中歐規(guī)范混凝土鐵路橋溫度作用對比分析

文 甜

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

經科研人員大量研究證明，高速鐵路中以橋代路更能控制工后沉降和變形，時速300～350 km/h及以上的高速鐵路線路，80 %及以上的路段都是橋梁[1]?；炷翗蚰芨玫貪M足鐵路橋對剛度的要求，故其在鐵路橋中的應用較多。溫度應力引起的裂縫是造成混凝土結構病害和破壞的重要原因之一，這給世界各國的橋梁工程建設造成了巨大的損失。加拿大西部曾經發(fā)生過某混凝土-鋼箱結合梁橋垮塌的事故，據分析，溫度應力和變形是導致其垮塌的重要原因之一[2]。因此，準確計算和分析溫度效應對橋梁結構的影響是很重要的。我國的鐵路橋混凝土箱梁溫度作用的計算采用的是原鐵道部科學研究院西南研究所的研究成果，其溫度基數和溫差模式與世界上公認的最先進的結構設計規(guī)范之一的歐洲規(guī)范[3]中的相應規(guī)定有較大差別。

本文為探討中、歐規(guī)范在溫度作用方面的差異和溫度作用對鐵路混凝土簡支梁橋的影響，基于高速鐵路橋梁中常用的梁截面形式和縱向橋跨分布模式，應用有限元分析軟件Midas Civil建立了考慮梁軌相互作用的32 m雙線整孔預應力混凝土簡支標準箱梁三跨模型進行計算分析，分別按照中、歐鐵路橋梁規(guī)范確定的參數計算分析了在均勻溫度、豎向溫差、局部溫差作用下結構的變形和應力。

1 算例概況和有限元模型

1.1 算例概況

算例采用設計時速350 km/h的32 m混凝土雙線簡支梁橋，截面類型為單箱單室標準箱梁，橋梁凈寬12 m，跨中梁高3.05 m，梁端梁高3.078 m，梁長32.6 m，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道，橋梁總長98 m(32.6+0.1+32.6+0.1+32.6)。鋼軌自梁端兩側各延伸100 m，即鋼軌采用100 m+98 m+100 m的布置方式。簡支梁固定支座均設置在其左端，活動支座均設置在梁的右端。混凝土箱梁采用C50混凝土。

1.2 有限元模型

采用有限元分析軟件Midas Civil 2015建立如圖1所示的空間有限元模型。采用梁單元模擬鋼軌和梁，橋臺和橋墩的縱向剛度采用線性彈性連接模擬。其中，橋臺縱向剛度取值為4 000 kN/cm，橋墩縱向剛度均取為1 000 kN/cm，橋墩豎向剛度取1 012 kN/cm。扣件縱向非線性阻力和路基縱向非線性阻力都采用多折線彈性連接模擬，間距0.65 m，沿縱向等值設置，扣件豎向剛度也同樣采用多折線彈性連接模擬，縱向阻力和連接剛度分別按照中國規(guī)范與歐洲規(guī)范取值。為了消除路基上鋼軌對橋上無縫線路縱向力的影響，將鋼軌在橋梁兩端的路基上分別延長100 m，鋼軌兩端不施加約束。中國規(guī)范計算的模型采用的是CHN60型鋼軌，歐洲規(guī)范計算的模型采用的是UIC60型鋼軌。

根據橋面類型和橋面鋪裝層厚度，參照鐵路橋梁設計規(guī)范[4]確定溫度作用參數。

圖1 考慮梁軌相互作用的三跨32 m雙線混凝土簡支梁鐵路橋模型

2 溫度效應對比分析

根據溫度作用的特點和規(guī)范規(guī)定，將混凝土箱梁的溫度作用效應主要分為三部分來分析：由均勻溫度、橋面溫度梯度以及局部溫差引起的橋梁的變形和應力。

2.1 橋面均勻溫度效應對比

均勻溫度作用下梁的軸向位移如圖2所示，歐洲規(guī)范均勻升溫作用下梁端最大位移為5.67 mm，均勻降溫作用下梁端最大位移為5.93 mm；中國規(guī)范均勻升溫和均勻降溫作用下梁端最大位移都為5.35 mm。歐洲規(guī)范由于考慮了結構溫度與環(huán)境溫度的關系，溫度基數較中國規(guī)范略大，故計算結果也相對較大。

圖2 均勻溫度作用下梁的軸向位移

從表1可看出考慮梁軌相互作用時中、歐規(guī)范計算結果相近，在軌道中均產生較大的軸向應力，在升溫狀態(tài)下由于鋼軌的膨脹系數大于混凝土箱梁，故在無約束狀態(tài)下鋼軌伸長長度相對于混凝土梁更大，從而當梁軌之間有一定約束時會使得鋼軌中產生壓應力，有可能引發(fā)軌道的失穩(wěn)問題。因此，均勻溫度變化對鐵路混凝土簡支梁橋中的梁軌相互作用會產生較大的影響。

表1 均勻溫度作用下軌道的最大軸向應力 MPa

2.2 橋面溫度梯度效應對比

2.2.1 線性溫差

中國規(guī)范沒有考慮線性溫差，歐洲規(guī)范考慮了豎向和橫向線性溫差。計算結果表明，歐規(guī)中橫向線性溫差的作用效應不大，跨中橫向位移為0.47 mm，梁體最大橫向應力為0.13 MPa，軌道最大應力為8.66 MPa。所以，按中國鐵路橋規(guī)計算日照溫差時由于懸高比較大而采用的沿梁高方向的單向溫差的計算是合理的。

歐洲規(guī)范豎向線性溫差作用下橋梁結構的變形和應力如圖3～圖5所示。對混凝土箱梁而言，豎向線性溫差對箱梁撓度的影響往往比對箱梁軸向位移的影響更為關鍵，但總體而言線性溫差作用引起的箱梁變形仍較小，線性升溫時跨中最大豎向位移為2.40 mm，線性降溫時跨中最大豎向位移為1.74 mm；線性溫差對箱梁軸向應力影響較小，最大壓應力0.23 MPa，最大拉應力0.17 MPa，箱梁上翼緣應力絕對值均大于下翼緣；相比較箱梁翼緣中產生的應力，豎向線性溫差對鋼軌縱向應力的影響更大，其最大壓應力38.01 MPa，最大拉應力27.15 MPa，固端支座處的鋼軌軸向應力均大于活動支座處鋼軌軸向應力。

圖3 豎向線性溫差作用下梁的豎向位移

圖4 豎向線性溫差作用下梁體翼緣應力

圖5 豎向線性溫差作用下軌道應力

2.2.2 非線性溫差

將中國規(guī)范的日照溫差作用效果與歐洲規(guī)范的豎向非線性升溫作用效果比較，如圖6、圖7所示。最大應力都位于梁端部支座處；由于日照溫差的溫度基數較豎向非線性升溫的溫差基數稍大，因此日照溫差作用下梁體產生的變形和應力以及軌道應力均較豎向非線性升溫大：梁體最大應力比之大22 %，軌道最大應力比之大24 %。中國規(guī)范沒有就豎向非線性負溫差的計算給出相關規(guī)定。

圖6 豎向非線性正溫差作用下軌道應力

圖7 非線性正溫差作用下梁體翼緣應力

在豎向非線性溫差作用下不僅軌道中會產生較大應力，而且梁體中也會產生較大拉應力。非線性溫差作用下產生的最大變形和應力值如表2所示，跨中豎向位移中國規(guī)范的計算結果比歐洲規(guī)范大135 %；中、歐規(guī)范計算結果中混凝土梁體最大拉應力均超過了3 MPa，對于混凝土箱梁而言，此最大拉應力可能會導致箱梁開裂，影響結構的使用性能和耐久性等，甚至影響結構的承載能力。

表2 豎向非線性溫差的計算結果

2.3 橋面局部溫差效應對比

對于橫向局部溫差即腹板溫差的考慮，歐洲規(guī)范和中國鐵路橋規(guī)采用的是兩種思路，歐洲規(guī)范一般推薦的是15 ℃的線性溫差，而中國鐵路橋規(guī)采用的是基數為-10的指數溫差模式。

在歐洲規(guī)范內外腹板溫差的作用下梁端軸向位移為0.54 mm，梁體最大應力為0.79 MPa，軌道最大壓應力為7.66 MPa。從計算結果可見，在歐洲規(guī)范內外腹板溫差作用下產生的變形和應力都較小，在除梁端外的大部分梁上應力均勻分布，且均為最大值。

如表3所示，中國規(guī)范局部溫差中外腹板降溫溫差計算結果較小，板厚溫差產生的變形和應力最大。而且，同是考慮頂板的局部溫差時板厚溫差比頂板降溫溫差的計算結果大，板厚溫差和頂板降溫溫差最大應力均位于梁端支座處。而外腹板降溫溫差作用下的應力分布同歐洲規(guī)范但數值較之小，內外腹板溫差作用下無論是按歐洲規(guī)范還是中國規(guī)范計算，其計算結果都較小。

表3 中國規(guī)范局部溫差的計算結果

3 結論

(1)在均勻溫度作用下，歐洲規(guī)范溫度作用計算結果中梁的軸向位移和軌道的軸向應力比之中國規(guī)范稍大。

(2)在溫差分量的豎向溫差部分，歐洲規(guī)范考慮線性和非線性豎向溫差，而中國規(guī)范只考慮了豎向的非線性溫差。中國鐵路橋規(guī)的溫差基數較歐洲規(guī)范大，雖總體變形和應力分布差不多，但數值相差較大，尤其是非線性豎向溫差作用下梁的跨中豎向位移，中國規(guī)范的計算結果約為歐洲規(guī)范的2倍。在橫向溫差部分，中國規(guī)范考慮較為全面，考慮了橋面懸臂長度的影響，當懸高比較小時，應該考慮橫向溫度梯度；歐洲規(guī)范一般情況下不考慮橫向溫差，當考慮時按線性分布考慮且計算結果較小。

(3)當考慮局部溫差時，兩者的相關規(guī)定不同。在腹板溫差計算結果中有一定的差別，但作用效應都很小。中國鐵路橋梁設計規(guī)范對箱梁板厚溫差應力的計算作了明確的規(guī)定，主要考慮的是頂板的板厚溫差，且板厚的溫差效應影響較大。

(4)在考慮梁軌相互作用時溫度效應在軌道中會產生較大應力，在非線性豎向溫差和板厚溫差作用下箱梁中會產生較大拉應力，最大值可超過3 MPa。