温度变化对高速铁路连续梁桥的影响分析

杨　娟

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆　400067)

温度变化对高速铁路连续梁桥的影响分析

杨娟

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)

摘要：随着我国高速铁路的不断发展，山区铁路桥梁的数量也随之增加，越来越多的线路需要跨越深沟深谷，从而需要修建大量的高墩大跨桥梁。目前我国大部分高墩桥梁依然采用混凝土浇筑形式，而想要列车在这类桥上保持运行的平稳性和安全性，则需要解决温度变化和收缩徐变带来的影响。基于此，以某48 m+80 m+48 m的预应力混凝土连续梁桥为例，就温度变化对高速铁路连续梁桥的影响进行相关研究，分别研究桥梁结构在整体升、降温和局部温差情况下其产生的响应，包括桥面的竖向变形曲线，跨中横向最大位移，竖向、横向加速度等。研究结果对实际桥梁结构的修建和养护具有借鉴意义。

关键词：温度变化；大跨度桥梁；响应；安全性指标

随着我国高速铁路的不断发展，山区铁路桥梁的数量也在随之增加，越来越多的线路需要跨越深沟深谷，从而需要修建大量的高墩大跨桥梁。目前，我国墩高最高的铁路桥梁最高主墩高度已达到了128 m，设计车速为160 km/h，为使该桥在横向刚度上满足设计要求，桥墩在横向上采用的是双变坡呈扫帚形。由于我国大部分高墩桥梁依然采用混凝土浇筑形式，所以要想列车在大跨度高墩桥梁结构上依然保持运行的平稳性和安全性[1]，则需要解决温度变化和收缩徐变带来的影响。基于此，本文以某48 m+80 m+48 m的预应力混凝土连续梁桥为例，就温度变化对高墩桥梁的影响进行相关研究，研究内容主要包括整体升、降温和局部温差作用对桥梁、车辆以及轨道系统振动响应[2]的影响。

1研究背景与计算条件

1.1研究背景

本文以某48 m+80 m+48 m的预应力混凝土连续梁桥为背景进行研究。该桥总长177.5 m，L边/L中=0.6，其中L边为边跨长度，L中为中跨长度。桥面宽度：防护墙内侧净宽9.0 m，桥上人行道栏杆内侧净宽12.1 m，箱梁宽12.2 m。由于该桥为高速铁路连续箱形梁桥，所以采用的横截面形式为扁平单箱单室。桥梁总体布置和零号块半截面如图1、图2所示。

1.2计算条件

为了研究温度变化对上述桥梁车桥耦合系统[3]的影响，本文对5种工况下桥梁结构的响应进行了分析。这5种工况分别是不考虑温度变化的影响、桥梁结构整体升温10 ℃、整体降温10 ℃、局部温度作用(箱梁最大横向位移)及局部温差作用(箱梁最大竖向位移)，具体见表1。经计算可以得到5种工况下桥面的竖向变形曲线，为了进一步分析温度变化对桥梁、车辆以及轨道系统动力响应的影响，本文将温度变化情况下桥面的竖向变形曲线[4]与轨道进行不平顺叠加来作为桥梁结构的激励以进行车-线-桥动力计算。

图1桥梁总体布置示意

图2　零号块半截面

工况编号曲线序号说明1组合曲线a不考虑温度变化的影响2组合曲线b桥梁结构整体升温10℃3组合曲线c桥梁结构整体降温10℃4组合曲线d局部温差作用(箱梁产生最大横向位移)5组合曲线e局部温差作用(箱梁产生最大竖向位移)

1.3桥梁竖向变形曲线

对上述5种工况下桥面的竖向变形值进行分析，通过在MIDAS模型中修改初始条件，便得到了各工况下的变形具体值，如图3所示。

图3　桥面竖向变形值

2动力仿真分析

2.1桥梁结构动力响应

列车在桥梁结构上行驶时，梁体会产生一定的振动，振动较大时便会使桥上的线路发生失稳现象，进而影响列车的行驶安全。鉴于此，相关专家对桥梁结构的变形和振动加速度进行了相应的限制[5]，由《铁路桥梁检定规范》可知，对于半幅、有碴轨道而言，桥梁结构竖向振动加速度限值为3.5 m/s2；对于半幅、无碴轨道而言，桥梁结构竖向振动加速度限值为5.0 m/s2；考虑桥梁横向振动加速度限值时，无论是有碴轨道还是无碴轨道，限值都为1.4 m/s2。连续梁桥结构在国产300车型行驶时，跨中横向最大位移响应随速度的变化关系见表2。

表2　国产300车型行驶时跨中横向最大位移

对各工况下连续梁桥跨中横向最大位移在不同车速下的响应值进行分析可知，当列车的运行速度保持不变时，5种工况下桥梁跨中横向最大位移值十分接近，可见在同一速度下温度变化对桥梁响应的影响较小。同时，本文也研究了不同跨度连续梁桥的位移变化值并得到如下结论：桥梁跨中竖向动位移随跨度的增大而增大，而横向动位移则与桥梁跨度无明显的线性关系。由此可知，温度变形引起的线路不平顺对桥梁振动响应的影响较小。

2.2车辆动力响应

2.2.1车辆安全性指标

对列车运行安全性进行评价时，常使用脱轨系数和轮重减载率[6]2个指标。脱轨系数与轮重减载率2个参数可根据TB 10621—2009《高速铁路设计规范(试行)》中的相关规定来确定。对于实际桥梁结构而言，为了确保列车的行车安全，需要保证脱轨系数小于或等于0.8，轮重减载率限值则应小于或等于0.6。该连续梁桥在规定计算速度下部分脱轨系数和轮重减载率响应如图4、图5所示。

图4　动车脱轨系数

基于对该连续梁桥脱轨系数、轮重减载率在不同工况下的响应值的分析，得到如下结论。

1)在计算条件下，车辆的脱轨系数、轮重减载率均随速度的增大而增大，且车辆的安全性指标均未超限。

图5　动车轮重减载率

2) 由图5中各曲线的具体走势可知，在这5种工况下，车辆的脱轨系数和轮重减载率曲线基本重合，表明温度变化对车辆安全性指标的影响较小。

对比分析该连续梁桥与其他跨度的桥梁结构可知，在相同列车运行速度下，车辆在不同跨度连续梁上运行时的脱轨系数、轮重减载率非常接近，说明在桥梁设计合理的情况下，桥梁跨度并不是车辆安全性指标的控制因素，从而也间接说明了温度变化引起的桥面变形对列车安全性指标影响较小。

2.2.2车辆舒适性指标

乘客在评价一列列车时，往往会用到“舒适性”这一词，而列车行驶过程中影响人体舒适性的是车体竖向、横向振动加速度[7]。所以，可以通过观测车体的竖向、横向振动加速度及Sperling参数来判定乘坐的舒适性[8]。由现有规范可知，在对客车车辆(速度大于200 km/h)进行车桥耦合动力仿真分析时，车体的竖向振动加速度限值为0.13g，承台横向振动加速度限值为0.1g。其对应的Sperling评价指标分为3个档次，分别为：合格，2.75～3.00；良好，2.50～2.75；优良，<2.50。各工况下车体竖向、横向加速度响应以及车辆竖向Sperling指标响应如图6～8所示。

对该连续梁桥的舒适性指标在5种不同工况下的响应值进行对比，得到如下结论。

1) 对比图6各曲线基本走势可知，车辆竖向加速度会随着速度的不断增加而逐渐增加，且车辆的竖向加速度指标不会超过限制。

2) 对比图6各曲线差距大小可知，在列车运行速度相同的情况下，5种工况下车辆竖向加速度响应值不尽相同，说明温度变化会对列车的竖向加速度带来较明显的影响。

图6　动车竖向加速度

图7　动车横向加速度

图8　动车竖向Sperling指标

3) 对比图7 各曲线走势可知，车辆横向加速度在各种工况下的变化规律基本一致，主要原因在于温度变化导致的桥面变形对车辆来说多为竖向激励，因此，其对车辆横向加速度响应影响很小。

4) 对比图8各曲线可知，温度发生变化时，车辆竖向Sperling指标会有不同程度的增大，且在工况4和工况5条件下响应值是最大。

3结论

本文以某48 m+80 m+48 m连续高墩梁桥为研究对象，分析了温度变化对桥梁、车辆以及轨道系统振动产生的响应。通过比较分析，得到如下结论。

1) 温度发生变化时，桥梁跨中的位移响应与不考虑其影响时基本一致，可见温度变形引起的线路不平顺对桥梁的振动响应影响较小。

2) 连续梁因温度变化产生的桥面变形对车辆的脱轨系数影响不明显。

3) 温度发生变化时，车辆横向加速度受到的影响较小，而车辆竖向加速度、竖向Sperling指标受到的影响较大。原因在于温度变化引起的桥面变形多为竖向，故对桥面横向的影响不大，从而也从侧面说明了长波轨道不平顺会影响乘车舒适性。

参 考 文 献

[1]高芒芒.高速铁路列车-线路-桥梁耦合振动及列车走行性研究[J].中国铁道科学，2002(2)：135-138.

[2]李小珍，强士中.大跨度公铁两用斜拉桥车桥动力分析[J].振动与冲击，2003(1)：6-9.

[3]张建荣，刘照球，华毅杰.混凝土结构设计中考虑温度作用组合的研究[J].工业建筑，2007(1)：42-46.

[4]李小珍，刘德军，晋智斌.大跨度铁路悬索桥车-线-桥耦合振动分析[J].钢结构，2010(12)：6-12.

[5]刘德军.风—列车—线路—桥梁系统耦合振动研究[D].成都：西南交通大学，2010.

[6]唐志.钢管混凝土梁—拱桥徐变及温度变形对车桥系统动力响应影响研究[D].长沙：中南大学，2009.

[7]谢文霞.混凝土收缩和温度时变效应耦合作用研究[D].西安：长安大学，2010.

[8]王林.大跨径预应力混凝土桥梁温度、徐变效应的分析研究[D].杭州：浙江大学，2005.

Analysis for Influences of Temperature Changes on Continuous Beam Bridges on High-speed Rail

YANG Juan

Abstract:With development of high-speed railways in China, the number of railway bridges in mountainous area increases, and more and more lines need cross deep trenches and valleys. As a result, a lot of high-pier and large-span bridges shall be constructed. At present, most high-pier bridges in China are still cast with concrete. The influences caused by temperature changes and shrinkage creep shall be settled to keep stability and safety of train operation on such bridges. On this basis, and with a 48m+80m+48m prestressed concrete continuous beam bridge as an example, this paper carries out the related researches on the influences of temperature changes on continuous beam bridges on expressways, studies responses of bridge structures in the case of overall temperature change and local temperature difference. The responses include vertical deformation curves of deck, the max. lateral displacement of midspan, and vertical/lateral accelerations, etc. The results of research provide a reference for construction and maintenance of real bridge structures.

Keywords:temperature change; large-span bridge; response; safety index

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.015

收稿日期：2016-01-18

作者简介：杨娟(1982-)，女，山东省青岛市人，硕士，工程师。

文章编号：1009-6477(2016)03-0062-04中图分类号：U448.21

文献标识码：B