大跨度連續(xù)梁橋溫度分布對(duì)無(wú)砟軌道的影響

許晨霄 吳 琛

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

0 引言

我國(guó)部分高鐵線路鋪設(shè)了CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)不僅受到列車荷載的作用，還長(zhǎng)期承受露天環(huán)境中溫度荷載的作用。由于太陽(yáng)入射角、日照時(shí)長(zhǎng)和混凝土材料導(dǎo)熱性差等原因，橋梁所受溫度荷載是不均勻的[1]，而不同溫度荷載對(duì)無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的影響具有差異性，在極端溫度條件下鋼軌會(huì)發(fā)生較大的變形，影響旅客乘坐的舒適度和列車運(yùn)行的安全性[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)溫度荷載作用下橋上無(wú)縫線路的受力和變形展開(kāi)了一定程度的研究[3-5]，而既有研究中從無(wú)系統(tǒng)考慮大跨度連續(xù)梁橋均勻溫度荷載與不均溫度荷載作用對(duì)無(wú)縫線路力學(xué)特性和軌道幾何形位的影響分析。本文針對(duì)大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路，分別考慮橋梁均勻溫度荷載和不均勻溫度荷載，分析了這兩種溫度荷載作用下無(wú)縫線路的力學(xué)特性和軌道靜態(tài)幾何形位的變化規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 模型概述

針對(duì)高速鐵路大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路，本文利用ANSYS有限元軟件，基于梁軌相互作用原理建立了5×32 m簡(jiǎn)支梁+(70.75+125+70.75)m連續(xù)梁+5×32 m簡(jiǎn)支梁，橋跨結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 計(jì)算參數(shù)

橋上CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道主要由鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板、底座板和梁體等組成，各結(jié)構(gòu)主要計(jì)算參數(shù)參考文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[4]，本文所建立的有限元模型如圖2所示。此外，扣件采用WJ-8B型，簡(jiǎn)支梁部分和連續(xù)梁梁端扣件采用常阻力扣件，其余連續(xù)梁部分均鋪設(shè)小阻力扣件。

2 不同橋梁溫度荷載對(duì)無(wú)砟軌道的影響

為分析橋梁均勻溫度荷載和不均勻溫度荷載對(duì)大跨度連續(xù)梁橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路力學(xué)特性、軌道幾何形位的影響，本節(jié)考慮1種均勻溫度荷載和3種不均勻溫度荷載工況，詳見(jiàn)表1。

表1 分析工況

2.1 無(wú)縫線路力學(xué)特性

在上述4種分析工況下，無(wú)縫線路縱向力和位移的計(jì)算結(jié)果如圖3，表2所示。其中，F(xiàn)r為鋼軌縱向受力；Drl，Drt和Drv分別為鋼軌縱向、橫向和垂向位移。

表2 不同橋梁溫度荷載下鋼軌縱向力和位移極值

分析圖3，表2可知，在橋梁均勻溫度荷載與不均勻溫度荷載作用下，鋼軌縱向力和縱向位移的波形相似，均勻溫度荷載作用下的計(jì)算結(jié)果總是大于不均勻溫度荷載；兩種溫度荷載作用下鋼軌橫向位移差異明顯，均勻溫度荷載作用下的鋼軌橫向位移相對(duì)較小，變化趨勢(shì)不明顯，而不均勻溫度荷載作用下鋼軌橫向位移在連續(xù)梁中間橋跨上拱，在連續(xù)梁兩邊跨和簡(jiǎn)支梁部分出現(xiàn)下凹；兩種溫度荷載作用下鋼軌垂向位移的變化規(guī)律相反，當(dāng)不均勻溫差較大時(shí)，鋼軌垂向位移在連續(xù)梁中間橋跨下凹，連續(xù)梁邊跨和簡(jiǎn)支梁部分出現(xiàn)上拱，隨著橋梁陰陽(yáng)面溫差的減小，鋼軌垂向位移幅值逐漸減小而出現(xiàn)反方向變形。

在橋梁不均勻溫度荷載的作用下，隨著橋梁陰陽(yáng)面溫差的減小，鋼軌縱向力和縱向位移逐漸增大，而鋼軌橫向位移和垂向位移逐漸減小。當(dāng)橋梁陰陽(yáng)面溫差由30 ℃減小到10 ℃時(shí)，鋼軌縱向力和縱向位移分別增大了2.99%，21.02%，鋼軌橫向位移和垂向位移分別減小了59.96%，80.17%。

2.2 軌道幾何形位

本小節(jié)主要計(jì)算不同溫度荷載對(duì)水平、高低和軌向等不平順的影響，參考文獻(xiàn)[1]進(jìn)行計(jì)算，軌道幾何形位限值依據(jù)TB 10082—2017鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范。不同橋梁溫度荷載作用下軌道靜態(tài)不平順的計(jì)算結(jié)果如圖4，表3所示。

表3 不同橋梁溫度荷載下軌道不平順極值 mm

分析圖4，表3可知，同橋梁均勻溫度荷載作用下的計(jì)算結(jié)果相比，不均勻溫度荷載作用下的鋼軌高低偏差較小，而水平偏差和軌向偏差相比較大。

在橋梁均勻溫度荷載作用下，連續(xù)梁中間橋跨產(chǎn)生上拱變形，連續(xù)梁邊跨和簡(jiǎn)支梁部分發(fā)生下凹變形，使高低偏差在梁端出現(xiàn)最大正值，且主要影響梁端的高低偏差，跨中部分偏差較小。

在橋梁不均勻溫度荷載作用下，簡(jiǎn)支梁部分鋼軌水平偏差隨陰陽(yáng)面溫差幅度的增大而增大，而連續(xù)梁部分水平偏差變化不大；由于橋梁頂板、底板和左右腹板的溫度分布不均，使高低偏差在梁端出現(xiàn)最大負(fù)值，波形與均勻溫度荷載作用下的波形相反，且隨著陰陽(yáng)面溫差的減小，高低偏差先減小后增大，波形逐漸趨于均勻溫度荷載下的計(jì)算結(jié)果；軌向偏差隨陰陽(yáng)面溫差幅度的增大而增大，且橋梁不均勻溫度荷載主要影響梁端的軌向不平順。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在兩種溫度荷載作用下，簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁部分的力學(xué)特性、軌道幾何形位差異性明顯；2)當(dāng)橋梁陰陽(yáng)面溫差由30 ℃減小到10 ℃時(shí)，鋼軌縱向力和縱向位移分別增大了2.99%，21.02%，而鋼軌橫向位移和垂向位移分別減小了59.96%，80.17%；3)同橋梁均勻溫度荷載作用下的計(jì)算結(jié)果相比，不均勻溫度荷載作用下的鋼軌高低偏差較小，而水平偏差和軌向偏差相比較大；4)高低偏差容易超限，且高低偏差和軌向偏差均在梁端出現(xiàn)極值，而在跨中位置相對(duì)較小。