高墩水平溫差對連續剛構橋上無縫線路的影響

張亞爽，胡志鵬，馬旭峰，王 平

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600； 2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室， 成都 610031)

高墩水平溫差對連續剛構橋上無縫線路的影響

張亞爽1，胡志鵬2，馬旭峰2，王 平2

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600； 2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室， 成都 610031)

為研究高墩水平溫差對橋上無縫線路的影響，選取某高墩大跨連續剛構橋工程實例，基于梁軌相互作用原理，建立線橋墩一體化有限元模型，分析在水平縱向和橫向溫差作用下高墩大跨橋上無縫線路受力變形情況。結果表明：高墩縱向溫差對連續剛構橋上無縫線路縱向受力影響較大，隨著橋墩縱向溫差的增大，橋上無縫線路受力逐漸增大；橋墩橫向溫差影響橋上無縫線路平順性，當橋墩橫向溫差超過一定的限值時，連續剛構橋上無縫線路會出現長波不平順超限；總結以上分析結果，建議在連續剛構橋上無縫線路設計檢算中考慮高墩在水平溫差作用下對橋上無縫線路的影響。

鐵路橋；高墩；連續剛構橋；無縫線路；縱向溫差；橫向溫差

1 概述

在高速鐵路建設中，受地形的限制，尤其是在我國西部山區，橋梁往往需要跨越深水、深谷、大河和急流，因此出現了越來越多的高墩大跨橋[1]。在太陽輻射條件下，高墩大跨橋在背陰側由于沒有陽光的照射，混凝土表面的溫度比較低，相反，在向陽側，由于直接受到太陽的輻射，溫度較高。對于普通橋上無縫線路，由于橋墩高度比較低，太陽輻射作用引起的橋墩水平溫差不會使橋墩頂部產生較大的位移，然而在高墩大跨結構中，橋墩高度大大增加，水平溫差作用下，墩頂產生較大的縱橫向位移，這種位移作用在梁體之上，容易引起梁體整體移動，其中，橫向移動勢必會導致軌道出現橫向不平順，從而引起軌道結構的穩定性下降；縱向位移則會帶動梁體發生整體縱向位移，這種位移作用在軌道結構上必然會引起軌道結構附加力與位移。

目前，各國對梁體撓曲、梁溫差、列車制動等梁軌相互作用進行了大量的分析和研究[2-4]，但對于橋墩溫差引起的梁軌相互作用研究較少，只有德國鐵路將此項內容納入了最新版的橋梁設計規范[5-7]。由于高墩大跨橋墩在水平溫差作用下產生較大的位移，影響橋上無縫線路的受力和平順性，因此，考慮高墩大跨橋墩在水平溫差作用下對橋上無縫線路的影響，對高墩大跨橋上無縫線路的設計具有重要的意義。高墩所受水平溫差可分為縱向溫差和橫向溫差，重點討論橋墩在縱向溫差和橫向溫差作用下對高墩大跨連續剛構橋上無縫線路的影響。

2 計算模型

選取某一高墩大跨橋梁(直線段)，橋跨布置形式為(89+168+89) m連續剛構橋梁+(33+56+33) m連續梁，橋上鋪設有砟軌道無縫線路，橋跨布置如圖1所示，橋墩參數如表1所示。

圖1 橋跨布置立面

墩臺號0123456橋墩高度/m—76103564519—支座類型活動固結固結活動固定活動活動縱向剛度/(kN/m)—205410384749963499—橫向剛度/(kN/m)—521839551070211112098—

注：0號和6號分別為左右橋臺。

將無縫線路和橋梁作為一個相互作用、相互影響的耦合系統，建立線橋墩一體化計算模型[8]，模型結構簡圖如圖2所示。為研究高墩對橋上無縫線路的影響，在模型中根據墩身結構和梁體形式，建立精確的橋梁有限元模型。

圖2 有限元模型結構簡圖

模型中鋼軌采用中國標準60 kg/m鋼軌，扣件豎向及橫向剛度均采用5.0×107kN/mm，軌枕采用新Ⅲ型混凝土軌枕，軌枕支撐剛度采用半枕支撐剛度120 kN/mm，道床縱橫向阻力取值參照鐵路無縫線路設計規范。為實現主要控制截面間的漸變，鋼軌、梁體、橋墩采用beam188單元，扣件及道床縱橫向阻力采用非線性彈簧單元combin39模擬。本次計算是基于基礎條件良好的假設，橋墩底部采用固結方式，但采用該方式橋墩剛度比實際情況有所提高，實際工程計算中需根據工程地質條件酌情考慮該情況。在橋梁左右橋臺外側建立(100+邊跨長度)m的路基，消除邊界效應，保證橋上無縫線路處于固定區[9]。

3 橋墩在縱向溫差作用下對無縫線路的影響

橋梁的走向決定橋墩會有一側為向陽側，一側為背陽側，向陽側由于太陽的照射而溫度較高，背陽側則相反，這樣在溫差的作用下橋墩會向著背陽側偏轉，帶動梁體移動從而帶動橋上無縫線路產生縱向附加力。這種作用會因橋墩的高度而起到放大的作用，因此對于高墩橋梁需要考慮該荷載類型。參考長沙理工大學田仲初在《溫度對空心薄壁高墩垂直度的影響分析》一文中對貴州大烏江特大橋的試驗測試與數據擬合，得出橋墩背陽側與向陽側溫差為13.5 ℃。為了研究橋墩縱向溫差變化時鋼軌的受力變形情況，考慮一定的安全儲備，分別討論橋墩背陽側與向陽側溫差為5 ℃、10 ℃、15 ℃及20 ℃四種工況[10]，每種工況均為靠近右側橋臺一側的溫度高，溫度荷載通過直接對橋墩施加溫度實現，其計算結果如圖3及表2所示。

圖3 縱向溫差下鋼軌縱向力

表2 墩頂縱向位移mm

注：由于3號與5號橋墩的支座為活動支座，其縱向位移對橋上無縫線路影響很小，計算中不考慮這4個墩臺的縱向溫度差作用。

從圖3及表2中看出，由于對橋梁墩臺施加的縱向溫差荷載為：靠近右側橋臺一側的溫度高，而遠離的一側溫度低，橋墩均向左側發生縱向位移，位移值較大，并且隨著橋墩背陽與向陽側溫差的增加，橋墩墩頂的縱向位移也在變大；無論橋墩向陽側與背陽側的溫差多大，左側橋臺處鋼軌受壓，右側橋臺處鋼軌受拉，從鋼軌縱向力變化規律看，隨著背陽與向陽側溫差的增大，鋼軌的縱向力也在增加。當橋墩向陽側與背陽側的溫差達到5 ℃時，鋼軌力最大值達到了220.39 kN；當溫差達到15 ℃時，其值為523.09 kN。對該橋梁體施加溫度荷載Δt=15 ℃，此種工況下，計算可得鋼軌最大伸縮附加力為584.95 kN，如圖4所示。由此可知，當橋墩背陽側與向陽側溫差為15 ℃時，鋼軌力已經接近于最大的附加伸縮力。因此在高墩大跨橋上無縫線路設計中必須考慮橋墩縱向向陽側與背陽側的溫差。

圖4 梁體溫度荷載Δt=15 ℃時鋼軌伸縮附加力

從上述計算中看出，橋墩縱向溫差引起的鋼軌縱向力較大，是高墩大跨橋上無縫線路設計及檢算均應該考慮的荷載，但是橋墩縱向溫差的變化與橋梁梁體溫度的變化之間的關系如何并未見到相關的研究內容，假設兩者均可同時達到最大值，混凝土梁的溫度變化為15 ℃[11]，考慮橋墩溫差的改變(仍選取5 ℃、10 ℃、15 ℃及20 ℃四種工況)的計算結果如圖5所示，其中圖5(a)為同時考慮橋梁梁體溫度變化與橋墩縱向溫差兩種荷載作用下的計算結果，圖5(b)為同時考慮上述兩種荷載情況下的鋼軌縱向力幅值與單獨計算兩種荷載工況下鋼軌縱向力幅值的線性和的比較。

圖5 鋼軌縱向力

分析圖5(a)可知，在梁體溫度荷載和橋墩縱向溫差荷載共同作用下，橋墩縱向溫差對鋼軌受力產生較大的影響，鋼軌力隨橋墩溫差增大而增大，在對線路進行穩定性及強度檢算時，有必要考慮該荷載作用。從圖5(b)可看出，假設橋梁溫度與橋墩縱向溫差同時達到最大值時計算的鋼軌縱向力的最大值小于兩者分別計算后的鋼軌縱向力幅值相加得到的值，這主要是線路縱向阻力為雙線性產生的。

4 橋墩在橫向溫差作用下無縫線路的影響

在高墩大跨橋橋墩橫向溫差作用下，橋墩頂部會發生較大的橫向位移，這種位移通過梁體作用在軌道結構上，軌道因此產生橫向位移與附加力。采用上述橋梁模型，取橋墩橫向溫差為15 ℃進行分析，其計算結果如表3、圖6所示。

表3 計算結果

圖6 鋼軌縱向力及位移計算結果

從圖6及表3計算結果看出，橋墩的橫向溫差荷載引起的鋼軌及橋墩受力均比較小，可以不用考慮，但是其引起的鋼軌橫向位移比較大，可能會導致線路的軌向不平順超限或者降低線路的穩定性，下面對鋼軌采用10 m弦測法確定其不平順矢度以及30 m弦隔5 m校核值的限值和300 m弦隔150 m校核值[12]，從而判斷其是否超限，詳細計算方法可參見文獻[12]，其計算結果見圖7～圖9。

圖7 軌向不平順矢度(10 m弦)

圖8 30 m弦隔5 m校核值

圖9 300 m弦隔150 m校核值

從圖7～圖9計算結果看出，在10 m弦測得軌向不平順矢度以及30 m弦5 m校核值均未超過規范規定的2 mm限值，但是300 m弦150 m校核值確超過了規范規定的限值10 mm[13]，因此看出，橋墩橫向溫差主要是對橋上無縫線路的長波不平順產生影響。

為研究橋墩橫向溫差對軌向不平順的影響，橋墩橫向溫差取為5 ℃、10 ℃、15 ℃及20 ℃四種工況，其計算結果見圖10～圖12。

圖10 10 m弦軌向不平順值

圖11 30 m弦隔5 m校核值

圖12 300 m弦隔150 m校核值

從圖10～圖12計算結果看出，不平順隨著橋墩橫向溫差的增加而逐漸增大，對本論文計算采用的橋梁模型，當溫差超過10 ℃時，該橋上無縫線路長波不平順就會超限。

5 結論及建議

本文通過建立梁橋有限元模型，分析了高墩在水平溫差作用下對連續剛構橋上無縫線路的影響，結論如下。

(1)高墩在縱向溫差作用下對連續剛構橋上無縫線路縱向受力影響較大，隨著橋墩縱向溫差的增大，橋上無縫線路受力逐漸增大。由于線路阻力的非線性，橋墩縱向溫差荷載與梁體溫度荷載耦合計算時，鋼軌縱向力增加幅度小于單獨橋墩縱向溫差作用時的結果。建議連續剛構橋上無縫線路設計或檢算中考慮梁體溫度變化的同時考慮橋墩縱向溫差的影響，并將其與梁體溫差耦合進行計算。

(2)連續剛構橋高墩橫向溫差引起的鋼軌橫向位移較大，影響橋上無縫線路的平順性，當橋墩橫向溫差超過一定的限值時，連續剛構橋上無縫線路會出現長波不平順超限。

(3)總結上述分析結果，建議在連續剛構橋上無縫線路設計檢算中考慮高墩在縱橫向溫差作用下對橋上無縫線路的影響。由于我國無縫線路相關規范未給出橋墩縱向溫差，僅德國規范中規定：無縫線路設計時考慮橋墩縱向溫度荷載的影響，并且溫差取為5 ℃。但是我國地域遼闊，直接采用德國規范的限值不一定適用，因此建議對不同地域的橋墩進行觀測，以得到其分布規律從而確定計算中溫差的合理取值。

[1] 李坤.高墩大跨連續剛構橋在溫度作用下的軌道高低不平順及對列車的動力影響[D].成都：西南交通大學，2011．

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[3] 安彥坤，蔡小培，曲村.梁體溫差對橋上無縫線路伸縮附加力的影響研究[J].鐵道標準設計，2011(10):1-3．

[4] 謝鎧澤，徐井芒，魏賢奎，王平.橋上無縫線路附加伸縮力放散的計算研究[J].鐵道標準設計，2012(4):28-31．

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[8] 廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路[M].北京:中國鐵道出版社，2005:193-194．

[9] 胡志鵬，謝鎧澤，朱浩，王平.高墩大跨橋梁橋墩沉降對橋上無縫線路的影響[J].鐵道標準設計，2013(10):23-26．

[10] 田仲初，曹少輝，張恒，蔣田勇.溫度對空心薄壁高墩垂直度的影響分析[J].公路與汽運，2010(5):125-128．

[11] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設函[2013]47號 鐵路無縫線路設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2013．

[12] 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．

[13] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2010]240號 高速鐵路軌道工程施工質量驗收標準[S].北京:中國鐵道出版社，2010．

The Influence of High Piers with Horizontal Temperature Difference on CWR on the Continuous Rigid Frame Bridge

Zhang Yashuang1， Hu Zhipeng2， Ma Xufeng2， Wang Ping2

(1.China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Beijing 102600， China; 2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，China)

An engineering project of the continuous rigid frame bridge is selected in this paper in order to study the influence of high piers under the condition of horizontal temperature difference on continuous welded rail on the bridge. Based on the principle of the interaction between bridge and track， a track-bridge-pier integration finite element model is established to analyze the stress and deformation of continuous welded rail on the large-span bridge with high piers under the condition of various longitudinal and transverse temperature differences. Study results show that the continuous welded rail on the continuous rigid frame bridge is affected greatly by the longitudinal temperature difference of high piers， and the force acting on the continuous welded rail increases with the increasing of the longitudinal temperature difference of high piers. The regularity of the continuous welded rail is influenced by the transverse temperature difference of piers. When the transverse temperature difference of piers is more than certain limit value， long wave irregularity of the continuous welded rail will exceed the limit. Therefore， it’s suggested that the influence of high piers under the condition of longitudinal and transverse temperature difference on continuous welded rail on the continuous rigid frame bridge should be considered in the design and check-calculation of continuous welded rail on the bridge．

Railway bridge; High pier; Continuous rigid frame bridge; Continuous welded rail; Longitudinal temperature difference: Transverse temperature difference

2014-01-20；

：2014-02-14

張亞爽(1990—)，女，碩士研究生，E-mail：727858653@qq.com。

1004-2954(2014)11-0020-04

U213.9

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.005