溫度梯度下連續(xù)剛構橋-軌道受力特性研究

李 慧

（中鐵十六局集團第五工程有限公司 河北唐山 064000）

1 引言

我國高速鐵路網(wǎng)中，經(jīng)常用橋梁替代路基作為支撐結(jié)構，目前橋梁所占比例已超50%［1］，而受力合理、造價低并且施工便捷的剛構橋相當普及使用。與橋上有砟結(jié)構不同，無縫線路在荷載作用下，會產(chǎn)生更大的橋-軌相互作用問題。對于這種梁軌相互作用問題，大量學者已展開相應的研究，方利分析了制動力影響下，橋上無縫線路在滑動層不同摩擦系數(shù)工況下的受力［2］；楊磊探討了各種荷載工況下剛構橋-軌結(jié)構受力情況［3］；劉成研究了剛構橋上梁體-軌道溫度場不同工況對橋上無縫線路受力的影響［4］；楊陽探討了CFST系桿拱橋在不同溫度場工況下受力特性［5］。

針對大跨度連續(xù)剛構橋，由于梁和墩之間為剛性連接，下部結(jié)構變形對連續(xù)剛構橋-軌系統(tǒng)受力特性影響較大［6］。而溫度梯度會使截面產(chǎn)生水平方向位移和轉(zhuǎn)角以及沿豎、橫向的撓曲變形，橋-軌系統(tǒng)又是相互制約的整體，梁體變形會由扣件等構件影響到鋼軌，引起鋼軌應力［7］。

本文采用3-32 m簡支梁+（72+128+72）m剛構橋+3-32 m簡支梁為例，建立了墩-梁-軌系統(tǒng)非線性仿真模型，研究了梁豎向、橋墩縱橫向單獨存在溫度梯度荷載時系統(tǒng)受力變形特征以及梁墩同時存在溫度梯度時橋梁-軌道系統(tǒng)的響應，分析了溫度梯度幅度給系統(tǒng)帶來的影響。

2 連續(xù)梁大跨度剛構橋-軌作用模型

2．1 梁軌相互作用模型驗證

研究橋梁-軌道相互影響作用的重點是怎樣模擬橋-軌的連接方式。本文中使用梁單元模擬軌道，用非線性桿單元模擬線路阻力，用線性彈簧模擬扣件的豎向剛度［8-10］，用梁單元模擬梁體，用線性彈簧模擬橋墩縱向抗推剛度。形成了跨度為60 m的梁-軌有限元模型，見圖1。

圖1 梁軌相互作用計算模型

UIC［11］C.2范例中，梁端部采用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，本文將計算結(jié)果與C2范例對比來驗證模型可靠程度。

梁體彈性模量E＝2.1E8 kN／m2，截面面積A＝0.74 m2，慣性矩 I＝2.59 m4，梁高 H＝6.0 m，混凝土線膨脹系數(shù)1e-5，梁體中性軸至橋面距離w＝1.21 m。線路縱向阻力取值如下式：

按照梁體升溫35℃的工況來計算伸縮力；制動力采用全跨加載的方式。表1為計算結(jié)果。

表1 模型正確性驗證結(jié)果

如結(jié)果所示，模型計算與算例誤差極小，驗證了本文建立的梁-軌系統(tǒng)模型是可靠的。

2．2 連續(xù)剛構橋-軌道相互作用模型

使用3-32 m簡支梁+（72+128+72）m剛構橋+3-32 m簡支梁作為研究對象，路基采用兩側(cè)各延長100 m長度來模擬［12］。圖2中，軌道各結(jié)構建模方式與驗證模型相同，根據(jù)實際對橋墩進行模擬，采用等效剛度矩陣對墩底樁土共同作用模擬［10］。

圖2 剛構橋-軌道系統(tǒng)模型

3 梁體豎向溫度下梁-軌作用特性

3．1 梁體溫度下系統(tǒng)受力

本文使用中國鐵路規(guī)范［13］關于溫度梯度的建議，取正溫度梯度20℃，負溫度梯度10℃。計算鋼軌應力、豎向位移、墩頂水平力以及墩頂位移，結(jié)果見圖3，墩頂彎矩見表2。

表2 梁體溫度作用下墩頂彎矩 kN·m

由圖3得，梁僅有豎向溫度梯度時，鋼軌應力在縱向與鋼軌位移圖線幾乎對稱，鋼軌應力在橋臺處以及各跨跨中位置略大，正溫度梯度下極值為9.8 MPa（拉應力）、21.9 MPa（壓應力），負溫度梯度下應力值為 11.0 MPa（拉應力）、4.9 MPa（壓應力）；鋼軌豎向位移在各跨跨中位置較大，正負溫度梯度下最大值均出現(xiàn)在全橋跨中位置附近，分別為16.5 mm、8.3 mm。墩頂力在水平方向上的峰值存在于連續(xù)剛構橋橋墩處，為1 013.4 kN（4#墩），而水平方向上的位移較小。

圖3 梁體溫度作用下結(jié)構受力變形

分析表2可知，墩頂彎矩在連續(xù)剛構橋橋墩以及連續(xù)剛構橋與簡支梁橋交界處較大，其中最大值出現(xiàn)在4#墩，為69 587.5 kN·m，因此需要驗證高墩大跨橋梁的墩頂彎矩。

3．2 梁體溫度梯度幅度的影響

為了探究梁體不同溫度梯度幅度對橋梁-軌道系統(tǒng)的影響，取-15℃、30℃、40℃三種工況，計算結(jié)果見圖4。

對比圖4、圖3與表2可知，梁體豎向溫度梯度增大會引起系統(tǒng)受力變形增大。當梁體溫度梯度由-10℃增加到-15℃后，鋼軌應力以及豎向位移增大約50%。正溫度梯度下，由20℃增大到40℃時，鋼軌與下部結(jié)構受力與變形增大約2倍，鋼軌應力峰值與豎向位移峰值為36.7 MPa和33.1 mm；墩頂力在水平方向以及彎矩峰值為2 025.7 kN和139 252.1 kN·m，墩頂位移在水平方向峰值為4.0 mm，最大值出現(xiàn)的位置不變。

圖4 梁體溫度下結(jié)構受力特性

4 高墩溫度梯度下梁軌相互作用特征

4．1 橋墩縱橫向溫度梯度作用下系統(tǒng)受力特性

為了研究縱橫向溫度場作用于橋墩時，橋-軌系統(tǒng)的受力及形變特性，選取20℃、-10℃的橋墩截面縱橫向溫差，鋼軌受力變形分布如圖5。

由圖5可知，橋墩溫度梯度會影響路基段鋼軌應力，在1#墩和右側(cè)橋臺附近值較大，正負溫度梯度下峰值分別為65.2 MPa、33.6 MPa（右側(cè)橋臺附近），連續(xù)剛構橋范圍內(nèi)鋼軌應力最大值約為鋼軌應力峰值的三分之一。

圖5 橋墩溫度梯度下鋼軌受力變形特性

鋼軌豎向位移從左側(cè)橋臺附近開始增大，正負溫度梯度下其峰值分別為9.5 mm以及7.5 mm，均出現(xiàn)在連續(xù)剛構橋左側(cè)跨中附近。

4．2 橋墩縱橫向溫度梯度幅度的影響

為了探究橋墩縱橫向不同溫度梯度幅度對橋梁-軌道系統(tǒng)的影響，取40℃、30℃、-15℃三種工況，鋼軌受力形變計算如圖6。

圖6 橋墩溫度梯度幅度下鋼軌受力變形特性

分析圖6可知，與梁體豎向溫差幅度對鋼軌受力變形以及橋墩受力影響規(guī)律相似，橋墩縱橫向溫度梯度增大會導致系統(tǒng)受力變形相應增大。當橋墩縱橫向溫度梯度由20℃增加到40℃后，鋼軌與橋墩的受力變形增大約2倍。

5 多種溫度梯度作用下梁軌相互作用特征

為了分析同時存在梁體和橋墩溫度梯度時橋梁-軌道系統(tǒng)的受力變形規(guī)律，在前文基礎上，在梁體豎向以及橋墩縱橫向同時施加20℃、-15℃的溫度梯度，計算結(jié)果匯于圖7。

圖7 多種溫度梯度作用下鋼軌受力變形特性

由圖7可知，梁墩同時存在溫度梯度時并未改變鋼軌應力的分布特征，且對比發(fā)現(xiàn)同時存在溫差的鋼軌應力與單獨存在橋墩溫度梯度的鋼軌應力相差不大，鋼軌應力主要由于橋墩的不同溫度場導致，梁體不同溫度場導致的鋼軌應力所占比例不大。在簡支梁范疇內(nèi)，梁體溫度梯度導致的鋼軌位移大；連續(xù)剛構橋范圍，邊跨的鋼軌位移主要由橋墩溫度梯度貢獻，跨中位置鋼軌位移都較大。

6 結(jié)束語

本文以3-32 m簡支梁+（72+128+72）m連續(xù)剛構橋+3-32 m簡支梁為例，建立了墩-梁-軌一體化非線性仿真模型，研究了梁豎向、橋墩縱橫向截面單獨存在20℃以及-10℃溫度梯度時系統(tǒng)受力變形特征，比較了梁墩同時存在溫度梯度與單獨存在溫度梯度對系統(tǒng)受力變形影響的區(qū)別，分析了溫度梯度幅度給系統(tǒng)帶來的影響。

在梁體僅存在豎向溫度場時，鋼軌在縱向的應力和位移曲線幾乎對稱，鋼軌應力在兩端橋臺處、跨與跨交界處以及各跨跨中位置數(shù)值較大；鋼軌豎向位移在各跨跨中較大，峰值均出現(xiàn)在全橋跨中附近。

梁體豎向溫度梯度（橋墩縱橫向溫度梯度）增大會引起鋼軌受力變形以及橋墩受力增加。當溫度梯度由20℃增加到40℃后，鋼軌與橋墩受力變形增大約2倍。

梁體豎向以及橋墩縱橫向同時存在溫度梯度時并未改變鋼軌應力的分布特征，峰值出現(xiàn)的位置不變。梁墩同時存在溫度梯度引起的墩頂彎矩和墩頂水平力與梁體溫度梯度、橋墩溫度梯度單獨存在引起的力具有代數(shù)的加減關系，只是在某些橋墩處表現(xiàn)為溫度梯度同時存在會增大受力而某些橋墩處會削弱，需要具體分析。