铁路桥梁温度效应对相邻不同墩高的桥墩高程变化的影响研究

罗　勇

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安　710043)



铁路桥梁温度效应对相邻不同墩高的桥墩高程变化的影响研究

罗勇

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安710043)

摘要：相邻桥墩高差过大时，温度效应会引起各桥墩间产生竖向位移差，进而导致轨面产生附加不平顺，对轨道的平顺性及运营安全产生影响。鉴于我国幅员辽阔、地形地貌复杂，部分桥梁相邻桥墩存在较大高差的现象，有必要开展相邻桥墩高差较大时温度效应对不同高度桥墩高程变化的影响研究。采用MIDAS建立有限元模型进行建模，对常见铁路桥梁结构进行分析，并根据计算最终结果，为设计及施工提出指导性建议。

关键词：铁路桥梁；温度效应；平顺性；全约束；杆单元;桥墩-梁体有限元模型

1研究思路

相邻桥墩高差过大时，由于温度效应会引起桥墩产生竖向变位差，但总体来看，墩身混凝土的温度变化幅度要小于气温的变化幅度，墩顶竖向变位必然引起相关部位的轨面高程发生变化，但考虑该变位通过梁体来传递，其最终结果不是一个点的竖向突变，而是相邻梁跨范围内的连续变化，具体数值需要通过实验研究掌握，国内目前对此课题研究几乎是空白。根据我院对设计范围内墩高差的梳理结果，目前已设计完成的多条铁路项目中有多处桥梁工点项目中相邻桥墩高差达20 m。在此基础上分别在简支梁、连续梁及连续刚构中各选取一个典型工点进行建模研究。对所建立的有限元模型，先单独施加桥梁梁体自重荷载计算桥梁墩顶位移及钢轨变形，将此结果作为后续研究内容的基准值；再同时施加桥梁梁体自重及温度荷载计算桥梁墩顶位移及钢轨变形，此结果与基准值之间的差值即为单独由温度荷载引起的墩顶位移值及钢轨变形值。

2计算参数及模型

2.1　计算参数

2.1.1基本参数

混凝土密度2 100 kg/m3，钢轨密度7 900 kg/m3，线膨胀系数1×10-5/℃，泊松比0.176；桥梁及桥墩的几何参数及梁体自重(包括二期结构恒载)参考桥梁施工图近似确定；轨道板、底座板、钢轨等参数按照轨道施工图确定[1-3]。

2.1.2约束条件

本课题主要关注的是相邻桥墩高差的温度效应对无砟轨道平顺性的影响，不考虑其他外界因素的影响。因此，在进行仿真计算时将桥墩底部全约束，桥台处采用只承受压力的杆单元模拟，杆单元下部节点垂向位移约束[4-7]。其他约束条件与桥梁结构型式有关。

2.2　计算模型

2.2.1简支梁模型

通过高中数学课程的学习，学生能够在具体的真实情境中积累经验，形成抽象思维，把握事情的本质，运用数学抽象的思维方式思考并解决实际问题．在2018年的高考数学命题中，对学生数学抽象核心素养的考查已经落实到具体的题目当中，凸显高考数学命题鲜明的素养导向和育人导向．

根据简支梁的结构特点，不同高度桥墩在温度荷载作用下的墩顶位移变化可以认为是相互独立的，为研究温度效应对简支梁不同高度桥墩高程变化的影响情况，本报告根据桥梁施工图建立了空心桥墩空间实体模型[4]，如图1所示(以45 m桥墩为例)。

图1　空心桥墩空间模型

2.2.2连续梁模型

连续梁桥墩高度不同时，在温度荷载下，各支座支反力会发生变化，各桥墩墩顶位移会相互影响，且影响的程度与桥梁跨度、各桥墩高差、梁体自重等因素有关。为研究温度变化导致的连续梁变形情况，以最大墩高差为30 m的一联(40+64+64+40) m连续梁东炮沟大桥为例，建立了桥墩-梁体有限元模型[5]，其中梁体采用梁单元、桥墩采用杆单元、桥墩与梁体之间采用只能承受压力的杆单元连接，模型示意如图2所示。

图2　连续梁建模示意(单位：cm)

2.2.3连续刚构模型

连续刚构桥墩高度不同时，在温度荷载作用下，各支座支反力会发生变化且会在支座处产生附加弯矩抵抗墩顶的变形，此种影响也与桥梁跨度、各桥墩高差、梁体自重等因素有关。为研究温度变化导致的连续刚构桥墩的变形情况，本报告以最大墩高差为41 m的(60+100+100+60) m大平羌沟大桥为例建立了桥墩-梁体有限元模型[7]，其中梁体采用梁单元、桥墩采用杆单元、桥墩与梁体之间固结，模型示意如图3所示。

图3　连续刚构建模示意 (单位：cm)

2.3　温度效应对不同高度桥墩高程变化的影响

2.3.132 m简支梁

为研究温度效应对简支梁不同高度桥墩高程变化的影响情况，分别建立了15、30、40、45、50 m的空心桥墩进行研究分析[8]。计算结果汇总如图4～图7所示(以45 m桥墩温升20 ℃为例给出计算结果云图)。

图4　单独施加梁体自重时桥墩位移

图5　加梁体自重及温升20°时桥墩位移

图6　不同墩高墩顶位移随温度的变化趋势

图7　不同墩高墩顶位移随墩高的变化趋势

根据计算结果可知：简支梁墩顶位移随温度的变化呈线性增加的趋势，同一温度变化的情况下，墩顶位移值与墩高也呈线性增加的趋势。

2.3.2(40+64+64+40) m连续梁

温度荷载下(40+64+64+40) m连续梁墩高变化(图2中的1、2、3号墩高分别为14、44、39 m)的研究结果见图8～图10[9，11]。

图8　梁体自重下梁体及支座位移结果

图9　梁体自重及升温20 ℃时梁体及支座位移结果

图10　各桥墩墩顶位移随温度变化趋势

由图10可知，连续梁桥墩墩顶位移随温度的升高呈线性增加的趋势。根据各桥墩墩顶实际位移及墩高、温升情况反推出1、2、3号桥墩的名义线膨胀系数分别为1.15×10-5、0.862 5×10-5、0.710 5×10-5/℃，说明连续梁在温度荷载导致桥墩墩顶位移变化的过程中，各支座支反力会发生重分布，使墩顶位移产生变形协调，对轨道结构的平顺性有利。

2.3.3(60+100+100+60) m连续刚构

温度荷载下(60+100+100+60) m连续刚构墩高变化(图3中的1、2、3号墩高分别为43、72、31 m)的研究结果如图11～图13所示[10,12]。

图11　梁体自重下梁体及支座位移结果

图12　梁体自重及升温20 ℃时梁体及支座位移结果

图13　各桥墩墩顶位移随温度变化趋势

由图13可知，连续刚构桥墩墩顶位移随温度的升高呈线性增加的趋势。同样可以反推出1、2、3号桥墩的名义线膨胀系数分别为0.930 4×10-5、0.915×10-5、1.037 2×10-5/℃，表明连续刚构在温度荷载下，墩顶位移也产生了变形协调，对桥梁上部结构的平顺性有利。

2.3.4小结

本节对简支梁、连续梁及连续刚构3种结构形式的桥梁在温度效应下桥墩高程的变化进行了研究分析。由计算结果可知：墩顶位移随温度的增加而呈线性增加的趋势，连续梁及连续刚构在温度荷载下，各支座支反力会发生重分布，墩顶位移会出现变形协调，导致高墩的名义线膨胀系数较小、低墩的名义线膨胀系数较大，对轨道结构的平顺性有利。

3研究结论及建议

结合我院设计范围内的相邻墩高差大于20 m的实际情况，研究了典型工点温度效应对不同高度桥墩高程变化的影响。根据研究结果，得出的主要结论如下。

(1)墩顶位移随温度的增加而呈线性增加的趋势，连续梁及连续刚构在温度荷载下，各支座支反力会发生重分布，墩顶位移会出现变形协调，导致高墩的名义线膨胀系数较小、低墩的名义线膨胀系数较大，对轨道结构的平顺性有利。

(2)温度荷载导致的轨道结构的平顺性的主要影响因素有当地的最低月平均气温、最高月平均气温、各桥墩高度、相邻墩高差、桥梁结构形式、无砟轨道精调温度等，设计、施工时应综合考虑以上因素的影响。

(3)最高桥墩的高度、相邻墩高差过大是引起轨道结构不平顺的主要原因。

(4)为满足钢轨长波不平顺的要求，桥墩年温升(温降)按20 ℃保守估算，简支梁(跨度不大于48 m)范围内任意相邻两个桥墩(或桥墩与桥台)高差不能超过50 m，连续梁及连续刚构任意相邻两个桥墩高差超过50 m的，需要进行检算。

为避免出现温度效应引起的桥墩墩顶位移导致轨道结构不平顺超限，从设计、施工角度给出如下几点建议。

(1)在活载、温度荷载等作用下，桥梁变形变位不可避免，线路平面选线时应尽量避开地形高差过大的区域，避免相邻桥墩高差过大。

(2)桥梁设计过程中应考虑通过调整孔跨布置、桥梁结构形式等措施，尽量减小桥梁最高墩的高度及相邻墩高差。

(3)无砟轨道施工应尽量选择在最冷月平均气温和最热月平均气温的中间区域。

(4)应根据当地的最低月平均气温及最高月平均气温，结合无砟轨道施工时的环境温度等综合因素对轨面设计高程进行修正。

(5)为防止由桥墩温度效应引起的钢轨不平顺与轨道结构自身不平顺叠加后引起轨道不平顺的超限，必须严格控制高墩及墩高差大的桥上无砟轨道施工的精度，且应尽量避免道岔、伸缩调节器等轨道结构自身不平顺较大的设备布置在高墩及墩高差较大的桥上。

(6)连续梁及刚构梁合龙建议在接近年平均气温的晚间进行。

参考文献：

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[3]国家铁路局.TB 10621—2014高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社， 2014.

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Study on the Impact of Temperature Effect of Railway Bridge on Elevation Variation of Piers of Different Heights

LUO Yong

(Bridge & Tunnel Design Department， China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043, China)

Abstract：In case of adjacent piers with big elevation differences， the temperature effect may cause vertical displacement difference between the piers， resulting in additional track surface irregularity and impact on the safety and smooth operation of the track. Given China’s vast territory， complex geological environment， there tend to be big elevation differences between adjacent piers and it is necessary to study the impact of the temperature effect on the elevation of piers with different heights when elevation differences of adjacent piers are big. In this paper， MIDAS is used to build the finite element model for and analysis， and suggestions are made to guide the design and construction.

Key words：Railway bridge; Temperature effect; Regularity; Total restraint; Bar-Unit; Pier-beam finite element model

作者简介：罗勇(1983—)，男，工程师，2006年毕业于北京交通大学

收稿日期：2015-06-06； 修回日期：2015-06-15

中图分类号：U441+.5

文献标识码：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.016

文章编号：1004-2954(2016)01-0075-04