曾志平 ，張向民 ，孫永寧，王雪松，陳秀方

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；

2. 中南大學(xué) 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075；3. 青藏鐵路公司，青海 西寧，810007)

青藏鐵路二期工程(格爾木—拉薩段)的建設(shè)是西部大開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)標(biāo)志性工程，其平均海拔高度為4.5 km以上，是世界海拔最高、線路最長(zhǎng)的高原鐵路。沿線氣候惡劣、氣象災(zāi)害頻發(fā)，經(jīng)受著高原惡劣自然條件的考驗(yàn)。冬、春季節(jié)的冰雪、低溫凍害、風(fēng)沙、凍土，夏季的強(qiáng)降水、雷暴等天氣嚴(yán)重影響鐵路的正常運(yùn)輸[1?6]，線路運(yùn)營(yíng)維修條件極差。在青藏鐵路鋪設(shè)無(wú)縫線路，減少線路維修工作量，是實(shí)現(xiàn)以人為本、落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的重大舉措。2003年，鐵道部成立青藏鐵路無(wú)縫線路研究課題組，在格爾木至望昆之間鋪設(shè)了3個(gè)無(wú)縫線路試驗(yàn)段(總長(zhǎng)23.854 km)，對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)鋪設(shè)無(wú)縫線路的技術(shù)可行性(氣溫與軌溫變化規(guī)律、軌道結(jié)構(gòu)型式、道床質(zhì)量狀態(tài)、設(shè)計(jì)參數(shù)、焊接工藝等)進(jìn)行了系統(tǒng)研究[7?9]，使無(wú)縫線路在青藏鐵路季節(jié)性凍土地區(qū)得以逐步推廣。鑒于運(yùn)營(yíng)過(guò)程中季節(jié)性凍土地區(qū)無(wú)縫線路的優(yōu)越性非常顯著，對(duì)在青藏鐵路綿延550 km的多年凍土地區(qū)鋪設(shè)無(wú)縫線路的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。然而我國(guó)目前關(guān)于多年凍土地區(qū)鐵路無(wú)縫線路關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)和方法尚不完善?；诖耍F道部于 2010年成立青藏鐵路多年凍土地區(qū)無(wú)縫線路研究課題組，并在不凍泉地區(qū)(DK977+950～DK984+100，海拔約4 700 m)鋪設(shè)了無(wú)縫線路試驗(yàn)段，對(duì)多年凍土地區(qū)氣溫軌溫、梁軌縱向位移、緩沖區(qū)軌道縱向位移、長(zhǎng)大坡道軌道縱向位移、小曲線半徑軌道橫向位移等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，獲得了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文作者通過(guò)連續(xù)測(cè)量梁端縱向位移、梁軌縱向相對(duì)位移隨溫度、時(shí)間而變化的規(guī)律，研究現(xiàn)行《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中有關(guān)橋上無(wú)縫線路伸縮力與位移的計(jì)算參數(shù)和方法對(duì)青藏鐵路不凍泉地區(qū)橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)適用性。

1 試驗(yàn)方法

由于青藏鐵路的橋梁以混凝土簡(jiǎn)支梁橋?yàn)橹?，故選擇簡(jiǎn)支梁橋梁端縱向位移和梁軌縱向相對(duì)位移進(jìn)行測(cè)試。

1.1 梁端縱向位移的測(cè)試方法

在相鄰兩片梁端側(cè)面靠近中性軸處分別沿水平方向安裝1個(gè)固定支架和1塊L型頂鐵，將位移傳感器的固定端固定在支架上，活動(dòng)端與頂鐵密貼，梁縫寬度隨梁體溫度變化而改變即表現(xiàn)為位移傳感器的伸縮位移，如圖1(a)和圖1(b)所示。若橋梁墩高較小，則可假定橋墩剛度非常大，梁體產(chǎn)生伸縮變形過(guò)程中，墩頂縱向位移可以忽略不計(jì)。同時(shí)假設(shè)固定支座一側(cè)梁端與橋墩之間無(wú)相對(duì)位移。因此，梁縫寬度變化等于活動(dòng)支座一側(cè)梁端縱向位移。根據(jù)梁端縱向位移、支座摩擦因數(shù)、道床阻力等參數(shù)即可求得梁體溫度變化規(guī)律。

1.2 梁軌縱向相對(duì)位移的測(cè)試方法

選擇安裝梁端縱向位移傳感器正上方的軌道，扒開(kāi)道砟，在活動(dòng)支座一側(cè)梁面上安裝1個(gè)固定支架，再回填道砟。在鋼軌軌腰側(cè)面焊接1塊L型頂鐵，將位移傳感器的固定端固定在支架上，活動(dòng)端與頂鐵密貼，梁軌縱向相對(duì)位移的變化即表現(xiàn)為位移傳感器的伸縮位移，如圖1(a)和圖1(c)所示。

圖1 梁軌縱向位移測(cè)試方法Fig. 1 Test method of beam and rail longitudinal displacement

2 測(cè)試系統(tǒng)組成、布置及驗(yàn)證

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)器、控制分析軟件、位移傳感器、百葉箱、蓄電池、太陽(yáng)能板等組成。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)器根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)采集并存儲(chǔ)位移傳感器的數(shù)據(jù)，百葉箱能為數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)器提供良好的工作環(huán)境，太陽(yáng)能板利用太陽(yáng)能源源不斷地給蓄電池充電，蓄電池為數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電流，控制分析軟件用于數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)器的參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)提取和分析等。系統(tǒng)布設(shè)在不凍泉無(wú)縫線路試驗(yàn)段的一座多跨32 m雙T型簡(jiǎn)支梁橋的中跨梁端(橋梁中心里程DK981+677)，如圖2所示。

值得注意的是，測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)得的絕對(duì)數(shù)據(jù)并不等于梁縫寬度，若測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，則其所測(cè)得的數(shù)據(jù)與梁縫寬度之間有一個(gè)比較固定的差值。為了對(duì)測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，課題組于2011?07?31T10:50—2011?08?01T8:50，利用游標(biāo)卡尺，在安裝梁端縱向位移傳感器的對(duì)應(yīng)位置，對(duì)梁縫寬度進(jìn)行了1晝夜的人工測(cè)試，測(cè)量的時(shí)刻與測(cè)試系統(tǒng)設(shè)定的采樣時(shí)刻一一對(duì)應(yīng)，共獲得12組數(shù)據(jù)。

人工測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)之差的平均值為56.32 mm。將系統(tǒng)采集的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)加上該值，得到人工測(cè)試和儀器測(cè)試結(jié)果。梁縫日變化規(guī)律如圖 3所示?？梢?jiàn)：人工測(cè)試和儀器測(cè)試結(jié)果之差的平均值為0.07 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.18 mm，呈現(xiàn)了較好的一致性。與氣溫變化相比，梁縫變化約滯后2 h左右。

圖2 梁軌縱向位移測(cè)試系統(tǒng)組成及布置Fig. 2 Components and installation of beam and rail longitudinal displacement

圖3 梁縫日變化規(guī)律對(duì)比Fig. 3 Comparison of beam gap daily variation

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

梁端縱向位移、梁軌縱向相對(duì)位移的測(cè)試時(shí)間分為 2010?12?29 — 2011?08?01 ， 2010?12?29 —2011?05?11，共計(jì)214 d和134 d，測(cè)試系統(tǒng)每2 h自動(dòng)采集存儲(chǔ)1次數(shù)據(jù)，分別獲得數(shù)據(jù)2 568組和1 608組，結(jié)果如圖4～7所示。

測(cè)試期間內(nèi)梁軌最大日縱向相對(duì)位移為 1.43 mm，梁縫日最大變化量為2.89 mm，出現(xiàn)在2010年3月16日。

取支座滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.05[11]，梁質(zhì)量M=248.4 t[12]，混凝土線膨脹系數(shù)α=1.0×10?5、彈性模量E=3.6×104MPa，梁體橫截面積A=2.376 m2，橋梁二期恒載V=47.4 kN/m，每軌的道床縱向阻力q=7 kN/m。

圖4 梁縫實(shí)測(cè)值Fig. 4 Measured values of beam gap

圖5 梁縫日變化量Fig. 5 Beam gap daily variation

圖6 梁軌縱向相對(duì)位移實(shí)測(cè)值Fig. 6 Relative displacement between beam and rail

圖7 梁軌縱向相對(duì)位移日變化量Fig. 7 Daily variation of relative displacement between beam and rail

則對(duì)于L=32 m混凝土簡(jiǎn)支梁，梁縫日最大變化量Δl1=2.89 mm，相當(dāng)于梁體日溫差Δt1=9.03 ℃；活動(dòng)支座摩擦阻力為Fμ=98.8 kN，相當(dāng)于梁體溫度變化Δt2=0.12 ℃；假設(shè)道床阻力沿橋梁縱向均勻分布，則相當(dāng)于梁體溫度變化Δt3=0.13 ℃；即梁體實(shí)際日溫差Δt=9.28 ℃(小于規(guī)范值15 ℃)?？梢杂?jì)算出其他日期的梁體實(shí)際日溫差，如圖8所示。

圖8 梁體日溫差Fig. 8 Daily temperature range of beam

表1 理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of measured and calculated value

根據(jù)有關(guān)橋上無(wú)縫線路伸縮力與位移的計(jì)算方法[10]，編制計(jì)算程序，輸入梁體日溫差，得到典型日期的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表1所示。從表1可見(jiàn)：梁端縱向位移的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致，而梁軌縱向相對(duì)位移的誤差相對(duì)較大，但實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的基本趨勢(shì)比較接近。主要原因是梁軌縱向相對(duì)位移的測(cè)試受外界因素干擾比較大，如列車運(yùn)行、養(yǎng)護(hù)維修等；另外，當(dāng)橋梁溫度變化幅度較小時(shí)，若采用常阻力參數(shù)計(jì)算橋上無(wú)縫線路梁軌縱向位移，其計(jì)算誤差也比較大。

由上述分析可知：在測(cè)試期間內(nèi)，現(xiàn)行《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)混凝土橋梁梁體日溫差的取值，以及橋上無(wú)縫線路伸縮力與位移的計(jì)算方法仍適用于青藏鐵路不凍泉地區(qū)橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

(1) 梁軌縱向位移自動(dòng)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)可以獲得連續(xù)、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大提高了測(cè)試效率，降低了人工試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 在測(cè)試期間內(nèi)，現(xiàn)行《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于有砟軌道混凝土梁體日溫差，以及橋上無(wú)縫線路伸縮力與位移的計(jì)算方法適用于青藏鐵路不凍泉地區(qū)橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)。

(3) 在試驗(yàn)過(guò)程中，由于灰塵、雨雪等環(huán)境的影響，位移傳感器容易卡死，尤其是梁軌縱向相對(duì)位移傳感器。梁端縱向位移和梁軌縱向相對(duì)位移的測(cè)試分別持續(xù)了214 d和134 d，今后應(yīng)改進(jìn)位移傳感器的選型，提高防塵等級(jí)，并做好防雨雪保護(hù)。

(4) 本次試驗(yàn)僅對(duì)不凍泉地區(qū)雙片式T型混凝土簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行了試驗(yàn)研究與分析，青藏鐵路其他多年凍土地區(qū)以及其他型式橋梁(如鋼梁)的梁軌縱向位移規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

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