橋墩溫度荷載對(duì)高墩大跨橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的影響研究

羅華朋，馬旭峰，肖杰靈，王平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

橋墩溫度荷載對(duì)高墩大跨橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的影響研究

羅華朋，馬旭峰，肖杰靈，王平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

在高墩大跨橋梁中，由于夏季太陽(yáng)輻射作用混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)膨脹，橋墩整體升溫會(huì)導(dǎo)致墩頂豎向位移增加，從而引起橋上無(wú)縫線路縱向附加力和鋼軌豎向位移。為研究橋墩整體升溫對(duì)無(wú)砟軌道中軌道部件受力和變形的影響，基于梁軌相互作用原理，利用有限元方法，建立線—橋—墩一體化模型，分析高墩大跨橋墩升溫條件下橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的受力以及平順性。計(jì)算結(jié)果表明:橋墩整體升溫對(duì)鋼軌的縱向力、梁軌相對(duì)位移、凸臺(tái)樹脂變形和凸臺(tái)受力的影響均很小，在無(wú)縫線路設(shè)計(jì)和檢算時(shí)可以不考慮其對(duì)鋼軌強(qiáng)度的影響，但會(huì)引起線路豎向不平順，且主要是長(zhǎng)波不平順。

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu) 橋墩升溫 無(wú)縫線路 無(wú)砟軌道

1 模型的建立

本文分析高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩受整體溫度荷載作用下軌道各部件的受力、變形規(guī)律以及對(duì)線路不平順的影響［1-3］。以CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋無(wú)砟軌道無(wú)縫線路主要由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿充填層、底座板、凸形擋臺(tái)、樹脂填充層、橋梁梁體、橋墩等組成［4］。依據(jù)梁軌相互作用原理，建立橋墩升溫的線—橋—墩一體化模型。鋼軌選用梁?jiǎn)卧M，根據(jù)鋼軌的截面積、慣性矩以及扭轉(zhuǎn)彎矩等參數(shù)，按實(shí)際截面屬性建模。扣件采用非線性彈簧單元模擬，扣件的阻力和剛度值均根據(jù)實(shí)測(cè)值選取。考慮到梁體、橋墩控制截面是漸變的及橋墩整體溫度的變化和縱橫向溫度梯度作用，梁體和橋墩均用Beam 188單元模擬。CA砂漿層、樹脂層采用非彈性彈簧單元Combin39模擬，CA砂漿層考慮了縱向阻力、橫向阻力和垂向剛度，樹脂層僅考慮縱橫向阻力［5-6］。計(jì)算橋型采用在連續(xù)梁兩端各布置5跨32 m簡(jiǎn)支梁，即5×32 m+(89+189+89)m+5×32 m連續(xù)剛構(gòu)橋梁，在橋梁左右橋臺(tái)外側(cè)分別建立150 m的路基段用以消除計(jì)算模型中的邊界效應(yīng)。線—橋—墩一體化模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型示意

2 梁體及軌道板升溫條件下軌道各部件的受力、變形分析

全橋鋪設(shè)常阻力扣件，整體式單元板摩阻力取為6.3 kN/m，極限位移取為0.2 mm。樹脂強(qiáng)度取線性剛度為80 kN/mm。依據(jù)《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于無(wú)砟軌道橋上無(wú)縫線路，在計(jì)算無(wú)縫線路伸縮附加力時(shí)對(duì)橋梁梁體和軌道板施加的溫度荷載Δt= 30℃。計(jì)算得到的鋼軌伸縮附加力、各部件的縱向位移、梁軌及板軌相對(duì)位移、凸形擋臺(tái)縱向力、凸形擋臺(tái)樹脂壓縮量如圖2所示。各部件受力和變形最大值見表1。圖2中樹脂變形正值表示離縫，負(fù)值表示壓縮。

圖2 梁體及軌道板升溫條件下計(jì)算結(jié)果

表1 梁體、軌道板同時(shí)升溫條件下軌道各部件受力和變形最大值

從圖2可以看出，鋼軌伸縮附加力最大值發(fā)生在剛構(gòu)橋的左側(cè)梁端處。因軌道板與CA砂漿間的摩擦阻力不足以完全阻止軌道板與橋梁間的相對(duì)位移，凸形擋臺(tái)周圍樹脂會(huì)承受縱向力而變形，其最大縱向力同樣出現(xiàn)在剛構(gòu)橋的左側(cè)梁端處，樹脂的最大壓縮或離縫也發(fā)生在此部位。板軌相對(duì)位移最大值為16.361 mm，未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的限值(70 mm)。樹脂壓縮量最大值為2.530 mm，樹脂離縫最大值為2.562 mm，未超過(guò)規(guī)范規(guī)定限值(3 mm)。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知凸臺(tái)所受縱向力及樹脂的壓縮量只與單元板上的扣件縱向力、板下摩阻力有關(guān)，而與橋梁溫度無(wú)關(guān)。這說(shuō)明CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)適合在大跨度橋梁上鋪設(shè)。

3 橋墩整體升溫條件下軌道各部件的受力、變形分析

在高墩大跨橋梁中，橋墩升溫會(huì)帶來(lái)墩頂豎向位移，從而引起橋上無(wú)縫線路的縱向附加力［7］。在本文所舉橋例中，由于橋臺(tái)和簡(jiǎn)支梁橋橋墩高度較低，其自身在溫度荷載作用下的變形很小，因此不考慮兩者的溫度變化。以1#和2#鋼構(gòu)橋墩溫度改變15℃為例進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示，墩頂位移和墩底豎向力見表2。從圖3及表2中可知，剛構(gòu)橋雖然左右對(duì)稱，在左右梁端處鋼軌縱向力的大小存在差異，這是由兩橋墩高度差引起的。由橋墩整體升溫所引起的鋼軌縱向力、梁軌相對(duì)位移、凸臺(tái)縱向力、樹脂變形均非常小，可以忽略不計(jì)。同時(shí)，由于橋墩的豎向剛度很大，墩底所受豎向力不會(huì)對(duì)橋墩產(chǎn)生較大影響。

從上面的分析中可以看出雖然橋墩的整體升溫對(duì)線路的強(qiáng)度影響很小，但是對(duì)鋼軌的豎向變形影響很大，其中最大的鋼軌豎向位移為14.64 mm，因此橋墩升溫會(huì)造成線路的高低不平順。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2009)，用弦測(cè)法計(jì)算線路的高低不平順，采用10 m弦不平順矢度不超過(guò)2 mm，30 m弦隔5 m校核值不超過(guò)2 mm，300 m弦隔150 m校核值不超過(guò)10 mm［6］。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 橋墩整體升溫時(shí)計(jì)算結(jié)果

表2 墩頂位移和墩臺(tái)力計(jì)算結(jié)果

從圖4可以看出，10 m弦的矢度最大值(短波不平順)為0.53 mm，小于規(guī)范限值(2 mm);30 m弦隔5 m校核最大值(中波不平順)為0.69 m，小于規(guī)范限值(2 mm);300 m弦隔150 m校核最大值(長(zhǎng)波不平順)為9.20 m，小于規(guī)范限值(10 mm)。雖然長(zhǎng)波不平順未超過(guò)規(guī)范限值，但已十分接近，可見橋墩升溫主要影響線路豎向的長(zhǎng)波不平順。

圖4 線路不平順計(jì)算結(jié)果

橋墩、梁體和軌道板同時(shí)升溫及梁體和軌道板升溫2種工況時(shí)，軌道各部件的受力和變形對(duì)比如圖5，墩底縱向力見表3。

表3 2種工況墩底縱向力kN

從圖5和表3中可以看到，整體升溫時(shí)鋼軌的最大縱向附加力仍位于連續(xù)剛構(gòu)橋的左端，與梁體和軌道板升溫工況相比，幾乎沒有變化。同樣梁軌相對(duì)位移、凸臺(tái)樹脂變形、凸臺(tái)縱向力的變化也均較小，對(duì)于橋墩墩臺(tái)的受力還有微弱的降低作用。

上述橋墩升溫對(duì)線路不平順影響的分析主要是針對(duì)長(zhǎng)波不平順，且橋墩升溫為15℃。有必要分析橋墩不同升溫條件對(duì)線路高低不平順的影響。橋墩升溫15，20，25，30℃等工況下的線路不平順計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖5 2種工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖6 橋墩不同升溫條件下線路不平順計(jì)算結(jié)果

從圖6可知，隨著橋墩溫度的升高，線路不平順不斷增加。短波、中波不平順在橋墩整體升溫達(dá)到30℃時(shí)仍未超過(guò)規(guī)定限值(2 mm)，當(dāng)升溫達(dá)到20℃時(shí)，線路長(zhǎng)波不平順超過(guò)規(guī)定限值(10 mm)。

由于橋墩高度等原因，高墩大跨橋梁橋墩剛度不可能很大，因此有必要研究橋墩剛度變化時(shí)橋墩整體升溫引起的線路不平順［8］。計(jì)算中主要考慮了橋墩剛度為原始剛度的0.1，0.5，1.0，2.0倍4種工況，鋼軌豎向位移計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可知，對(duì)于不同的橋墩剛度，橋墩整體升溫所引起的鋼軌豎向位移最大值為14.749 mm，最小值為14.687 mm，兩者相差極小。由于橋墩剛度的變化所引起的線路不平順變化非常小。同樣，橋墩剛度的變化對(duì)軌道部件受力和變形的影響也較小。

圖7 不同剛度條件下橋墩升溫引起的鋼軌豎向位移

4 結(jié)論及建議

1)對(duì)于高墩大跨橋上無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)，需要考慮橋墩升溫這種特殊荷載的作用。對(duì)高墩大跨橋上無(wú)縫線路進(jìn)行設(shè)計(jì)和檢算時(shí)，不能僅檢算橋上無(wú)縫線路的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，還需要考慮橋上無(wú)縫線路在特殊荷載作用下造成的不平順是否超過(guò)規(guī)定限值。

2)橋墩整體升溫對(duì)鋼軌縱向力、凸臺(tái)樹脂的變形、凸臺(tái)縱向力、墩頂位移產(chǎn)生的影響均很小，建議對(duì)于高墩大跨橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的檢算，不考慮橋墩整體升溫對(duì)鋼軌強(qiáng)度的影響。

3)橋墩整體升溫會(huì)引起鋼軌的豎向位移，從而造成線路豎向不平順，且主要集中在長(zhǎng)波范圍內(nèi)。橋墩升溫15℃且有砟軌道梁體升溫相同時(shí)，線路的短波、中波、長(zhǎng)波高低不平順均不會(huì)超過(guò)規(guī)范限值。橋墩升溫20℃且無(wú)砟軌道梁體升溫相同時(shí)，線路的長(zhǎng)波高低不平順會(huì)超過(guò)規(guī)范限值。

4)橋墩剛度變化時(shí)，橋墩升溫對(duì)軌道部件受力和變形影響很小，線路不平順的變化也較小，可以忽略不計(jì)。

［1］劉浩.風(fēng)荷載對(duì)高墩大跨橋梁橋上無(wú)縫線路的影響［J］.鐵道建筑，2013(12):15-18.

［2］劉婷林.溫度梯度對(duì)高墩橋上無(wú)縫線路的影響分析［J］.鐵道建筑，2014(4):121-124.

［3］李陽(yáng)春.橋墩溫差荷載作用下橋上無(wú)縫線路鋼軌附加力研究［J］.鐵道建筑，2008(2):6-9.

［4］曲村.高速鐵路長(zhǎng)大橋梁CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路力學(xué)特性分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(4):13-17.

［5］王彪.連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道凸形擋臺(tái)縱向力分析［J］.鐵道建筑，2013(3):117-120.

［6］全順喜.高速道岔幾何不平順動(dòng)力分析及其控制方法研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2012:83-85.

［7］李秋義.橋墩溫差荷載引起的橋上無(wú)縫線路鋼軌附加力［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2007(4):50-54.

［8］朱浩.連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩剛度對(duì)橋上無(wú)縫線路的影響［J］.鐵道建筑，2014(1):109-111.

(責(zé)任審編李付軍)

U213.9

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.33

1003-1995(2015)06-0127-05

2014-09-16;

2014-10-25

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(SWJTU12CX079)

羅華朋(1991—)，男，安徽濉溪人，碩士研究生。