青藏鐵路不凍泉地區(qū)橋上無縫線路梁軌縱向位移試驗研究

曾志平 ，張向民 ，孫永寧，王雪松，陳秀方

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075；

2. 中南大學 重載鐵路工程結構教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075；3. 青藏鐵路公司，青海 西寧，810007)

青藏鐵路二期工程(格爾木—拉薩段)的建設是西部大開發(fā)的一項標志性工程，其平均海拔高度為4.5 km以上，是世界海拔最高、線路最長的高原鐵路。沿線氣候惡劣、氣象災害頻發(fā)，經(jīng)受著高原惡劣自然條件的考驗。冬、春季節(jié)的冰雪、低溫凍害、風沙、凍土，夏季的強降水、雷暴等天氣嚴重影響鐵路的正常運輸[1?6]，線路運營維修條件極差。在青藏鐵路鋪設無縫線路，減少線路維修工作量，是實現(xiàn)以人為本、落實科學發(fā)展觀的重大舉措。2003年，鐵道部成立青藏鐵路無縫線路研究課題組，在格爾木至望昆之間鋪設了3個無縫線路試驗段(總長23.854 km)，對季節(jié)性凍土地區(qū)鋪設無縫線路的技術可行性(氣溫與軌溫變化規(guī)律、軌道結構型式、道床質量狀態(tài)、設計參數(shù)、焊接工藝等)進行了系統(tǒng)研究[7?9]，使無縫線路在青藏鐵路季節(jié)性凍土地區(qū)得以逐步推廣。鑒于運營過程中季節(jié)性凍土地區(qū)無縫線路的優(yōu)越性非常顯著，對在青藏鐵路綿延550 km的多年凍土地區(qū)鋪設無縫線路的需求越來越強烈。然而我國目前關于多年凍土地區(qū)鐵路無縫線路關鍵設計參數(shù)和方法尚不完善?；诖耍F道部于 2010年成立青藏鐵路多年凍土地區(qū)無縫線路研究課題組，并在不凍泉地區(qū)(DK977+950～DK984+100，海拔約4 700 m)鋪設了無縫線路試驗段，對多年凍土地區(qū)氣溫軌溫、梁軌縱向位移、緩沖區(qū)軌道縱向位移、長大坡道軌道縱向位移、小曲線半徑軌道橫向位移等關鍵參數(shù)的變化規(guī)律進行系統(tǒng)的試驗研究，獲得了寶貴的試驗數(shù)據(jù)。本文作者通過連續(xù)測量梁端縱向位移、梁軌縱向相對位移隨溫度、時間而變化的規(guī)律，研究現(xiàn)行《鐵路軌道設計規(guī)范》[10]中有關橋上無縫線路伸縮力與位移的計算參數(shù)和方法對青藏鐵路不凍泉地區(qū)橋上無縫線路設計適用性。

1 試驗方法

由于青藏鐵路的橋梁以混凝土簡支梁橋為主，故選擇簡支梁橋梁端縱向位移和梁軌縱向相對位移進行測試。

1.1 梁端縱向位移的測試方法

在相鄰兩片梁端側面靠近中性軸處分別沿水平方向安裝1個固定支架和1塊L型頂鐵，將位移傳感器的固定端固定在支架上，活動端與頂鐵密貼，梁縫寬度隨梁體溫度變化而改變即表現(xiàn)為位移傳感器的伸縮位移，如圖1(a)和圖1(b)所示。若橋梁墩高較小，則可假定橋墩剛度非常大，梁體產(chǎn)生伸縮變形過程中，墩頂縱向位移可以忽略不計。同時假設固定支座一側梁端與橋墩之間無相對位移。因此，梁縫寬度變化等于活動支座一側梁端縱向位移。根據(jù)梁端縱向位移、支座摩擦因數(shù)、道床阻力等參數(shù)即可求得梁體溫度變化規(guī)律。

1.2 梁軌縱向相對位移的測試方法

選擇安裝梁端縱向位移傳感器正上方的軌道，扒開道砟，在活動支座一側梁面上安裝1個固定支架，再回填道砟。在鋼軌軌腰側面焊接1塊L型頂鐵，將位移傳感器的固定端固定在支架上，活動端與頂鐵密貼，梁軌縱向相對位移的變化即表現(xiàn)為位移傳感器的伸縮位移，如圖1(a)和圖1(c)所示。

圖1 梁軌縱向位移測試方法Fig. 1 Test method of beam and rail longitudinal displacement

2 測試系統(tǒng)組成、布置及驗證

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集存儲器、控制分析軟件、位移傳感器、百葉箱、蓄電池、太陽能板等組成。數(shù)據(jù)采集存儲器根據(jù)設定的時間間隔定時采集并存儲位移傳感器的數(shù)據(jù)，百葉箱能為數(shù)據(jù)采集存儲器提供良好的工作環(huán)境，太陽能板利用太陽能源源不斷地給蓄電池充電，蓄電池為數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電流，控制分析軟件用于數(shù)據(jù)采集存儲器的參數(shù)設定、數(shù)據(jù)提取和分析等。系統(tǒng)布設在不凍泉無縫線路試驗段的一座多跨32 m雙T型簡支梁橋的中跨梁端(橋梁中心里程DK981+677)，如圖2所示。

值得注意的是，測試系統(tǒng)所測得的絕對數(shù)據(jù)并不等于梁縫寬度，若測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，則其所測得的數(shù)據(jù)與梁縫寬度之間有一個比較固定的差值。為了對測試系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)進行標定和驗證，課題組于2011?07?31T10:50—2011?08?01T8:50，利用游標卡尺，在安裝梁端縱向位移傳感器的對應位置，對梁縫寬度進行了1晝夜的人工測試，測量的時刻與測試系統(tǒng)設定的采樣時刻一一對應，共獲得12組數(shù)據(jù)。

人工測試數(shù)據(jù)和測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)之差的平均值為56.32 mm。將系統(tǒng)采集的每個數(shù)據(jù)點加上該值，得到人工測試和儀器測試結果。梁縫日變化規(guī)律如圖 3所示?？梢姡喝斯y試和儀器測試結果之差的平均值為0.07 mm，標準差為0.18 mm，呈現(xiàn)了較好的一致性。與氣溫變化相比，梁縫變化約滯后2 h左右。

圖2 梁軌縱向位移測試系統(tǒng)組成及布置Fig. 2 Components and installation of beam and rail longitudinal displacement

圖3 梁縫日變化規(guī)律對比Fig. 3 Comparison of beam gap daily variation

3 試驗結果及分析

梁端縱向位移、梁軌縱向相對位移的測試時間分為 2010?12?29 — 2011?08?01 ， 2010?12?29 —2011?05?11，共計214 d和134 d，測試系統(tǒng)每2 h自動采集存儲1次數(shù)據(jù)，分別獲得數(shù)據(jù)2 568組和1 608組，結果如圖4～7所示。

測試期間內梁軌最大日縱向相對位移為 1.43 mm，梁縫日最大變化量為2.89 mm，出現(xiàn)在2010年3月16日。

取支座滑動摩擦因數(shù)μ=0.05[11]，梁質量M=248.4 t[12]，混凝土線膨脹系數(shù)α=1.0×10?5、彈性模量E=3.6×104MPa，梁體橫截面積A=2.376 m2，橋梁二期恒載V=47.4 kN/m，每軌的道床縱向阻力q=7 kN/m。

圖4 梁縫實測值Fig. 4 Measured values of beam gap

圖5 梁縫日變化量Fig. 5 Beam gap daily variation

圖6 梁軌縱向相對位移實測值Fig. 6 Relative displacement between beam and rail

圖7 梁軌縱向相對位移日變化量Fig. 7 Daily variation of relative displacement between beam and rail

則對于L=32 m混凝土簡支梁，梁縫日最大變化量Δl1=2.89 mm，相當于梁體日溫差Δt1=9.03 ℃；活動支座摩擦阻力為Fμ=98.8 kN，相當于梁體溫度變化Δt2=0.12 ℃；假設道床阻力沿橋梁縱向均勻分布，則相當于梁體溫度變化Δt3=0.13 ℃；即梁體實際日溫差Δt=9.28 ℃(小于規(guī)范值15 ℃)。可以計算出其他日期的梁體實際日溫差，如圖8所示。

圖8 梁體日溫差Fig. 8 Daily temperature range of beam

表1 理論計算結果與實測結果對比Table 1 Comparison of measured and calculated value

根據(jù)有關橋上無縫線路伸縮力與位移的計算方法[10]，編制計算程序，輸入梁體日溫差，得到典型日期的理論計算結果與實測結果對比如表1所示。從表1可見：梁端縱向位移的理論計算值與實測值一致，而梁軌縱向相對位移的誤差相對較大，但實測值與計算值的基本趨勢比較接近。主要原因是梁軌縱向相對位移的測試受外界因素干擾比較大，如列車運行、養(yǎng)護維修等；另外，當橋梁溫度變化幅度較小時，若采用常阻力參數(shù)計算橋上無縫線路梁軌縱向位移，其計算誤差也比較大。

由上述分析可知：在測試期間內，現(xiàn)行《鐵路軌道設計規(guī)范》中有關混凝土橋梁梁體日溫差的取值，以及橋上無縫線路伸縮力與位移的計算方法仍適用于青藏鐵路不凍泉地區(qū)橋上無縫線路設計。

4 結論

(1) 梁軌縱向位移自動采集存儲系統(tǒng)可以獲得連續(xù)、可靠的試驗數(shù)據(jù)，大大提高了測試效率，降低了人工試驗風險。

(2) 在測試期間內，現(xiàn)行《鐵路軌道設計規(guī)范》中關于有砟軌道混凝土梁體日溫差，以及橋上無縫線路伸縮力與位移的計算方法適用于青藏鐵路不凍泉地區(qū)橋上無縫線路設計。

(3) 在試驗過程中，由于灰塵、雨雪等環(huán)境的影響，位移傳感器容易卡死，尤其是梁軌縱向相對位移傳感器。梁端縱向位移和梁軌縱向相對位移的測試分別持續(xù)了214 d和134 d，今后應改進位移傳感器的選型，提高防塵等級，并做好防雨雪保護。

(4) 本次試驗僅對不凍泉地區(qū)雙片式T型混凝土簡支梁橋進行了試驗研究與分析，青藏鐵路其他多年凍土地區(qū)以及其他型式橋梁(如鋼梁)的梁軌縱向位移規(guī)律有待進一步研究。

[1]胡夏嵩, 陳桂琛, 周國英, 等. 青藏鐵路沱沱河段路基邊坡植物護坡根系力學強度試驗研究[J]. 水文地質工程地質, 2012,39(1): 107?113.HU Xiasong, CHEN Guichen, ZHOU Guoying, et al. A study of the mechanic strength of vegetation roots for roadbed slope protection in the Tuotuohe river region along the Qinghai?Tibet railway[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2012, 39(1):107?113.

[2]YANG Yinhai, ZHU Benzhen, JIANG Fuqiang, et al. Prevention and management of wind-blown sand damage along Qinghai?Tibet railway in Cuonahu Lake area[J]. Sciences in Cold and Arid Regions, 2012, 4(2): 132?139.

[3]劉峰貴, 張海峰, 陳瓊, 等. 青藏鐵路沿線自然災害地理組合特征分析[J]. 地理科學, 2010, 30(3): 384?390.LIU Fenggui, ZHANG Haifeng, CHEN Qiong, et al. The Characteristics of natural hazard regional combination law along the Qinghai?Tibet railway[J]. Scientia Geographica Sinica, 2010,30(3): 384?390.

[4]程佳, 趙相卿, 楊曉明. 青藏鐵路多年凍土典型土樣膨脹率特性研究[J]. 冰川凍土, 2011, 33(4): 863?866.CHEN Jia, ZHAO Xiangqing, YANG Xiaoming. Research of frost-heaving ratio of typical samples from permafrost regions of Qinghai?Tibet railway[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2011, 33(4): 863?866.

[5]朱兆榮, 李勇, 薛春曉, 等. 1976—2010年青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)降水變化特征[J]. 冰川凍土, 2011, 33(4): 84?850.ZHU Zhaorong, LI Yong, XUE Chunxiao, et al. Changing tendency of precipitation in permafrost regions along Qinghai?Tibet railway during last thirty years[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2011, 33(4): 846?850.

[6]李棟梁, 柳苗, 鐘海玲, 等. 青藏鐵路沿線地面氣溫和地溫的年際變化趨勢及地形的關系[J]. 高原氣象, 2005, 24(5):694?699.LI Dongliang, LIU Miao, ZHONG Hailing, et al. Interdecadal change trend of surface air and ground temperature along Qinghai?Xizang railway and relationship between the change and terrain[J]. Plateau Meteorology, 2005, 24(5): 694?699.

[7]曾志平, 余志武, 張向民, 等. 青藏鐵路無縫線路試驗段軌道不平順功率譜分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2008, 5(1):37?40.ZENG Zhiping, YU Zhiwu, ZHANG Xiangmin, et al. PSD analysis of track irregularity of continuously welded rail track in test zone of Qinghai?Tibet railway[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2008, 5(1): 37?40.

[8]馮德泉, 暢德師, 樊杰, 等. 青藏鐵路格望段無縫線路試驗段關鍵技術的研究子課題報告: 氣溫與軌溫變化規(guī)律觀測研究[R]. 西安: 中鐵第一勘察設計院集團有限公司, 2007: 2?24.FENG Dequan, CHANG Deshi, FAN Jie, et al. Research report on CWR track test section from Geermu to Wangkun along Qinghai?Tibet railway: Study on change rule between air temperature and rail temperature[R]. Xian: China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd, 2007: 2?24.

[9]蔣金州. 青藏鐵路格望段無縫線路試驗段關鍵技術的研究子課題報告: 試驗段橋梁溫差位移的測試及橋上無縫線路設計參數(shù)的研究[R]. 北京: 鐵道科學研究院, 2007: 1?40.JIANG Jinzhou. Research report on CWR track test section from Geermu to Wangkun along Qinghai?Tibet railway: Study on beam daily temperature range, displacement and design parameters[R]. Beijing: China Academy of Railway Science,2007: 1?40.

[10]TB 10082—2005, 鐵路軌道設計規(guī)范[S].TB 10082—2005, Code for design of railway track[S].

[11]曹偉宏, 蘇慶國. 圓柱面鋼支座在青藏鐵路橋梁施工中的應用[J]. 鐵道建筑技術, 2004(6): 21?24.CAO Weihong, SU Qingguo. Application of cylindrical surface bearing in Qinghai?Tibet railway construction[J]. Railway Construction Technology, 2004(6): 121?24.

[12]曹新剛. 青藏鐵路32 m預應力混凝土耐久簡支梁整體側模板的設計及施工[J]. 鐵道工程學報, 2003, (4): 33?35.CAO Xingang. Design and construction of integral outside template for durability simple-supported beam with 32 m prestressed concrete on Qinghai?Tibet railway[J]. Journal of Railway Engineering, 2003, (4): 33?35.