鐵路橋梁溫度效應對相鄰不同墩高的橋墩高程變化的影響研究

羅　勇

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安　710043)

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鐵路橋梁溫度效應對相鄰不同墩高的橋墩高程變化的影響研究

羅勇

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安710043)

摘要：相鄰橋墩高差過大時，溫度效應會引起各橋墩間產生豎向位移差，進而導致軌面產生附加不平順，對軌道的平順性及運營安全產生影響。鑒于我國幅員遼闊、地形地貌復雜，部分橋梁相鄰橋墩存在較大高差的現象，有必要開展相鄰橋墩高差較大時溫度效應對不同高度橋墩高程變化的影響研究。采用MIDAS建立有限元模型進行建模，對常見鐵路橋梁結構進行分析，并根據計算最終結果，為設計及施工提出指導性建議。

關鍵詞：鐵路橋梁；溫度效應；平順性；全約束；桿單元;橋墩-梁體有限元模型

1研究思路

相鄰橋墩高差過大時，由于溫度效應會引起橋墩產生豎向變位差，但總體來看，墩身混凝土的溫度變化幅度要小于氣溫的變化幅度，墩頂豎向變位必然引起相關部位的軌面高程發生變化，但考慮該變位通過梁體來傳遞，其最終結果不是一個點的豎向突變，而是相鄰梁跨范圍內的連續變化，具體數值需要通過實驗研究掌握，國內目前對此課題研究幾乎是空白。根據我院對設計范圍內墩高差的梳理結果，目前已設計完成的多條鐵路項目中有多處橋梁工點項目中相鄰橋墩高差達20 m。在此基礎上分別在簡支梁、連續梁及連續剛構中各選取一個典型工點進行建模研究。對所建立的有限元模型，先單獨施加橋梁梁體自重荷載計算橋梁墩頂位移及鋼軌變形，將此結果作為后續研究內容的基準值；再同時施加橋梁梁體自重及溫度荷載計算橋梁墩頂位移及鋼軌變形，此結果與基準值之間的差值即為單獨由溫度荷載引起的墩頂位移值及鋼軌變形值。

2計算參數及模型

2.1　計算參數

2.1.1基本參數

混凝土密度2 100 kg/m3，鋼軌密度7 900 kg/m3，線膨脹系數1×10-5/℃，泊松比0.176；橋梁及橋墩的幾何參數及梁體自重(包括二期結構恒載)參考橋梁施工圖近似確定；軌道板、底座板、鋼軌等參數按照軌道施工圖確定[1-3]。

2.1.2約束條件

本課題主要關注的是相鄰橋墩高差的溫度效應對無砟軌道平順性的影響，不考慮其他外界因素的影響。因此，在進行仿真計算時將橋墩底部全約束，橋臺處采用只承受壓力的桿單元模擬，桿單元下部節點垂向位移約束[4-7]。其他約束條件與橋梁結構型式有關。

2.2　計算模型

2.2.1簡支梁模型

通過高中數學課程的學習，學生能夠在具體的真實情境中積累經驗，形成抽象思維，把握事情的本質，運用數學抽象的思維方式思考并解決實際問題．在2018年的高考數學命題中，對學生數學抽象核心素養的考查已經落實到具體的題目當中，凸顯高考數學命題鮮明的素養導向和育人導向．

根據簡支梁的結構特點，不同高度橋墩在溫度荷載作用下的墩頂位移變化可以認為是相互獨立的，為研究溫度效應對簡支梁不同高度橋墩高程變化的影響情況，本報告根據橋梁施工圖建立了空心橋墩空間實體模型[4]，如圖1所示(以45 m橋墩為例)。

圖1　空心橋墩空間模型

2.2.2連續梁模型

連續梁橋墩高度不同時，在溫度荷載下，各支座支反力會發生變化，各橋墩墩頂位移會相互影響，且影響的程度與橋梁跨度、各橋墩高差、梁體自重等因素有關。為研究溫度變化導致的連續梁變形情況，以最大墩高差為30 m的一聯(40+64+64+40) m連續梁東炮溝大橋為例，建立了橋墩-梁體有限元模型[5]，其中梁體采用梁單元、橋墩采用桿單元、橋墩與梁體之間采用只能承受壓力的桿單元連接，模型示意如圖2所示。

圖2　連續梁建模示意(單位：cm)

2.2.3連續剛構模型

連續剛構橋墩高度不同時，在溫度荷載作用下，各支座支反力會發生變化且會在支座處產生附加彎矩抵抗墩頂的變形，此種影響也與橋梁跨度、各橋墩高差、梁體自重等因素有關。為研究溫度變化導致的連續剛構橋墩的變形情況，本報告以最大墩高差為41 m的(60+100+100+60) m大平羌溝大橋為例建立了橋墩-梁體有限元模型[7]，其中梁體采用梁單元、橋墩采用桿單元、橋墩與梁體之間固結，模型示意如圖3所示。

圖3　連續剛構建模示意 (單位：cm)

2.3　溫度效應對不同高度橋墩高程變化的影響

2.3.132 m簡支梁

為研究溫度效應對簡支梁不同高度橋墩高程變化的影響情況，分別建立了15、30、40、45、50 m的空心橋墩進行研究分析[8]。計算結果匯總如圖4～圖7所示(以45 m橋墩溫升20 ℃為例給出計算結果云圖)。

圖4　單獨施加梁體自重時橋墩位移

圖5　加梁體自重及溫升20°時橋墩位移

圖6　不同墩高墩頂位移隨溫度的變化趨勢

圖7　不同墩高墩頂位移隨墩高的變化趨勢

根據計算結果可知：簡支梁墩頂位移隨溫度的變化呈線性增加的趨勢，同一溫度變化的情況下，墩頂位移值與墩高也呈線性增加的趨勢。

2.3.2(40+64+64+40) m連續梁

溫度荷載下(40+64+64+40) m連續梁墩高變化(圖2中的1、2、3號墩高分別為14、44、39 m)的研究結果見圖8～圖10[9，11]。

圖8　梁體自重下梁體及支座位移結果

圖9　梁體自重及升溫20 ℃時梁體及支座位移結果

圖10　各橋墩墩頂位移隨溫度變化趨勢

由圖10可知，連續梁橋墩墩頂位移隨溫度的升高呈線性增加的趨勢。根據各橋墩墩頂實際位移及墩高、溫升情況反推出1、2、3號橋墩的名義線膨脹系數分別為1.15×10-5、0.862 5×10-5、0.710 5×10-5/℃，說明連續梁在溫度荷載導致橋墩墩頂位移變化的過程中，各支座支反力會發生重分布，使墩頂位移產生變形協調，對軌道結構的平順性有利。

2.3.3(60+100+100+60) m連續剛構

溫度荷載下(60+100+100+60) m連續剛構墩高變化(圖3中的1、2、3號墩高分別為43、72、31 m)的研究結果如圖11～圖13所示[10,12]。

圖11　梁體自重下梁體及支座位移結果

圖12　梁體自重及升溫20 ℃時梁體及支座位移結果

圖13　各橋墩墩頂位移隨溫度變化趨勢

由圖13可知，連續剛構橋墩墩頂位移隨溫度的升高呈線性增加的趨勢。同樣可以反推出1、2、3號橋墩的名義線膨脹系數分別為0.930 4×10-5、0.915×10-5、1.037 2×10-5/℃，表明連續剛構在溫度荷載下，墩頂位移也產生了變形協調，對橋梁上部結構的平順性有利。

2.3.4小結

本節對簡支梁、連續梁及連續剛構3種結構形式的橋梁在溫度效應下橋墩高程的變化進行了研究分析。由計算結果可知：墩頂位移隨溫度的增加而呈線性增加的趨勢，連續梁及連續剛構在溫度荷載下，各支座支反力會發生重分布，墩頂位移會出現變形協調，導致高墩的名義線膨脹系數較小、低墩的名義線膨脹系數較大，對軌道結構的平順性有利。

3研究結論及建議

結合我院設計范圍內的相鄰墩高差大于20 m的實際情況，研究了典型工點溫度效應對不同高度橋墩高程變化的影響。根據研究結果，得出的主要結論如下。

(1)墩頂位移隨溫度的增加而呈線性增加的趨勢，連續梁及連續剛構在溫度荷載下，各支座支反力會發生重分布，墩頂位移會出現變形協調，導致高墩的名義線膨脹系數較小、低墩的名義線膨脹系數較大，對軌道結構的平順性有利。

(2)溫度荷載導致的軌道結構的平順性的主要影響因素有當地的最低月平均氣溫、最高月平均氣溫、各橋墩高度、相鄰墩高差、橋梁結構形式、無砟軌道精調溫度等，設計、施工時應綜合考慮以上因素的影響。

(3)最高橋墩的高度、相鄰墩高差過大是引起軌道結構不平順的主要原因。

(4)為滿足鋼軌長波不平順的要求，橋墩年溫升(溫降)按20 ℃保守估算，簡支梁(跨度不大于48 m)范圍內任意相鄰兩個橋墩(或橋墩與橋臺)高差不能超過50 m，連續梁及連續剛構任意相鄰兩個橋墩高差超過50 m的，需要進行檢算。

為避免出現溫度效應引起的橋墩墩頂位移導致軌道結構不平順超限，從設計、施工角度給出如下幾點建議。

(1)在活載、溫度荷載等作用下，橋梁變形變位不可避免，線路平面選線時應盡量避開地形高差過大的區域，避免相鄰橋墩高差過大。

(2)橋梁設計過程中應考慮通過調整孔跨布置、橋梁結構形式等措施，盡量減小橋梁最高墩的高度及相鄰墩高差。

(3)無砟軌道施工應盡量選擇在最冷月平均氣溫和最熱月平均氣溫的中間區域。

(4)應根據當地的最低月平均氣溫及最高月平均氣溫，結合無砟軌道施工時的環境溫度等綜合因素對軌面設計高程進行修正。

(5)為防止由橋墩溫度效應引起的鋼軌不平順與軌道結構自身不平順疊加后引起軌道不平順的超限，必須嚴格控制高墩及墩高差大的橋上無砟軌道施工的精度，且應盡量避免道岔、伸縮調節器等軌道結構自身不平順較大的設備布置在高墩及墩高差較大的橋上。

(6)連續梁及剛構梁合龍建議在接近年平均氣溫的晚間進行。

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Study on the Impact of Temperature Effect of Railway Bridge on Elevation Variation of Piers of Different Heights

LUO Yong

(Bridge & Tunnel Design Department， China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043, China)

Abstract：In case of adjacent piers with big elevation differences， the temperature effect may cause vertical displacement difference between the piers， resulting in additional track surface irregularity and impact on the safety and smooth operation of the track. Given China’s vast territory， complex geological environment， there tend to be big elevation differences between adjacent piers and it is necessary to study the impact of the temperature effect on the elevation of piers with different heights when elevation differences of adjacent piers are big. In this paper， MIDAS is used to build the finite element model for and analysis， and suggestions are made to guide the design and construction.

Key words：Railway bridge; Temperature effect; Regularity; Total restraint; Bar-Unit; Pier-beam finite element model

作者簡介：羅勇(1983—)，男，工程師，2006年畢業于北京交通大學

收稿日期：2015-06-06； 修回日期：2015-06-15

中圖分類號：U441+.5

文獻標識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.016

文章編號：1004-2954(2016)01-0075-04