梁体温差对桥上无缝线路伸缩附加力的影响研究

安彦坤，蔡小培，曲 村

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

我国的高速铁路建设，为节约耕地，多以桥代路，且桥梁多采用混凝土箱梁结构形式。桥梁在自然环境下，会受到温度荷载的作用。桥梁温度变化主要有日照温度变化和降温温度变化。由于混凝土材料的热传导性能差，混凝土箱梁在日照或骤然降温作用下引起温度变化，导致其结构表面温度迅速上升或下降，但结构内部温度一般没有变化，因此在箱梁中形成较大的不均衡温差，即温度梯度［1］。

我国现行《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》［2］(以下简称《暂规》)中规定，梁体温差按日温差取值，为均匀温差，无砟桥梁温差荷载为20℃，对桥梁实际温度荷载做了较大的储备。德国铁路桥梁设计规范DS804，规定梁温度差一般按±30℃考虑，为年温差。国际铁路联盟规范《梁轨相互作用计算的建议》(UIC-774-3)规定:对于混凝土梁及结合梁桥，允许以±35℃的温差进行计算。而《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构设计规范》［3］中规定，箱梁温差荷载为不均衡温度荷载。分为日照温差和降温温差，其中计算日照温差时，有砟箱梁只考虑梁宽方向的温差荷载，无砟无枕箱梁应分别考虑梁高方向的温差荷载和2个方向的组合温差荷载。为此，本文分析了不同梁体温差荷载和不均衡温差对桥上无缝线路伸缩力的影响。

1 模型的建立

由于梁宽方向的温差荷载对桥上无缝线路伸缩附加力影响有限，本文在计算不均衡温差时，只考虑梁高方向的温差荷载，因此根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构设计规范》中相关规定，建立桥上无砟无枕箱梁模型。

建立桥上双块式无砟轨道箱梁模型，桥梁为5—32 m简支梁+(60+100+60)m连续梁+5—32 m简支梁。全桥桥跨如图1所示，有限元模型如图2、图3所示。

图1 全桥桥跨示意(单位:m)

因此在梁体温度荷载分别为10、15、20、30℃和35℃时，对桥上无缝线路伸缩附加力进行计算分析。桥上扣件采用小阻力扣件，纵向阻力值为6.5 kN/m/轨。梁体温度荷载工况如表1所示。

表1 梁体温度荷载工况

我国《暂规》、德国铁路桥梁设计规范DS804及国际铁路联盟规范《梁轨相互作用计算的建议》(UIC-774-3)中，梁体温度荷载均取为均匀温度荷载。而我国《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构设计规范》和公路桥梁规范，以及英国桥梁设计和施工规范BS5400、欧洲标准Eurocodel、新西兰公路桥梁设计规范和美国AASHTO公路桥梁设计规范等对梁体温度荷载取值均采用温度梯度荷载，且经比较分析，铁路桥梁规范所采用的指数形式曲线都可以较准确地模拟截面竖向温度梯度，本文推荐以此指数曲线表示截面竖向温度梯度［5］。

《暂规》中梁体温差荷载取为20℃，温度梯度荷载按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构设计规范》中规定，梁高、梁宽方向温度曲线如图4所示。

图2 桥梁局部示意

图3 桥梁全局示意

图4 箱梁温差分布

2 参数的选取

铁科院桥梁室在沙河特大桥上进行了桥梁纵向力测试。沙河特大桥采用长枕埋入式无砟轨道结构形式，测得桥址处大气日温差为14.5℃，梁温度差为3.5℃。考虑测试时间周期较短，因此取其测量值3倍左右值，约为10℃作为工况一。

我国规范规定的依据是成昆线青衣江大桥实测3年和京广线七里河大桥实测1年的结果，又在青藏线昆仑河和南京无砟桥梁上进行了补充测定，分析得，梁体每日甚至每旬温度变化幅度均＜15℃［4］。因此取15℃作为工况二。

取《暂规》中规定值 20℃作为工况三，德国DS804中规定值30℃作为工况四，国际铁路联盟UIC-774-3中规定值35℃作为工况五。

沿梁高、梁宽方向温度梯度荷载计算公式为

式中 Ty，Tx——计算点y、x处的温差，℃;

T01，T02——箱梁梁高方向、梁宽方向温差，℃，对于标准设计可按表2取值;

y、x——计算点至箱梁外表面的距离，m;

a——计算参数，m－1，按表2 取值。

表2 无砟桥面日照温差曲线的a与T0取值

3 梁体温差的影响

梁体均匀温度荷载分别取为10、15、20、30℃和35℃时，桥上无缝线路伸缩附加力如图5、图6所示。桥上无缝线路伸缩附加力计算结果如表3所示。

图5 不同工况下伸缩附加力对比

图6 伸缩附加力极值

表3 桥上无缝线路伸缩附加力计算结果

分析图5、图6及表3的计算结果，可知当温度荷载较小时，伸缩附加力在连续梁大里程端有最大值，当温度荷载取为35℃时，连续梁上钢轨所受拉力超过大里程端压力。随着温度荷载的增加，伸缩附加力不断增加，但增长趋势放缓。

4 梁体不均衡温差的影响

以下分析温度梯度荷载对桥上无缝线路伸缩附加力的影响。分别计算分析沿梁高单向和沿梁高、梁宽双向温度梯度荷载情况下，桥上无缝线路钢轨所受伸缩附加力的情况。

梁体温差分别取均匀温度荷载20℃、沿梁高单向温度梯度荷载及沿梁高、梁宽双向温度梯度荷载时，桥上无缝线路伸缩附加力计算结果如图7所示。

温度梯度荷载作用下，会引起梁的上拱，梁端会产生偏转。梁端偏转后，将引起轨道系统某些部件工作状况发生改变。梁端偏转后将导致扣件系统出现不均匀的拉压受力［6］。因此选取连续梁大里程端及其相邻简支梁端部截面，沿梁高方向各取4个点，提取其纵向位移作图，如图8所示。

温度梯度荷载作用下桥上无缝线路伸缩附加力计算结果如表4所示。

图7 温度梯度荷载作用下伸缩力

图8 梁端面沿梁高纵向位移分布

表4 温度梯度荷载作用下桥上无缝线路伸缩附加力计算结果

分析图7及表4可得，施加单向温度梯度荷载时，伸缩力为施加均匀温度荷载时伸缩力的22.8%。可见施加温度梯度荷载时，钢轨的伸缩附加力相对小很多。当温度梯度荷载考虑沿梁高和梁宽双向荷载组合时，相对沿梁高方向伸缩附加力有所增大，但相对施加均匀温度荷载所产生的伸缩附加力仍然较小。当施加温度梯度荷载时，在连续梁上由于桥梁上拱，引起钢轨所受伸缩附加力下凹。

分析图8可知，沿梁高方向各点的纵向位移，近似为1条直线，经拟合后，由于纵向位移量值较小，所以梁端转角约等于直线斜率。模型中，梁两端悬出长度为0.2 m。连续梁大里程活动端与其相邻简支梁之间的转角为0.3‰，小于《高速铁路设计规范》中规定的3.0‰。梁端转角较小，影响不大。

均匀温度荷载和温度梯度荷载分别出自2个不同的计算体系，但结果相差很大。桥梁在自然环境下，所受的温度荷载是客观独立存在的，只是2个计算体系对梁体温度荷载的模拟不同而已。桥上无缝线路计算附加力时，采用均匀温度荷载。《暂规》中指出，用温度计测量桥梁温度时，测得的只是梁体的表面温度，因而一般均采用测量梁的位移量来反算梁的温差。而温度梯度荷载是直接模拟桥梁在自然环境下所受的温度荷载，更为符合实际情况。

从计算结果可以看出，温度梯度荷载作用下，伸缩附加力相对小很多。说明《暂规》中梁体温度荷载的取值相对保守。在无缝线路检算时，伸缩力往往比挠曲力大［7，8］，起控制作用，用于对钢轨强度和轨道稳定性进行检算。因此，梁体温度荷载取值的相对保守对于无缝线路的设计起到了限制作用，建议进一步深入研究。

5 结论

通过建立桥上无砟轨道无缝线路模型，分析了不同梁体温差对伸缩附加力的影响，得到以下结论和建议。

(1)当温度荷载较小时，伸缩附加力在连续梁大里程端有最大值，当温度荷载取为35℃时，连续梁上钢轨所受拉力超过大里程端压力。随着温度荷载的增加，伸缩附加力不断增加，增长趋势放缓。

(2)与施加梁体均匀温度荷载相比，沿梁高方向施加温度梯度荷载时，桥上无缝线路钢轨伸缩附加力小很多。

(3)当温度梯度荷载考虑沿梁高和梁宽双向荷载组合时，相对沿梁高方向伸缩附加力有所增大，但相对施加均匀温度荷载所产生的伸缩附加力仍然较小。

(4)温度梯度荷载条件下，伸缩附加力计算结果相对较小。温度梯度荷载较为符合梁体温度荷载的实际情况，《暂规》中采用测量梁的位移量来反算梁的温差，取值相对保守。由于伸缩附加力在桥上无缝线路检算中，起着重要的作用，因此建议进一步深入研究，对温度荷载的取值进行大量的试验研究。

［1］张元海，李 乔.桥梁结构日照温差二次力及温度应力计算方法研究［J］.中国公路学报，2004，17(1):49-52.

［2］中华人民共和国铁道部.铁建设函［2003］205号 新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2003.

［3］中铁工程设计咨询集团有限公司.TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］卢耀荣.再议中国与德国桥上无缝线路设计理念的差异［J］.铁道建筑，2007(6):75-77.

［5］彭友松.混凝土桥梁结构日照温度效应理论及应用研究［D］.成都:西南交通大学，2007.

［6］赵坪锐，肖杰灵，刘学毅.梁端位移对无砟轨道扣件系统的影响分析［J］.铁道学报，2008，30(5):68-73.

［7］李 艳.大跨度多跨连续梁桥上无缝线路设计方法研究［J］.铁道工程学报，2004(12):81-83.

［8］曲 村，高 亮，乔神路.高速铁路长大桥梁CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路力学特性分析［J］.铁道标准设计，2011(4):12-15.