季節(jié)性氣溫變化對(duì)高速鐵路橋梁沉降影響分析

周金國(guó)，崔書(shū)珍，李 建

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 重慶測(cè)繪院，重慶400015；2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶400007）

季節(jié)性氣溫變化對(duì)高速鐵路橋梁沉降影響分析

周金國(guó)1，崔書(shū)珍2，李 建2

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 重慶測(cè)繪院，重慶400015；2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)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(guò)實(shí)例分析了季節(jié)性氣溫變化對(duì)高速鐵路工后沉降的影響。實(shí)驗(yàn)表明，季節(jié)性氣溫變化會(huì)導(dǎo)致高速鐵路橋梁季節(jié)性的撓度變形，在高速鐵路運(yùn)營(yíng)期沉降監(jiān)測(cè)分析過(guò)程中應(yīng)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(yùn)行，軌道平順性要求極高，這就要求有一個(gè)穩(wěn)定的線下基礎(chǔ)。高速鐵路線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要由路基、橋梁、隧道3部分組成，其穩(wěn)定性決定了高速鐵路的安全性。2010年，鐵道部運(yùn)輸局下發(fā)了“關(guān)于發(fā)布《高速鐵路運(yùn)營(yíng)沉降監(jiān)測(cè)管理辦法》的通知”，要求對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)期沉降監(jiān)測(cè)進(jìn)行規(guī)范管理，各高速鐵路運(yùn)營(yíng)線路維護(hù)部門(mén)也相繼開(kāi)展了線下沉降監(jiān)測(cè)和精密網(wǎng)復(fù)測(cè)等相關(guān)工作[1,2]。氣溫變化引起構(gòu)筑物的熱脹冷縮，特別對(duì)大跨度的連續(xù)梁會(huì)引起較大的垂直撓度變形，在分析高速鐵路線下構(gòu)筑物沉降量組成時(shí)，應(yīng)予以考慮，以判定沉降量屬于構(gòu)筑物自身變形還是構(gòu)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(guò)工程實(shí)例分析了季節(jié)性氣溫變化對(duì)連續(xù)梁工后沉降的影響，為高速鐵路線路平順性維護(hù)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(gòu)筑物自身變形和基礎(chǔ)沉陷2部分。

高速鐵路多采用無(wú)碴軌道，線下構(gòu)筑物主要是混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土構(gòu)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(xué)收縮、干濕變形和溫度變形。

①化學(xué)收縮：水泥水化生成物的體積比反應(yīng)前物質(zhì)的體積小，使混凝土收縮。該種變形會(huì)隨著混凝土硬化齡期的延長(zhǎng)而增加，大致與時(shí)間的對(duì)數(shù)成正比，一般在混凝土成型40 d內(nèi)增長(zhǎng)較快，以后就漸趨穩(wěn)定，不可恢復(fù)。

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

③溫度變形：混凝土隨溫度的變化而產(chǎn)生熱脹冷縮變形。混凝土的溫度線膨脹系數(shù)為（0．6～1．3）×10-5mm/℃/mm,對(duì)于高速鐵路大跨度連續(xù)梁和高墩橋梁，在外界氣溫變化較大的情況下，可能會(huì)產(chǎn)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?gòu)椝苄宰冃危夯炷磷鳛橐粋€(gè)彈塑性體在短期荷載作用下，既產(chǎn)生彈性變形，又產(chǎn)生塑性變形。

②徐變：混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下，隨時(shí)間而增長(zhǎng)的變形?；炷列熳冎饕冶取⑺嘤昧?、骨料性質(zhì)和所受荷載有關(guān)。

線下構(gòu)筑物基礎(chǔ)沉陷是指構(gòu)筑物在重力作用下，構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉引起的沉降。

在高速鐵路施工過(guò)程中，對(duì)線下構(gòu)筑物的工后沉降已進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估，變形已趨于穩(wěn)定，不應(yīng)對(duì)鐵路線路平順性產(chǎn)生影響。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和鐵路線路周圍環(huán)境的劇烈變化，亦會(huì)導(dǎo)致高速鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生沉降現(xiàn)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(tái)基礎(chǔ)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(jù)鐵建設(shè)函[2005]754號(hào)《客運(yùn)專線無(wú)碴軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》，高速鐵路土質(zhì)路基均應(yīng)進(jìn)行工后沉降分析。路基在無(wú)碴軌道鋪設(shè)完成后的工后沉降，應(yīng)滿足扣減調(diào)整和線路豎曲線圓順的要求。工后沉降一般不能超過(guò)扣件允許的沉降調(diào)高值15 mm；沉降比較均勻、長(zhǎng)度大于20 m的路基，允許的最大工后沉降值為30 mm，并且調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑應(yīng)滿足下列要求：

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

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

根據(jù)德國(guó)《無(wú)碴軌道的總體技術(shù)規(guī)范技術(shù)通告》（2002．8．1 DB Netz NST）和DIN技術(shù)報(bào)告101，鋪設(shè)無(wú)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(shí)，λ（L）=0．8，L>10 m時(shí)，λ（L）=0.4；δ804為橋梁撓度。

連續(xù)、簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)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(jù)德國(guó)《無(wú)碴軌道的總體技術(shù)規(guī)范技術(shù)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(shè)計(jì)、施工階段就采取了一定措施控制工后沉降[5]。例如，對(duì)軟土地基通過(guò)設(shè)置樁+筏板，對(duì)路基基礎(chǔ)進(jìn)行加固；對(duì)路堤兩側(cè)設(shè)置壁式擋土墻，加強(qiáng)路基側(cè)向約束；通過(guò)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(shè)置“過(guò)渡段”解決路橋、路隧相接處的差異沉降。

3 氣溫變化對(duì)橋梁工后沉降影響分析

長(zhǎng)三角是全國(guó)城際客運(yùn)系統(tǒng)最發(fā)達(dá)地區(qū)，其高速鐵路網(wǎng)絡(luò)主要由滬寧、滬杭、寧杭和杭甬等客運(yùn)專線組成。長(zhǎng)三角地區(qū)也是全國(guó)地面沉降較嚴(yán)重的地區(qū)，人口稠密，四季變化較明顯，列車安全運(yùn)行至關(guān)重要。長(zhǎng)三角高鐵網(wǎng)滬寧城際鐵路全長(zhǎng)超過(guò)300 km，采用無(wú)碴軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km。本文選用滬寧城際鐵路昆山某段大跨度連續(xù)梁作為研究對(duì)象，研究季節(jié)性氣溫變化對(duì)高速鐵路橋梁撓度變形的影響。

該連續(xù)梁全長(zhǎng)270 m，由3孔組成，最大跨度120 m，橋梁上的CPIII控制點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，CPIII點(diǎn)分布情況如圖1所示。

圖1 橋梁及CPIII點(diǎn)分布示意圖

監(jiān)測(cè)從2012年9月份開(kāi)始至2013年8月結(jié)束，為期1 a，共觀測(cè)11次，觀測(cè)均在列車運(yùn)行天窗時(shí)間（0:00～4:00）進(jìn)行，采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法。收集到的每期觀測(cè)當(dāng)天天氣情況如表2所示。

表2 周期觀測(cè)天氣概況表

以2012-09-18觀測(cè)數(shù)據(jù)為首期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以后每期數(shù)據(jù)與其進(jìn)行比較，觀察橋梁上的CPIII控制點(diǎn)隨時(shí)間的變化情況。圖2展示了下行CPIII控制點(diǎn)累計(jì)變化縱斷面曲線圖。取橋梁中間CPIII點(diǎn)46307號(hào)點(diǎn)，繪出其累計(jì)沉降量與時(shí)間的年度變化曲線，如圖3所示。同時(shí)，繪制觀測(cè)當(dāng)日平均氣溫-時(shí)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(jié)性氣溫降低而發(fā)生垂直下沉撓度變形，隨季節(jié)性氣溫回升而又回彈恢復(fù)，且橋梁累計(jì)變化趨勢(shì)與氣溫變化趨勢(shì)相符。同時(shí)，通過(guò)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(wú)基礎(chǔ)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(nèi)。

圖2 下行CPIII控制點(diǎn)累計(jì)變化縱斷面曲線圖

圖3 CPIII點(diǎn)46 307號(hào)點(diǎn)年度累計(jì)變化曲線

圖4 觀測(cè)期間氣溫變化曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

高速鐵路運(yùn)營(yíng)期工后沉降監(jiān)測(cè)對(duì)列車安全運(yùn)行至關(guān)重要，線下構(gòu)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(guò)工程實(shí)例可以看出，季節(jié)性氣溫變化對(duì)高速鐵路橋梁產(chǎn)生較大的撓度變形。在未來(lái)的高速鐵路沉降監(jiān)測(cè)中，應(yīng)加強(qiáng)年季節(jié)氣溫變化沉降影響的監(jiān)測(cè)，總結(jié)季節(jié)性氣溫變化的沉降影響量與橋梁跨度、氣溫的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)工后沉降總量進(jìn)行修正，分析沉降段沉降總量構(gòu)成和形成原因，為線下工程維護(hù)與整治提供依據(jù)。

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1672-4623（2014）05-0129-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.047

周金國(guó)，碩士，主要從事精密工程測(cè)量與GPS技術(shù)研究。

2014-06-27。

項(xiàng)目來(lái)源：重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題資助項(xiàng)目（KJC201336）。