桥墩温度荷载对高墩大跨桥上无砟轨道无缝线路的影响研究

罗华朋，马旭峰，肖杰灵，王平

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031)

桥墩温度荷载对高墩大跨桥上无砟轨道无缝线路的影响研究

罗华朋，马旭峰，肖杰灵，王平

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031)

在高墩大跨桥梁中，由于夏季太阳辐射作用混凝土结构会出现膨胀，桥墩整体升温会导致墩顶竖向位移增加，从而引起桥上无缝线路纵向附加力和钢轨竖向位移。为研究桥墩整体升温对无砟轨道中轨道部件受力和变形的影响，基于梁轨相互作用原理，利用有限元方法，建立线—桥—墩一体化模型，分析高墩大跨桥墩升温条件下桥上无砟轨道无缝线路的受力以及平顺性。计算结果表明:桥墩整体升温对钢轨的纵向力、梁轨相对位移、凸台树脂变形和凸台受力的影响均很小，在无缝线路设计和检算时可以不考虑其对钢轨强度的影响，但会引起线路竖向不平顺，且主要是长波不平顺。

高墩大跨连续刚构 桥墩升温 无缝线路 无砟轨道

1 模型的建立

本文分析高墩大跨连续刚构桥桥墩受整体温度荷载作用下轨道各部件的受力、变形规律以及对线路不平顺的影响［1-3］。以CRTSⅠ型板式无砟轨道为研究对象，高墩大跨连续刚构桥无砟轨道无缝线路主要由钢轨、扣件、轨道板、砂浆充填层、底座板、凸形挡台、树脂填充层、桥梁梁体、桥墩等组成［4］。依据梁轨相互作用原理，建立桥墩升温的线—桥—墩一体化模型。钢轨选用梁单元模拟，根据钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩等参数，按实际截面属性建模。扣件采用非线性弹簧单元模拟，扣件的阻力和刚度值均根据实测值选取。考虑到梁体、桥墩控制截面是渐变的及桥墩整体温度的变化和纵横向温度梯度作用，梁体和桥墩均用Beam 188单元模拟。CA砂浆层、树脂层采用非弹性弹簧单元Combin39模拟，CA砂浆层考虑了纵向阻力、横向阻力和垂向刚度，树脂层仅考虑纵横向阻力［5-6］。计算桥型采用在连续梁两端各布置5跨32 m简支梁，即5×32 m+(89+189+89)m+5×32 m连续刚构桥梁，在桥梁左右桥台外侧分别建立150 m的路基段用以消除计算模型中的边界效应。线—桥—墩一体化模型如图1所示。

图1 计算模型示意

2 梁体及轨道板升温条件下轨道各部件的受力、变形分析

全桥铺设常阻力扣件，整体式单元板摩阻力取为6.3 kN/m，极限位移取为0.2 mm。树脂强度取线性刚度为80 kN/mm。依据《铁路无缝线路设计规范》，对于无砟轨道桥上无缝线路，在计算无缝线路伸缩附加力时对桥梁梁体和轨道板施加的温度荷载Δt= 30℃。计算得到的钢轨伸缩附加力、各部件的纵向位移、梁轨及板轨相对位移、凸形挡台纵向力、凸形挡台树脂压缩量如图2所示。各部件受力和变形最大值见表1。图2中树脂变形正值表示离缝，负值表示压缩。

图2 梁体及轨道板升温条件下计算结果

表1 梁体、轨道板同时升温条件下轨道各部件受力和变形最大值

从图2可以看出，钢轨伸缩附加力最大值发生在刚构桥的左侧梁端处。因轨道板与CA砂浆间的摩擦阻力不足以完全阻止轨道板与桥梁间的相对位移，凸形挡台周围树脂会承受纵向力而变形，其最大纵向力同样出现在刚构桥的左侧梁端处，树脂的最大压缩或离缝也发生在此部位。板轨相对位移最大值为16.361 mm，未超过规范规定的限值(70 mm)。树脂压缩量最大值为2.530 mm，树脂离缝最大值为2.562 mm，未超过规范规定限值(3 mm)。经过计算可知凸台所受纵向力及树脂的压缩量只与单元板上的扣件纵向力、板下摩阻力有关，而与桥梁温度无关。这说明CRTSⅠ型板式无砟轨道结构适合在大跨度桥梁上铺设。

3 桥墩整体升温条件下轨道各部件的受力、变形分析

在高墩大跨桥梁中，桥墩升温会带来墩顶竖向位移，从而引起桥上无缝线路的纵向附加力［7］。在本文所举桥例中，由于桥台和简支梁桥桥墩高度较低，其自身在温度荷载作用下的变形很小，因此不考虑两者的温度变化。以1#和2#钢构桥墩温度改变15℃为例进行计算，结果如图3所示，墩顶位移和墩底竖向力见表2。从图3及表2中可知，刚构桥虽然左右对称，在左右梁端处钢轨纵向力的大小存在差异，这是由两桥墩高度差引起的。由桥墩整体升温所引起的钢轨纵向力、梁轨相对位移、凸台纵向力、树脂变形均非常小，可以忽略不计。同时，由于桥墩的竖向刚度很大，墩底所受竖向力不会对桥墩产生较大影响。

从上面的分析中可以看出虽然桥墩的整体升温对线路的强度影响很小，但是对钢轨的竖向变形影响很大，其中最大的钢轨竖向位移为14.64 mm，因此桥墩升温会造成线路的高低不平顺。根据《高速铁路设计规范》(TB 10621—2009)，用弦测法计算线路的高低不平顺，采用10 m弦不平顺矢度不超过2 mm，30 m弦隔5 m校核值不超过2 mm，300 m弦隔150 m校核值不超过10 mm［6］。计算结果如图4所示。

图3 桥墩整体升温时计算结果

表2 墩顶位移和墩台力计算结果

从图4可以看出，10 m弦的矢度最大值(短波不平顺)为0.53 mm，小于规范限值(2 mm);30 m弦隔5 m校核最大值(中波不平顺)为0.69 m，小于规范限值(2 mm);300 m弦隔150 m校核最大值(长波不平顺)为9.20 m，小于规范限值(10 mm)。虽然长波不平顺未超过规范限值，但已十分接近，可见桥墩升温主要影响线路竖向的长波不平顺。

图4 线路不平顺计算结果

桥墩、梁体和轨道板同时升温及梁体和轨道板升温2种工况时，轨道各部件的受力和变形对比如图5，墩底纵向力见表3。

表3 2种工况墩底纵向力kN

从图5和表3中可以看到，整体升温时钢轨的最大纵向附加力仍位于连续刚构桥的左端，与梁体和轨道板升温工况相比，几乎没有变化。同样梁轨相对位移、凸台树脂变形、凸台纵向力的变化也均较小，对于桥墩墩台的受力还有微弱的降低作用。

上述桥墩升温对线路不平顺影响的分析主要是针对长波不平顺，且桥墩升温为15℃。有必要分析桥墩不同升温条件对线路高低不平顺的影响。桥墩升温15，20，25，30℃等工况下的线路不平顺计算结果见图6。

图5 2种工况计算结果对比

图6 桥墩不同升温条件下线路不平顺计算结果

从图6可知，随着桥墩温度的升高，线路不平顺不断增加。短波、中波不平顺在桥墩整体升温达到30℃时仍未超过规定限值(2 mm)，当升温达到20℃时，线路长波不平顺超过规定限值(10 mm)。

由于桥墩高度等原因，高墩大跨桥梁桥墩刚度不可能很大，因此有必要研究桥墩刚度变化时桥墩整体升温引起的线路不平顺［8］。计算中主要考虑了桥墩刚度为原始刚度的0.1，0.5，1.0，2.0倍4种工况，钢轨竖向位移计算结果如图7所示。

从图7中可知，对于不同的桥墩刚度，桥墩整体升温所引起的钢轨竖向位移最大值为14.749 mm，最小值为14.687 mm，两者相差极小。由于桥墩刚度的变化所引起的线路不平顺变化非常小。同样，桥墩刚度的变化对轨道部件受力和变形的影响也较小。

图7 不同刚度条件下桥墩升温引起的钢轨竖向位移

4 结论及建议

1)对于高墩大跨桥上无缝线路的设计，需要考虑桥墩升温这种特殊荷载的作用。对高墩大跨桥上无缝线路进行设计和检算时，不能仅检算桥上无缝线路的强度和稳定性，还需要考虑桥上无缝线路在特殊荷载作用下造成的不平顺是否超过规定限值。

2)桥墩整体升温对钢轨纵向力、凸台树脂的变形、凸台纵向力、墩顶位移产生的影响均很小，建议对于高墩大跨桥上无砟轨道无缝线路的检算，不考虑桥墩整体升温对钢轨强度的影响。

3)桥墩整体升温会引起钢轨的竖向位移，从而造成线路竖向不平顺，且主要集中在长波范围内。桥墩升温15℃且有砟轨道梁体升温相同时，线路的短波、中波、长波高低不平顺均不会超过规范限值。桥墩升温20℃且无砟轨道梁体升温相同时，线路的长波高低不平顺会超过规范限值。

4)桥墩刚度变化时，桥墩升温对轨道部件受力和变形影响很小，线路不平顺的变化也较小，可以忽略不计。

［1］刘浩.风荷载对高墩大跨桥梁桥上无缝线路的影响［J］.铁道建筑，2013(12):15-18.

［2］刘婷林.温度梯度对高墩桥上无缝线路的影响分析［J］.铁道建筑，2014(4):121-124.

［3］李阳春.桥墩温差荷载作用下桥上无缝线路钢轨附加力研究［J］.铁道建筑，2008(2):6-9.

［4］曲村.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):13-17.

［5］王彪.连续梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道凸形挡台纵向力分析［J］.铁道建筑，2013(3):117-120.

［6］全顺喜.高速道岔几何不平顺动力分析及其控制方法研究［D］.成都:西南交通大学，2012:83-85.

［7］李秋义.桥墩温差荷载引起的桥上无缝线路钢轨附加力［J］.中国铁道科学，2007(4):50-54.

［8］朱浩.连续刚构桥桥墩刚度对桥上无缝线路的影响［J］.铁道建筑，2014(1):109-111.

(责任审编李付军)

U213.9

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.33

1003-1995(2015)06-0127-05

2014-09-16;

2014-10-25

中央高校基本科研业务费资助项目(SWJTU12CX079)

罗华朋(1991—)，男，安徽濉溪人，硕士研究生。