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(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

橋墩溫度梯度對(duì)高墩大跨橋上無(wú)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(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

由于太陽(yáng)光的輻射,橋墩的向陽(yáng)和背陽(yáng)側(cè)就會(huì)存在溫差,當(dāng)橋墩高度較大時(shí),墩頂就會(huì)產(chǎn)生較大的縱橫向位移,帶動(dòng)梁體、軌道板、鋼軌偏移,產(chǎn)生橋上無(wú)縫線路附加力。為了研究橋墩縱向溫度梯度作用下對(duì)無(wú)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(jì)算結(jié)果表明：僅考慮橋墩縱向溫度梯度荷載時(shí)鋼軌會(huì)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(huì)增加。當(dāng)同時(shí)考慮梁體升溫和縱向溫度梯度時(shí)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(wú)論是僅考慮橋墩縱向溫度梯度,還是同時(shí)考慮梁體溫升和溫度梯度,凸臺(tái)受力和樹脂變形均不會(huì)發(fā)生較大變化。

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)；溫度梯度；無(wú)縫線路；樹脂變形

近年來(lái)，由于無(wú)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(wú)縫線路的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。對(duì)于高大橋墩受到溫度梯度荷載下，有砟無(wú)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(wú)縫線路鋼軌附加力大小，但其分析的是簡(jiǎn)支梁橋?qū)儆陟o定結(jié)構(gòu)，與橋墩剛度無(wú)關(guān)，對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋梁時(shí)橋墩剛度對(duì)溫度梯度作用下的墩頂位移有密切關(guān)系。而且對(duì)于橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道時(shí)這方面的研究還較少，橋上鋪設(shè)CRTS系列無(wú)砟軌道時(shí)，使得梁軌相互作用機(jī)理、計(jì)算模型及設(shè)計(jì)參數(shù)與傳統(tǒng)的有砟軌道又有明顯不同，且無(wú)砟軌道無(wú)縫線路不僅需要檢算鋼軌強(qiáng)度，還需要綜合考慮無(wú)砟軌道中梁軌相對(duì)位移，以及凸臺(tái)樹脂的受力、變形是否超限。因此，基于上面所述特點(diǎn)，針對(duì)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(jì)算方法

1.1 計(jì)算原理

與普通橋上無(wú)縫線路的伸縮、撓曲、制動(dòng)、斷軌附加力的計(jì)算類似，橋墩溫度梯度荷載引起的橋上無(wú)縫線路縱向附加力同樣根據(jù)梁軌相互作用原理來(lái)分析計(jì)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(dòng)梁體一起移動(dòng)，通過底座板、CA砂漿層、軌道板、扣件系統(tǒng)對(duì)鋼軌施加縱向力。鋼軌受力變形后，對(duì)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(tái)，梁軌之間形成一個(gè)相互作用的力學(xué)平衡體系。

1.2 計(jì)算模型

以CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，無(wú)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(tái)、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?jiǎn)卧M，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(shí)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(tái)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(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，考慮到梁體、橋墩控制截面的漸變，同時(shí)采用能施加溫度梯度荷載的beam188梁?jiǎn)卧M。

以連續(xù)剛構(gòu)橋梁為基本對(duì)象，在連續(xù)梁兩端各布置5跨32 m簡(jiǎn)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(tái)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(jì)算無(wú)砟軌道橋上無(wú)縫線路鋼軌伸縮力時(shí)，根據(jù)我國(guó)《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，橋梁梁體和軌道板的溫度荷載為Δt=30 ℃。計(jì)算得鋼軌伸縮附加力、梁軌相對(duì)位移、凸形擋臺(tái)樹脂壓縮量、凸形擋臺(tái)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(shí)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(jì)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?yàn)樽髠?cè)梁端處的梁軌相對(duì)位移最大。且溫度升高較大時(shí)，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(duì)位移，從而使軌道板壓縮凸型擋臺(tái)周圍樹脂，凸臺(tái)樹脂變形進(jìn)而提供部分縱向阻力。凸型擋臺(tái)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(guó)《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》未考慮該溫度梯度荷載，暫按德鐵橋梁設(shè)計(jì)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(jì)橋墩基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)對(duì)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?yàn)閷?shí)際是軌-梁-墩共同作用的結(jié)果，若把上部無(wú)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(duì)于橋墩運(yùn)用能直接施加溫度荷載的梁?jiǎn)卧Ｓ捎趦蓚?cè)的簡(jiǎn)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(hào)、2號(hào)橋墩兩側(cè)溫差5 ℃為例，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，墩頂位移和墩臺(tái)力如表2所示。

圖3 橋墩整體升溫時(shí)計(jì)算結(jié)果

鋼軌附加力/kN墩臺(tái)1號(hào)縱向力/kN墩臺(tái)2號(hào)縱向力/kN梁軌相對(duì)位移/mm凸臺(tái)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(duì)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(tái)縱向力存在差異。同樣凸臺(tái)樹脂的變形未超過規(guī)范規(guī)定限值。對(duì)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(shí)橋墩縱向溫度梯度對(duì)橋上無(wú)縫線路受力和變形的影響。計(jì)算中通過修改模擬橋墩的梁?jiǎn)卧膹椥阅Ａ縼?lái)實(shí)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(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 不同橋墩剛度時(shí)計(jì)算結(jié)果

圖5為不同剛度下的鋼軌附加力、梁軌相對(duì)位移、凸臺(tái)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(jì)值之比時(shí)計(jì)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(duì)位移，凸臺(tái)縱向力和樹脂變形均相應(yīng)增大。這是由于墩臺(tái)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(dòng)上部梁體和鋼軌之間產(chǎn)生更大的相對(duì)位移。且從圖中可以看出，當(dāng)橋墩剛度為設(shè)計(jì)值的0.1倍時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋼軌附加力僅為107.900 kN，占第2節(jié)計(jì)算鋼軌附加力的14.85%，當(dāng)橋墩剛度為設(shè)計(jì)值的2倍時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋼軌附加力為555.204 kN，占第2節(jié)計(jì)算鋼軌附加力的76.40%，可見剛度的大小對(duì)橋墩縱向溫度梯度荷載、對(duì)橋上無(wú)縫線路具有重要的影響。

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

圖6 梁體、軌道板+橋墩溫度梯度計(jì)算結(jié)果

墩編號(hào)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(shí)的鋼軌附加力為1038.790 kN，相比僅梁體溫升時(shí)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(tái)縱向力和樹脂變形均幾乎無(wú)增長(zhǎng)，這是因?yàn)楫?dāng)凸形擋臺(tái)周圍樹脂層強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)值時(shí)，凸臺(tái)所受最大縱向力不會(huì)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(tái)力會(huì)降低，這是由于溫度梯度荷載下產(chǎn)生的墩臺(tái)力和梁體升溫作用下產(chǎn)生的墩臺(tái)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(shí)應(yīng)該考慮最不利的組合來(lái)檢算墩臺(tái)剛度。

4 結(jié)論及建議

(1)對(duì)于高墩大跨橋上無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)，不能僅僅考慮伸縮、撓曲、制動(dòng)和斷軌等

工況的作用，還需考慮對(duì)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(huì)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(shí)，明顯小于各單獨(dú)作用之和。建議根據(jù)實(shí)際情況確定溫度梯度荷載大小和形式之后，對(duì)高墩大跨橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)或檢算時(shí)考慮橋墩溫差的影響，并與梁體溫升耦合計(jì)算。

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

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

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

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

[4]李陽(yáng)春.橋墩溫差荷載作用下橋上無(wú)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(wú)砟軌道凸形擋臺(tái)縱向力分析[J].鐵道建筑，2013(3):117-120.

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

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

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

[9]全順喜.高速道岔幾何不平順動(dòng)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(wú)縫線路鋼軌附加力[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2007(4):50-54.

[11]朱浩.連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩剛度對(duì)橋上無(wú)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(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，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(wú)縫線路的橋梁墩臺(tái)縱向線剛度設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2008.

[15]張亞爽.高墩水平溫差對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋上無(wú)縫線路影響[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，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(xiàng)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