溫度變化對高速鐵路連續(xù)梁橋的影響分析

楊　娟

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶　400067)

溫度變化對高速鐵路連續(xù)梁橋的影響分析

楊娟

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶400067)

摘要：隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，山區(qū)鐵路橋梁的數(shù)量也隨之增加，越來越多的線路需要跨越深溝深谷，從而需要修建大量的高墩大跨橋梁。目前我國大部分高墩橋梁依然采用混凝土澆筑形式，而想要列車在這類橋上保持運行的平穩(wěn)性和安全性，則需要解決溫度變化和收縮徐變帶來的影響?；诖耍阅?8 m+80 m+48 m的預應力混凝土連續(xù)梁橋為例，就溫度變化對高速鐵路連續(xù)梁橋的影響進行相關研究，分別研究橋梁結構在整體升、降溫和局部溫差情況下其產生的響應，包括橋面的豎向變形曲線，跨中橫向最大位移，豎向、橫向加速度等。研究結果對實際橋梁結構的修建和養(yǎng)護具有借鑒意義。

關鍵詞：溫度變化；大跨度橋梁；響應；安全性指標

隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，山區(qū)鐵路橋梁的數(shù)量也在隨之增加，越來越多的線路需要跨越深溝深谷，從而需要修建大量的高墩大跨橋梁。目前，我國墩高最高的鐵路橋梁最高主墩高度已達到了128 m，設計車速為160 km/h，為使該橋在橫向剛度上滿足設計要求，橋墩在橫向上采用的是雙變坡呈掃帚形。由于我國大部分高墩橋梁依然采用混凝土澆筑形式，所以要想列車在大跨度高墩橋梁結構上依然保持運行的平穩(wěn)性和安全性[1]，則需要解決溫度變化和收縮徐變帶來的影響?；诖耍疚囊阅?8 m+80 m+48 m的預應力混凝土連續(xù)梁橋為例，就溫度變化對高墩橋梁的影響進行相關研究，研究內容主要包括整體升、降溫和局部溫差作用對橋梁、車輛以及軌道系統(tǒng)振動響應[2]的影響。

1研究背景與計算條件

1.1研究背景

本文以某48 m+80 m+48 m的預應力混凝土連續(xù)梁橋為背景進行研究。該橋總長177.5 m，L邊/L中=0.6，其中L邊為邊跨長度，L中為中跨長度。橋面寬度：防護墻內側凈寬9.0 m，橋上人行道欄桿內側凈寬12.1 m，箱梁寬12.2 m。由于該橋為高速鐵路連續(xù)箱形梁橋，所以采用的橫截面形式為扁平單箱單室。橋梁總體布置和零號塊半截面如圖1、圖2所示。

1.2計算條件

為了研究溫度變化對上述橋梁車橋耦合系統(tǒng)[3]的影響，本文對5種工況下橋梁結構的響應進行了分析。這5種工況分別是不考慮溫度變化的影響、橋梁結構整體升溫10 ℃、整體降溫10 ℃、局部溫度作用(箱梁最大橫向位移)及局部溫差作用(箱梁最大豎向位移)，具體見表1。經計算可以得到5種工況下橋面的豎向變形曲線，為了進一步分析溫度變化對橋梁、車輛以及軌道系統(tǒng)動力響應的影響，本文將溫度變化情況下橋面的豎向變形曲線[4]與軌道進行不平順疊加來作為橋梁結構的激勵以進行車-線-橋動力計算。

圖1橋梁總體布置示意

圖2　零號塊半截面

工況編號曲線序號說明1組合曲線a不考慮溫度變化的影響2組合曲線b橋梁結構整體升溫10℃3組合曲線c橋梁結構整體降溫10℃4組合曲線d局部溫差作用(箱梁產生最大橫向位移)5組合曲線e局部溫差作用(箱梁產生最大豎向位移)

1.3橋梁豎向變形曲線

對上述5種工況下橋面的豎向變形值進行分析，通過在MIDAS模型中修改初始條件，便得到了各工況下的變形具體值，如圖3所示。

圖3　橋面豎向變形值

2動力仿真分析

2.1橋梁結構動力響應

列車在橋梁結構上行駛時，梁體會產生一定的振動，振動較大時便會使橋上的線路發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，進而影響列車的行駛安全。鑒于此，相關專家對橋梁結構的變形和振動加速度進行了相應的限制[5]，由《鐵路橋梁檢定規(guī)范》可知，對于半幅、有碴軌道而言，橋梁結構豎向振動加速度限值為3.5 m/s2；對于半幅、無碴軌道而言，橋梁結構豎向振動加速度限值為5.0 m/s2；考慮橋梁橫向振動加速度限值時，無論是有碴軌道還是無碴軌道，限值都為1.4 m/s2。連續(xù)梁橋結構在國產300車型行駛時，跨中橫向最大位移響應隨速度的變化關系見表2。

表2　國產300車型行駛時跨中橫向最大位移

對各工況下連續(xù)梁橋跨中橫向最大位移在不同車速下的響應值進行分析可知，當列車的運行速度保持不變時，5種工況下橋梁跨中橫向最大位移值十分接近，可見在同一速度下溫度變化對橋梁響應的影響較小。同時，本文也研究了不同跨度連續(xù)梁橋的位移變化值并得到如下結論：橋梁跨中豎向動位移隨跨度的增大而增大，而橫向動位移則與橋梁跨度無明顯的線性關系。由此可知，溫度變形引起的線路不平順對橋梁振動響應的影響較小。

2.2車輛動力響應

2.2.1車輛安全性指標

對列車運行安全性進行評價時，常使用脫軌系數(shù)和輪重減載率[6]2個指標。脫軌系數(shù)與輪重減載率2個參數(shù)可根據(jù)TB 10621—2009《高速鐵路設計規(guī)范(試行)》中的相關規(guī)定來確定。對于實際橋梁結構而言，為了確保列車的行車安全，需要保證脫軌系數(shù)小于或等于0.8，輪重減載率限值則應小于或等于0.6。該連續(xù)梁橋在規(guī)定計算速度下部分脫軌系數(shù)和輪重減載率響應如圖4、圖5所示。

圖4　動車脫軌系數(shù)

基于對該連續(xù)梁橋脫軌系數(shù)、輪重減載率在不同工況下的響應值的分析，得到如下結論。

1)在計算條件下，車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率均隨速度的增大而增大，且車輛的安全性指標均未超限。

圖5　動車輪重減載率

2) 由圖5中各曲線的具體走勢可知，在這5種工況下，車輛的脫軌系數(shù)和輪重減載率曲線基本重合，表明溫度變化對車輛安全性指標的影響較小。

對比分析該連續(xù)梁橋與其他跨度的橋梁結構可知，在相同列車運行速度下，車輛在不同跨度連續(xù)梁上運行時的脫軌系數(shù)、輪重減載率非常接近，說明在橋梁設計合理的情況下，橋梁跨度并不是車輛安全性指標的控制因素，從而也間接說明了溫度變化引起的橋面變形對列車安全性指標影響較小。

2.2.2車輛舒適性指標

乘客在評價一列列車時，往往會用到“舒適性”這一詞，而列車行駛過程中影響人體舒適性的是車體豎向、橫向振動加速度[7]。所以，可以通過觀測車體的豎向、橫向振動加速度及Sperling參數(shù)來判定乘坐的舒適性[8]。由現(xiàn)有規(guī)范可知，在對客車車輛(速度大于200 km/h)進行車橋耦合動力仿真分析時，車體的豎向振動加速度限值為0.13g，承臺橫向振動加速度限值為0.1g。其對應的Sperling評價指標分為3個檔次，分別為：合格，2.75～3.00；良好，2.50～2.75；優(yōu)良，<2.50。各工況下車體豎向、橫向加速度響應以及車輛豎向Sperling指標響應如圖6～8所示。

對該連續(xù)梁橋的舒適性指標在5種不同工況下的響應值進行對比，得到如下結論。

1) 對比圖6各曲線基本走勢可知，車輛豎向加速度會隨著速度的不斷增加而逐漸增加，且車輛的豎向加速度指標不會超過限制。

2) 對比圖6各曲線差距大小可知，在列車運行速度相同的情況下，5種工況下車輛豎向加速度響應值不盡相同，說明溫度變化會對列車的豎向加速度帶來較明顯的影響。

圖6　動車豎向加速度

圖7　動車橫向加速度

圖8　動車豎向Sperling指標

3) 對比圖7 各曲線走勢可知，車輛橫向加速度在各種工況下的變化規(guī)律基本一致，主要原因在于溫度變化導致的橋面變形對車輛來說多為豎向激勵，因此，其對車輛橫向加速度響應影響很小。

4) 對比圖8各曲線可知，溫度發(fā)生變化時，車輛豎向Sperling指標會有不同程度的增大，且在工況4和工況5條件下響應值是最大。

3結論

本文以某48 m+80 m+48 m連續(xù)高墩梁橋為研究對象，分析了溫度變化對橋梁、車輛以及軌道系統(tǒng)振動產生的響應。通過比較分析，得到如下結論。

1) 溫度發(fā)生變化時，橋梁跨中的位移響應與不考慮其影響時基本一致，可見溫度變形引起的線路不平順對橋梁的振動響應影響較小。

2) 連續(xù)梁因溫度變化產生的橋面變形對車輛的脫軌系數(shù)影響不明顯。

3) 溫度發(fā)生變化時，車輛橫向加速度受到的影響較小，而車輛豎向加速度、豎向Sperling指標受到的影響較大。原因在于溫度變化引起的橋面變形多為豎向，故對橋面橫向的影響不大，從而也從側面說明了長波軌道不平順會影響乘車舒適性。

參 考 文 獻

[1]高芒芒.高速鐵路列車-線路-橋梁耦合振動及列車走行性研究[J].中國鐵道科學，2002(2)：135-138.

[2]李小珍，強士中.大跨度公鐵兩用斜拉橋車橋動力分析[J].振動與沖擊，2003(1)：6-9.

[3]張建榮，劉照球，華毅杰.混凝土結構設計中考慮溫度作用組合的研究[J].工業(yè)建筑，2007(1)：42-46.

[4]李小珍，劉德軍，晉智斌.大跨度鐵路懸索橋車-線-橋耦合振動分析[J].鋼結構，2010(12)：6-12.

[5]劉德軍.風—列車—線路—橋梁系統(tǒng)耦合振動研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[6]唐志.鋼管混凝土梁—拱橋徐變及溫度變形對車橋系統(tǒng)動力響應影響研究[D].長沙：中南大學，2009.

[7]謝文霞.混凝土收縮和溫度時變效應耦合作用研究[D].西安：長安大學，2010.

[8]王林.大跨徑預應力混凝土橋梁溫度、徐變效應的分析研究[D].杭州：浙江大學，2005.

Analysis for Influences of Temperature Changes on Continuous Beam Bridges on High-speed Rail

YANG Juan

Abstract:With development of high-speed railways in China, the number of railway bridges in mountainous area increases, and more and more lines need cross deep trenches and valleys. As a result, a lot of high-pier and large-span bridges shall be constructed. At present, most high-pier bridges in China are still cast with concrete. The influences caused by temperature changes and shrinkage creep shall be settled to keep stability and safety of train operation on such bridges. On this basis, and with a 48m+80m+48m prestressed concrete continuous beam bridge as an example, this paper carries out the related researches on the influences of temperature changes on continuous beam bridges on expressways, studies responses of bridge structures in the case of overall temperature change and local temperature difference. The responses include vertical deformation curves of deck, the max. lateral displacement of midspan, and vertical/lateral accelerations, etc. The results of research provide a reference for construction and maintenance of real bridge structures.

Keywords:temperature change; large-span bridge; response; safety index

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.015

收稿日期：2016-01-18

作者簡介：楊娟(1982-)，女，山東省青島市人，碩士，工程師。

文章編號：1009-6477(2016)03-0062-04中圖分類號：U448.21

文獻標識碼：B