橋墩溫度梯度對高墩大跨橋上無砟軌道影響研究

羅華朋,邢 俊,楊 凱,王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實驗室,成都 610031)

橋墩溫度梯度對高墩大跨橋上無砟軌道影響研究

羅華朋,邢 俊,楊 凱,王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實驗室,成都 610031)

由于太陽光的輻射,橋墩的向陽和背陽側(cè)就會存在溫差,當(dāng)橋墩高度較大時,墩頂就會產(chǎn)生較大的縱橫向位移,帶動梁體、軌道板、鋼軌偏移,產(chǎn)生橋上無縫線路附加力。為了研究橋墩縱向溫度梯度作用下對無砟軌道中軌道部件的受力和變形的影響,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,計算結(jié)果表明：僅考慮橋墩縱向溫度梯度荷載時鋼軌會產(chǎn)生較大的附加力,且隨著橋墩剛度的增加,鋼軌附加力也會增加。當(dāng)同時考慮梁體升溫和縱向溫度梯度時產(chǎn)生的鋼軌附加力小于兩者單獨(dú)作用產(chǎn)生的附加力。無論是僅考慮橋墩縱向溫度梯度,還是同時考慮梁體溫升和溫度梯度,凸臺受力和樹脂變形均不會發(fā)生較大變化。

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)；溫度梯度；無縫線路；樹脂變形

近年來，由于無縫線路的發(fā)展以及鐵路基礎(chǔ)建設(shè)的需要，大量跨越交通干線、陡峭峽谷、寬廣河流等特殊領(lǐng)域的高墩大跨橋梁相繼出現(xiàn)。由于這些橋梁自身結(jié)構(gòu)的特殊性以及受到自然的影響，使得高墩大跨橋梁無縫線路的設(shè)計更加復(fù)雜。對于高大橋墩受到溫度梯度荷載下，有砟無縫線路的受力和變形作用已經(jīng)做了大量的研究[1-3]，其中文獻(xiàn)[4]分析了橋墩溫差荷載作用下橋上無縫線路鋼軌附加力大小，但其分析的是簡支梁橋?qū)儆陟o定結(jié)構(gòu)，與橋墩剛度無關(guān)，對于連續(xù)剛構(gòu)橋梁時橋墩剛度對溫度梯度作用下的墩頂位移有密切關(guān)系。而且對于橋上鋪設(shè)無砟軌道時這方面的研究還較少，橋上鋪設(shè)CRTS系列無砟軌道時，使得梁軌相互作用機(jī)理、計算模型及設(shè)計參數(shù)與傳統(tǒng)的有砟軌道又有明顯不同，且無砟軌道無縫線路不僅需要檢算鋼軌強(qiáng)度，還需要綜合考慮無砟軌道中梁軌相對位移，以及凸臺樹脂的受力、變形是否超限。因此，基于上面所述特點(diǎn)，針對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，在橋墩受溫度梯度荷載作用下分析了軌道各部件的受力、變形規(guī)律。

1 計算方法

1.1 計算原理

與普通橋上無縫線路的伸縮、撓曲、制動、斷軌附加力的計算類似，橋墩溫度梯度荷載引起的橋上無縫線路縱向附加力同樣根據(jù)梁軌相互作用原理來分析計算。在溫度梯度荷載作用下，墩頂將產(chǎn)生縱橫向偏轉(zhuǎn)，且通過固定支座帶動梁體一起移動，通過底座板、CA砂漿層、軌道板、扣件系統(tǒng)對鋼軌施加縱向力。鋼軌受力變形后，對橋面系作用大小相等、方向相反的反作用力，通過梁、支座傳遞至墩臺，梁軌之間形成一個相互作用的力學(xué)平衡體系。

1.2 計算模型

以CRTSⅠ型板式無砟軌道為研究對象，無砟軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿充填層、底座板、凸形擋臺、樹脂填充層等結(jié)構(gòu)組成[5]。依據(jù)梁軌相互作用原理，建立用于分析橋墩溫度梯度的線—橋—墩一體化模型。鋼軌、軌道板選用梁單元模擬，根據(jù)鋼軌、軌道板的截面積、慣性矩以及扭轉(zhuǎn)彎矩等參數(shù)，按實際截面屬性建模；線路中采用小阻力扣件系統(tǒng)，縱向上采用非線性彈簧單元模擬[6]，橫向上采用線性彈簧模擬，豎向剛度為3.0×10-4kN/m，CA砂漿層、樹脂層采用非彈性彈簧單元模擬，CA砂漿層考慮了縱向阻力和垂向剛度，整體式單元板摩阻力取為6.3 kN/m，極限位移取為0.2 mm。凸臺樹脂僅考慮其抗壓阻力[7]，樹脂強(qiáng)度取線性剛度為80 kN/mm。對于橋梁結(jié)構(gòu)，考慮到梁體、橋墩控制截面的漸變，同時采用能施加溫度梯度荷載的beam188梁單元模擬。

以連續(xù)剛構(gòu)橋梁為基本對象，在連續(xù)梁兩端各布置5跨32 m簡支梁，即5×32 m+(89+189+89) m+5×32 m連續(xù)剛構(gòu)橋梁，連續(xù)剛構(gòu)橋的兩橋墩高度分別為98、69 m。另外為了消除邊界效應(yīng)，在左右橋臺外側(cè)分別建立150 m的路基段。線-橋-墩一體化模型和軌道部件的傳力特征如圖1所示。

圖1 線-橋-墩一體化模型

2 僅考慮梁體及軌道板升溫條件下軌道各部件的受力、變形分析

計算無砟軌道橋上無縫線路鋼軌伸縮力時，根據(jù)我國《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》，橋梁梁體和軌道板的溫度荷載為Δt=30 ℃。計算得鋼軌伸縮附加力、梁軌相對位移、凸形擋臺樹脂壓縮量、凸形擋臺縱向力，如圖2所示。各部件縱向力和變形最大值見表1。圖中樹脂變形正值表示離縫，負(fù)值表示壓縮。

表1 梁體、軌道板同時升溫條件下軌道各部件受力和變形

圖2 梁體及軌道板升溫條件下計算結(jié)果

從圖2可以看出，鋼軌伸縮附加力最大值出現(xiàn)在剛構(gòu)梁的左側(cè)梁端處，是因為左側(cè)梁端處的梁軌相對位移最大。且溫度升高較大時，由于軌道板與CA砂漿之間的摩阻力不能夠完全阻止梁軌相對位移，從而使軌道板壓縮凸型擋臺周圍樹脂，凸臺樹脂變形進(jìn)而提供部分縱向阻力。凸型擋臺周圍樹脂變形量未超過3 mm，滿足規(guī)范要求。

3 橋墩縱向溫度梯度下軌道各部件的受力、變形分析

目前在我國《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》未考慮該溫度梯度荷載，暫按德鐵橋梁設(shè)計規(guī)范DS804取溫差為5 ℃。并且假設(shè)橋墩溫差沿墩高方向均勻分布，不計橋墩基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)對墩頂縱向位移的影響，橋墩任一截面內(nèi)溫度變化為線性。

在文獻(xiàn)[4]中，橋墩采用彈簧單元模擬，把溫度梯度引起的墩頂位移直接施加到彈簧上，這樣存在一定的缺陷，因為實際是軌-梁-墩共同作用的結(jié)果，若把上部無任何約束下產(chǎn)生墩頂位移作為定值施加在系統(tǒng)中不合理。因此對于橋墩運(yùn)用能直接施加溫度荷載的梁單元。由于兩側(cè)的簡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，因此不考慮其溫度變化。以1號、2號橋墩兩側(cè)溫差5 ℃為例，計算結(jié)果如圖3所示，墩頂位移和墩臺力如表2所示。

圖3 橋墩整體升溫時計算結(jié)果

鋼軌附加力/kN墩臺1號縱向力/kN墩臺2號縱向力/kN梁軌相對位移/mm凸臺縱向力/kN樹脂壓縮量/mm樹脂離縫/mm440.694-2952.110-336.6274.343160.7182.0082.025

從圖3及表2中可以得到，剛構(gòu)橋雖然左右對稱，但由于剛構(gòu)橋墩高度差的存在，使得梁端處鋼軌縱向力的大小和墩臺縱向力存在差異。同樣凸臺樹脂的變形未超過規(guī)范規(guī)定限值。對于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁，結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，在溫度荷載作用下產(chǎn)生的橋墩墩頂偏轉(zhuǎn)與橋墩剛度取值有密切關(guān)系，因此，有必要研究橋墩剛度變化時橋墩縱向溫度梯度對橋上無縫線路受力和變形的影響。計算中通過修改模擬橋墩的梁單元的彈性模量來實現(xiàn)橋墩剛度的改變，主要考慮了橋墩剛度為原始剛度的0.1、0.5、1、2倍4種工況，計算結(jié)果見圖4。

圖4 不同橋墩剛度時計算結(jié)果

圖5為不同剛度下的鋼軌附加力、梁軌相對位移、凸臺縱向力和樹脂變形的最大值變化情況。

圖5 不同橋墩剛度與設(shè)計值之比時計算結(jié)果

從圖4、圖5可以看出，隨著橋墩剛度的增大，在相同溫度梯度作用下，鋼軌附加力，梁軌相對位移，凸臺縱向力和樹脂變形均相應(yīng)增大。這是由于墩臺剛度越大，則在溫度梯度荷載作用下橋墩墩頂偏轉(zhuǎn)量越大，從而帶動上部梁體和鋼軌之間產(chǎn)生更大的相對位移。且從圖中可以看出，當(dāng)橋墩剛度為設(shè)計值的0.1倍時，對應(yīng)的鋼軌附加力僅為107.900 kN，占第2節(jié)計算鋼軌附加力的14.85%，當(dāng)橋墩剛度為設(shè)計值的2倍時，對應(yīng)的鋼軌附加力為555.204 kN，占第2節(jié)計算鋼軌附加力的76.40%，可見剛度的大小對橋墩縱向溫度梯度荷載、對橋上無縫線路具有重要的影響。

同時考慮橋墩溫度梯度和梁體、軌道板溫升時，對軌道各部件的受力和變形的影響，計算結(jié)果如圖6所示，墩臺力和墩頂位移見表3。

圖6 梁體、軌道板+橋墩溫度梯度計算結(jié)果

墩編號工況12僅梁體軌道板升溫墩底縱向力/kN2921.524-3615.573梁體、軌道板+橋墩升溫墩底縱向力/kN309.984-3515.145

從圖6(a)中可以看出，由于溫度梯度荷載的作用，使得鋼軌附加力增加較大，此時的鋼軌附加力為1038.790 kN，相比僅梁體溫升時的鋼軌附加力增加了311.520 kN，但相比于僅受溫度梯度荷載作用下的鋼軌附加力440.694 kN要小，這是由于扣件阻力的非線性引起的。從圖6(c)、(d)中可以看出，即使在鋼軌附加力增加較大的情況下，凸臺縱向力和樹脂變形均幾乎無增長，這是因為當(dāng)凸形擋臺周圍樹脂層強(qiáng)度滿足設(shè)計值時，凸臺所受最大縱向力不會超過軌道板上所有扣件縱向阻力之和。從表3可以看出，考慮橋墩溫度梯度作用后，兩剛構(gòu)墩的墩臺力會降低，這是由于溫度梯度荷載下產(chǎn)生的墩臺力和梁體升溫作用下產(chǎn)生的墩臺力方向相反，進(jìn)而產(chǎn)生疊加抵消作用，這與溫度梯度荷載施加的方向有關(guān)，檢算時應(yīng)該考慮最不利的組合來檢算墩臺剛度。

4 結(jié)論及建議

(1)對于高墩大跨橋上無縫線路的設(shè)計，不能僅僅考慮伸縮、撓曲、制動和斷軌等

工況的作用，還需考慮對高墩大跨橋梁有較大影響的一些特殊荷載的作用。

(2)在橋墩溫度梯度荷載下，會產(chǎn)生較大的鋼軌附加力，且隨著橋墩剛度的增加進(jìn)一步增加。但考慮溫度梯度和梁體溫升組合作用時，明顯小于各單獨(dú)作用之和。建議根據(jù)實際情況確定溫度梯度荷載大小和形式之后，對高墩大跨橋上無縫線路設(shè)計或檢算時考慮橋墩溫差的影響，并與梁體溫升耦合計算。

(3)無論從僅考慮梁體溫升，還是同時考慮梁體溫升和橋墩溫度梯度，凸臺縱向力和樹脂變形均幾乎無增長，凸臺所受最大縱向力不會超過軌道板上所有扣件縱向阻力之和，因此凸臺樹脂壓縮量也不會超過規(guī)范規(guī)定限值3 mm。

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

[2]張夢楠.高墩大跨橋梁橋墩升溫對橋上無縫線路的影響研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014(9):32-35.

[3]胡志鵬.高墩大跨橋梁橋墩沉降對橋上無縫線路的影響[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(10):23-26.

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

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

[6]中華人民共和國鐵道部.TB10015—2012鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2013.

[7]謝鎧澤.橋上單元板式無砟軌道無縫線路的適應(yīng)性[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2014，49(4):649-655.

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

[9]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(xué)，2012.

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

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

[12]張揚(yáng).高墩大跨剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋的設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(4):80-82.

[13]張寧.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩穩(wěn)定性分析[J].北方交通，2013(1):39-41.

[14]楊艷麗.鋪設(shè)無縫線路的橋梁墩臺縱向線剛度設(shè)計研究[D].長沙:中南大學(xué)，2008.

[15]張亞爽.高墩水平溫差對連續(xù)剛構(gòu)橋上無縫線路影響[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014(11):20-24.

Effects of Pier Temperature Gradient on Ballastless Track of Long-span Bridge

LUO Hua-peng, XING Jun, YANG Kai, WANG Ping

(MOE Key Laboratory of High speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Due to solar radiation, both sides of a bridge are subjected to different temperatures. Where the height of a pier is larger, the pier will experience a greater longitudinal displacement, forcing the beam body, the track slab and the rail to displace, generating additional stress on CWR on the bridge. In order to understand the law of force and deformation of the ballastless track under pier temperature gradient, a line-bridge-pier integration model of CWR is established based on the beam-track interaction principle and the finite element method. The results show that the additional stress on the rail increases with the increase of the piers stiffness in perspective of only the vertical temperature gradient of pier load. In consideration of both the beam heating and the vertical temperature gradient, the additional rail stress is less than that when the stress generated by beam heating or vertical temperature gradient is considered respectively. The boss stress and resin deformation are not changed greatly regardless of the only pier vertical temperature gradient, or both the beam heating and vertical temperature gradient.

High pier and long span continuous rigid frame; Temperature gradient; CWR; Resin deformation

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項目(SWJTU12CX079)

羅華朋(1991—)，男，碩士研究生，E-mail：756468322@qq.com。

1004-2954(2015)08-0026-04

U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.006