大跨度无砟轨道简支钢桁梁桥温度效应研究

李 辉,金 令

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 研究背景

官厅水库特大桥是京张高铁控制性工程之一。大桥位于京张高铁350 km/h无砟轨道区段，且跨越北京市一级水源保护区—官厅水库库区，技术难度大，环保要求高。

官厅水库特大桥主桥设计中采用8孔108 m简支曲弦钢桁梁。简支结构、多孔跨布置形式，避免了轨道伸缩调节器的设置，减少了后期运营维护的工作量；而且变高曲弦桁式，不仅景观效果好，同时又符合简支梁的受力特点，用较小的用钢量获得了较大的结构刚度[1-2]。大桥静活载计算挠度31.8 mm，挠跨比1/3 396，每孔简支钢梁用钢量为1 818 t，平均每延米用钢量仅16.5 t，经济效益显著。

根据调研，之前国内已建成通车的高速铁路大跨度无砟轨道简支钢梁仅有2座，分别为2009年底通车的武广高铁(时速350 km)汀泗河特大桥1孔140 m下承式简支钢箱系杆拱桥[3]和2017年底通车的西成客专(时速250 km)跨西宝客专特大桥1孔132 m简支钢桁梁[4]。而在350 km/h无砟轨道线路中采用多孔大跨度简支钢梁形式国内外尚属首次。

与混凝土桥梁相比，大跨度钢桁梁具有轻质、环保、施工速度快等优点，但其对环境温度较为敏感，桥梁结构的几何线形和内力状态等均和温度变化密切相关，当这种结构形式应用于高速铁路无砟轨道线路时，对其温度效应的研究将比以往更为重要。

目前，TB10002—2017《铁路桥涵设计规范》对于温度荷载的取值规定较为简单，仅规定了钢桥应考虑历年极端最高和最低气温，混凝土桥按照所在地区的最高和最低月平均气温和混凝土结构式样、尺寸等确定构件的计算温度。JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》给出了钢桥面板钢桥和混凝土桥面板钢桥的有效温度标准值和结合梁的竖向梯度温度取值，但对于钢桁梁的温度荷载取值标准并未提及。

国内外关于上部结构温度场的研究中多以混凝土梁[5]、钢-混结合梁[6-8]和钢箱梁[9]等构造形式为主，对钢桁梁进行的温度场和温度效应的研究还较少。而且针对钢桁梁温度场[10-12]的研究基本上都是为施工中的结构线形控制服务的，温度场测量数据大多过于复杂，且因桥梁所处的地理位置、桥梁方位等因素的不同而具有较大差别，对于设计的实际指导意义并不强。因此，有必要以本桥为依托开展高速铁路无砟轨道钢桁梁桥温度效应研究，提出适宜的温度荷载模式，为今后无砟轨道钢桁梁桥设计提供借鉴和参考。建成后的京张高铁官厅水库特大桥见图1。

图1 京张高铁官厅水库特大桥主桥实景

2 结构概况

京张高铁官厅水库特大桥主桥钢桁梁单跨梁长 109.7 m，支点跨度108 m，桁高11～19 m，桁宽13.8 m，节间长10.8 m。主桁弦杆均采用箱形截面，腹杆部分采用箱形截面、部分采用H形截面。端斜杆为箱形截面，各杆件根据需要设置加劲肋。主桁上、下弦杆节点均采用整体节点形式。简支曲弦钢桁梁立面见图2。

图2 108 m简支曲弦钢桁梁立面(单位：mm)

桥面系采用正交异性钢桥面板，钢桥面板上铺设20 cm厚混凝土板，其上铺设CRTSⅠ型双块式无砟轨道。简支曲弦钢桁梁桥面系断面见图3。

图3 108 m简支曲弦钢桁梁桥面系断面(单位：mm)

桥面系横梁均采用倒T形截面，分为端支点横梁、节点横梁及节间横梁。每线铁路下设2道倒T形截面纵梁。钢桥面板板厚16 mm，纵向采用U形加劲肋和板式加劲肋。在钢桥面板上缘布置剪力钉，用于钢桥面板与混凝土桥面板的连接，桥面板混凝土采用工地现浇施工。

3 桥址气象条件

桥址区属于寒温带半干旱性气候区，冬季漫长寒冷干燥，夏季多雷雨，春秋多风沙。年平均气温10.5 ℃，最热月平均气温25.3 ℃，最冷月平均气温-6.7 ℃；极端最高气温40.3 ℃，极端最低气温-21.7 ℃；全年平均风速约2.6 m/s，最大风速为24.0 m/s[13]。

4 温度荷载取值及其作用下的结构竖向变形分析

TB10002—2017《铁路桥涵设计规范》规定，钢结构导热性好，对温度变化较灵敏，故温度取值应考虑历年极端最高和最低气温；而混凝土结构因本身导热性较差，故对尺寸较大的构件，其内部温度还是接近于该地区的月平均气温。本桥为高速铁路无砟轨道桥梁，混凝土桥面板上方设置有混凝土防水层、保护层、电缆槽、轨道底座板等桥面附属结构，可以起到保温隔热的作用，因此设计中混凝土桥面板的温度取值可按该地区的最低和最高月平均气温考虑。

根据规范要求，温度模式①取值如下：平均温度10.5 ℃，钢结构最大整体升降温±32 ℃(最高温度42.5 ℃，最低温度-21.5 ℃)，混凝土桥面板最大升降温±17 ℃(最高温度27.5 ℃，最低温度-6.5 ℃)，钢混结构最大温差±15 ℃。温度模式①作用下梁体竖向位移如表1所示。

表1 温度模式①作用下梁体竖向位移计算值 mm

通过对桥梁结构断面布置形式分析可知，上述温度模式和实际情况有较大偏差。首先，混凝土桥面板和正交异性钢桥面板密贴布置，两者之间不可能存在15 ℃的温差。根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》竖向梯度温度取值图形和北京工业大学陈彦江等《钢-混凝土组合梁桥温度场及温度效应研究》[6]的研究成果，并考虑到高速铁路无砟轨道钢桁梁桥面钢板被下弦杆和混凝土桥面板遮挡和覆盖的实际情况，可以认为本桥的钢桥面板和混凝土桥面板采用相同的温度取值是合理的。其次，钢桁梁下弦杆和钢桥面板整体焊连，如仍采用与上弦杆和腹杆相同的温度取值也不尽合理，因此在设计中对于下弦杆的温度取值根据腹杆和混凝土板的温度差值适当进行了折减。

根据上述分析，在设计中引入了温度模式②：桥面系钢结构与混凝土桥面板采用混凝土构件温度(极限值为最低和最高月平均气温)、上弦杆及腹杆采用环境温度(极限值为历年极端最低和最高气温)、下弦杆温度根据混凝土桥面板和腹杆温差在腹杆构件温度基础上进行适当折减的温度取值模式。温度模式②不同取值及其作用下梁体竖向位移如表2所示。

表2 温度模式②取值及其作用下梁体竖向位移计算值

图4、图5分别为京张高铁官厅水库特大桥主桥在混凝土桥面板等部分桥面附属施工完成后233号～234号墩间钢桁梁在温度荷载作用下的线路左侧和线路右侧的桥面竖向变形实测数据。

图4 京张高铁官厅水库特大桥233号～234号墩间钢桁梁线路左侧跨中温度变形实测值

图5 京张高铁官厅水库特大桥233号～234号墩间钢桁梁线路右侧跨中温度变形实测值

将表1、表2两个温度模式计算结果与图4中的施工单位竖向位移实测结果对比分析可知：

(1)温度模式①中，桥面结构的跨中计算位移仅为±2.2 mm，与实测数值差别较大；

(2)温度模式②中，当白天上弦钢结构温度(近似于气温)比每天夜间稳定温度高10 ℃时，计算跨中上拱7.7 mm，与实测上拱值7～8 mm基本一致；当白天上弦钢结构温度(近似于气温)比每天夜间稳定温度高15 ℃时，计算跨中上拱值为11.5 mm；

(3)温度模式②计算变形值与实测数值基本吻合，因此温度模式②可作为桥面形式为正交异性钢桥面+混凝土桥面板的钢桁梁桥温度荷载计算模式。

5 无砟轨道曲弦钢桁梁温度变形对轨道施工、验收及运营安全的影响分析

(1)对于整体升降温来说，钢梁产生的竖向变形较小，对轨道平顺性影响很小。

(2)由于大跨度钢桥对环境温度变化较为敏感，温度变化对轨道几何尺寸影响较大，因此，此类桥梁应选择在温度较稳定的夜间进行轨道铺轨、精调及验收工作。

(3)根据计算可知，本桥在最不利温度场作用下每孔110 m简支曲弦钢桁梁跨中计算最大变形值为±11.5 mm。

为保证行车安全，在设计中将温度变形值±15 mm作为不平顺数值加入不平顺谱中进行车桥耦合分析计算。根据计算结果和实际运行情况可知，在该温度变形条件下，本桥动力分析各项指标均满足规范要求。

6 结语

以京张高铁官厅水库特大桥108 m简支曲弦钢桁梁为依托，开展钢桁梁桥温度效应及其对高速铁路无砟轨道的适应性研究，得出以下结论。

(1)按照《铁路桥涵设计规范》规定的温度荷载取值模式，对无砟轨道钢桁梁桥进行温度变形计算时，与实测数值偏差较大。

(2)设计中提出了桥面系钢结构与混凝土桥面板采用混凝土构件温度(极限值为最低和最高月平均气温)、上弦杆及腹杆采用环境温度(极限值为历年极端最低和最高气温)、下弦杆温度根据混凝土桥面板和腹杆温差在腹杆构件温度基础上折减20%的温度取值模式，通过对不同环境温度的试算，其计算的温度变形值与实测数值符合良好，建议将该温度模式作为桥面形式为正交异性钢桥面板+混凝土桥面板的钢桁梁桥的温度荷载计算模式。

(3)由于大跨度钢桥对环境温度变化较为敏感，温度变化对轨道几何尺寸影响较大，因此此类桥梁应选择在温度较稳定的夜间进行轨道铺轨、精调及验收工作。

(4)设计中应将最不利温度场作用下钢桁梁跨中计算最大变形值与线路不平顺谱进行叠加后，进行车桥耦合分析计算，保证高速铁路的行车安全。

依托中国中铁股份有限公司重大专项课题(2016-重大专项-02)的子课题3-大跨度拱形钢桁梁关键技术研究成果，京张高铁官厅水库特大桥设计中首次采用了多孔大跨无砟轨道简支钢桁梁的结构形式，是目前世界上运营速度最高、规模最大的无砟轨道简支钢桁梁桥[14]。大桥的修建提升了我国在高速铁路无砟轨道钢桥技术领域的世界领先地位，其研究成果将为规范修编和今后的无砟轨道钢桁梁桥设计提供借鉴和参考。