梁跨度、氣溫的數學關系，對工后沉降總量進行修正，分析沉降段沉降總量構成和形成原因，為線下工程維護與整治提供依據。

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1672-4623（2014）05-0129-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.047

周金國，碩士，主要從事精密工程測量與GPS技術研究。

2014-06-27。

項目來源：重慶工程職業技術學院院級課題資助項目（KJC201336）。