大跨度無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支鋼桁梁橋溫度效應(yīng)研究

李 輝,金 令

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 研究背景

官?gòu)d水庫(kù)特大橋是京張高鐵控制性工程之一。大橋位于京張高鐵350 km/h無(wú)砟軌道區(qū)段，且跨越北京市一級(jí)水源保護(hù)區(qū)—官?gòu)d水庫(kù)庫(kù)區(qū)，技術(shù)難度大，環(huán)保要求高。

官?gòu)d水庫(kù)特大橋主橋設(shè)計(jì)中采用8孔108 m簡(jiǎn)支曲弦鋼桁梁。簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)、多孔跨布置形式，避免了軌道伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置，減少了后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)的工作量；而且變高曲弦桁式，不僅景觀效果好，同時(shí)又符合簡(jiǎn)支梁的受力特點(diǎn)，用較小的用鋼量獲得了較大的結(jié)構(gòu)剛度[1-2]。大橋靜活載計(jì)算撓度31.8 mm，撓跨比1/3 396，每孔簡(jiǎn)支鋼梁用鋼量為1 818 t，平均每延米用鋼量?jī)H16.5 t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

根據(jù)調(diào)研，之前國(guó)內(nèi)已建成通車的高速鐵路大跨度無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支鋼梁僅有2座，分別為2009年底通車的武廣高鐵(時(shí)速350 km)汀泗河特大橋1孔140 m下承式簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋[3]和2017年底通車的西成客專(時(shí)速250 km)跨西寶客專特大橋1孔132 m簡(jiǎn)支鋼桁梁[4]。而在350 km/h無(wú)砟軌道線路中采用多孔大跨度簡(jiǎn)支鋼梁形式國(guó)內(nèi)外尚屬首次。

與混凝土橋梁相比，大跨度鋼桁梁具有輕質(zhì)、環(huán)保、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)環(huán)境溫度較為敏感，橋梁結(jié)構(gòu)的幾何線形和內(nèi)力狀態(tài)等均和溫度變化密切相關(guān)，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于高速鐵路無(wú)砟軌道線路時(shí)，對(duì)其溫度效應(yīng)的研究將比以往更為重要。

目前，TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于溫度荷載的取值規(guī)定較為簡(jiǎn)單，僅規(guī)定了鋼橋應(yīng)考慮歷年極端最高和最低氣溫，混凝土橋按照所在地區(qū)的最高和最低月平均氣溫和混凝土結(jié)構(gòu)式樣、尺寸等確定構(gòu)件的計(jì)算溫度。JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》給出了鋼橋面板鋼橋和混凝土橋面板鋼橋的有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值和結(jié)合梁的豎向梯度溫度取值，但對(duì)于鋼桁梁的溫度荷載取值標(biāo)準(zhǔn)并未提及。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于上部結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的研究中多以混凝土梁[5]、鋼-混結(jié)合梁[6-8]和鋼箱梁[9]等構(gòu)造形式為主，對(duì)鋼桁梁進(jìn)行的溫度場(chǎng)和溫度效應(yīng)的研究還較少。而且針對(duì)鋼桁梁溫度場(chǎng)[10-12]的研究基本上都是為施工中的結(jié)構(gòu)線形控制服務(wù)的，溫度場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)大多過(guò)于復(fù)雜，且因橋梁所處的地理位置、橋梁方位等因素的不同而具有較大差別，對(duì)于設(shè)計(jì)的實(shí)際指導(dǎo)意義并不強(qiáng)。因此，有必要以本橋?yàn)橐劳虚_展高速鐵路無(wú)砟軌道鋼桁梁橋溫度效應(yīng)研究，提出適宜的溫度荷載模式，為今后無(wú)砟軌道鋼桁梁橋設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。建成后的京張高鐵官?gòu)d水庫(kù)特大橋見圖1。

圖1 京張高鐵官?gòu)d水庫(kù)特大橋主橋?qū)嵕?/p>

2 結(jié)構(gòu)概況

京張高鐵官?gòu)d水庫(kù)特大橋主橋鋼桁梁?jiǎn)慰缌洪L(zhǎng) 109.7 m，支點(diǎn)跨度108 m，桁高11～19 m，桁寬13.8 m，節(jié)間長(zhǎng)10.8 m。主桁弦桿均采用箱形截面，腹桿部分采用箱形截面、部分采用H形截面。端斜桿為箱形截面，各桿件根據(jù)需要設(shè)置加勁肋。主桁上、下弦桿節(jié)點(diǎn)均采用整體節(jié)點(diǎn)形式。簡(jiǎn)支曲弦鋼桁梁立面見圖2。

圖2 108 m簡(jiǎn)支曲弦鋼桁梁立面(單位：mm)

橋面系采用正交異性鋼橋面板，鋼橋面板上鋪設(shè)20 cm厚混凝土板，其上鋪設(shè)CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道。簡(jiǎn)支曲弦鋼桁梁橋面系斷面見圖3。

圖3 108 m簡(jiǎn)支曲弦鋼桁梁橋面系斷面(單位：mm)

橋面系橫梁均采用倒T形截面，分為端支點(diǎn)橫梁、節(jié)點(diǎn)橫梁及節(jié)間橫梁。每線鐵路下設(shè)2道倒T形截面縱梁。鋼橋面板板厚16 mm，縱向采用U形加勁肋和板式加勁肋。在鋼橋面板上緣布置剪力釘，用于鋼橋面板與混凝土橋面板的連接，橋面板混凝土采用工地現(xiàn)澆施工。

3 橋址氣象條件

橋址區(qū)屬于寒溫帶半干旱性氣候區(qū)，冬季漫長(zhǎng)寒冷干燥，夏季多雷雨，春秋多風(fēng)沙。年平均氣溫10.5 ℃，最熱月平均氣溫25.3 ℃，最冷月平均氣溫-6.7 ℃；極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-21.7 ℃；全年平均風(fēng)速約2.6 m/s，最大風(fēng)速為24.0 m/s[13]。

4 溫度荷載取值及其作用下的結(jié)構(gòu)豎向變形分析

TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性好，對(duì)溫度變化較靈敏，故溫度取值應(yīng)考慮歷年極端最高和最低氣溫；而混凝土結(jié)構(gòu)因本身導(dǎo)熱性較差，故對(duì)尺寸較大的構(gòu)件，其內(nèi)部溫度還是接近于該地區(qū)的月平均氣溫。本橋?yàn)楦咚勹F路無(wú)砟軌道橋梁，混凝土橋面板上方設(shè)置有混凝土防水層、保護(hù)層、電纜槽、軌道底座板等橋面附屬結(jié)構(gòu)，可以起到保溫隔熱的作用，因此設(shè)計(jì)中混凝土橋面板的溫度取值可按該地區(qū)的最低和最高月平均氣溫考慮。

根據(jù)規(guī)范要求，溫度模式①取值如下：平均溫度10.5 ℃，鋼結(jié)構(gòu)最大整體升降溫±32 ℃(最高溫度42.5 ℃，最低溫度-21.5 ℃)，混凝土橋面板最大升降溫±17 ℃(最高溫度27.5 ℃，最低溫度-6.5 ℃)，鋼混結(jié)構(gòu)最大溫差±15 ℃。溫度模式①作用下梁體豎向位移如表1所示。

表1 溫度模式①作用下梁體豎向位移計(jì)算值 mm

通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)斷面布置形式分析可知，上述溫度模式和實(shí)際情況有較大偏差。首先，混凝土橋面板和正交異性鋼橋面板密貼布置，兩者之間不可能存在15 ℃的溫差。根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》豎向梯度溫度取值圖形和北京工業(yè)大學(xué)陳彥江等《鋼-混凝土組合梁橋溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)研究》[6]的研究成果，并考慮到高速鐵路無(wú)砟軌道鋼桁梁橋面鋼板被下弦桿和混凝土橋面板遮擋和覆蓋的實(shí)際情況，可以認(rèn)為本橋的鋼橋面板和混凝土橋面板采用相同的溫度取值是合理的。其次，鋼桁梁下弦桿和鋼橋面板整體焊連，如仍采用與上弦桿和腹桿相同的溫度取值也不盡合理，因此在設(shè)計(jì)中對(duì)于下弦桿的溫度取值根據(jù)腹桿和混凝土板的溫度差值適當(dāng)進(jìn)行了折減。

根據(jù)上述分析，在設(shè)計(jì)中引入了溫度模式②：橋面系鋼結(jié)構(gòu)與混凝土橋面板采用混凝土構(gòu)件溫度(極限值為最低和最高月平均氣溫)、上弦桿及腹桿采用環(huán)境溫度(極限值為歷年極端最低和最高氣溫)、下弦桿溫度根據(jù)混凝土橋面板和腹桿溫差在腹桿構(gòu)件溫度基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)折減的溫度取值模式。溫度模式②不同取值及其作用下梁體豎向位移如表2所示。

表2 溫度模式②取值及其作用下梁體豎向位移計(jì)算值

圖4、圖5分別為京張高鐵官?gòu)d水庫(kù)特大橋主橋在混凝土橋面板等部分橋面附屬施工完成后233號(hào)～234號(hào)墩間鋼桁梁在溫度荷載作用下的線路左側(cè)和線路右側(cè)的橋面豎向變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖4 京張高鐵官?gòu)d水庫(kù)特大橋233號(hào)～234號(hào)墩間鋼桁梁線路左側(cè)跨中溫度變形實(shí)測(cè)值

圖5 京張高鐵官?gòu)d水庫(kù)特大橋233號(hào)～234號(hào)墩間鋼桁梁線路右側(cè)跨中溫度變形實(shí)測(cè)值

將表1、表2兩個(gè)溫度模式計(jì)算結(jié)果與圖4中的施工單位豎向位移實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析可知：

(1)溫度模式①中，橋面結(jié)構(gòu)的跨中計(jì)算位移僅為±2.2 mm，與實(shí)測(cè)數(shù)值差別較大；

(2)溫度模式②中，當(dāng)白天上弦鋼結(jié)構(gòu)溫度(近似于氣溫)比每天夜間穩(wěn)定溫度高10 ℃時(shí)，計(jì)算跨中上拱7.7 mm，與實(shí)測(cè)上拱值7～8 mm基本一致；當(dāng)白天上弦鋼結(jié)構(gòu)溫度(近似于氣溫)比每天夜間穩(wěn)定溫度高15 ℃時(shí)，計(jì)算跨中上拱值為11.5 mm；

(3)溫度模式②計(jì)算變形值與實(shí)測(cè)數(shù)值基本吻合，因此溫度模式②可作為橋面形式為正交異性鋼橋面+混凝土橋面板的鋼桁梁橋溫度荷載計(jì)算模式。

5 無(wú)砟軌道曲弦鋼桁梁溫度變形對(duì)軌道施工、驗(yàn)收及運(yùn)營(yíng)安全的影響分析

(1)對(duì)于整體升降溫來(lái)說(shuō)，鋼梁產(chǎn)生的豎向變形較小，對(duì)軌道平順性影響很小。

(2)由于大跨度鋼橋?qū)Νh(huán)境溫度變化較為敏感，溫度變化對(duì)軌道幾何尺寸影響較大，因此，此類橋梁應(yīng)選擇在溫度較穩(wěn)定的夜間進(jìn)行軌道鋪軌、精調(diào)及驗(yàn)收工作。

(3)根據(jù)計(jì)算可知，本橋在最不利溫度場(chǎng)作用下每孔110 m簡(jiǎn)支曲弦鋼桁梁跨中計(jì)算最大變形值為±11.5 mm。

為保證行車安全，在設(shè)計(jì)中將溫度變形值±15 mm作為不平順數(shù)值加入不平順譜中進(jìn)行車橋耦合分析計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行情況可知，在該溫度變形條件下，本橋動(dòng)力分析各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

以京張高鐵官?gòu)d水庫(kù)特大橋108 m簡(jiǎn)支曲弦鋼桁梁為依托，開展鋼桁梁橋溫度效應(yīng)及其對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道的適應(yīng)性研究，得出以下結(jié)論。

(1)按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的溫度荷載取值模式，對(duì)無(wú)砟軌道鋼桁梁橋進(jìn)行溫度變形計(jì)算時(shí)，與實(shí)測(cè)數(shù)值偏差較大。

(2)設(shè)計(jì)中提出了橋面系鋼結(jié)構(gòu)與混凝土橋面板采用混凝土構(gòu)件溫度(極限值為最低和最高月平均氣溫)、上弦桿及腹桿采用環(huán)境溫度(極限值為歷年極端最低和最高氣溫)、下弦桿溫度根據(jù)混凝土橋面板和腹桿溫差在腹桿構(gòu)件溫度基礎(chǔ)上折減20%的溫度取值模式，通過(guò)對(duì)不同環(huán)境溫度的試算，其計(jì)算的溫度變形值與實(shí)測(cè)數(shù)值符合良好，建議將該溫度模式作為橋面形式為正交異性鋼橋面板+混凝土橋面板的鋼桁梁橋的溫度荷載計(jì)算模式。

(3)由于大跨度鋼橋?qū)Νh(huán)境溫度變化較為敏感，溫度變化對(duì)軌道幾何尺寸影響較大，因此此類橋梁應(yīng)選擇在溫度較穩(wěn)定的夜間進(jìn)行軌道鋪軌、精調(diào)及驗(yàn)收工作。

(4)設(shè)計(jì)中應(yīng)將最不利溫度場(chǎng)作用下鋼桁梁跨中計(jì)算最大變形值與線路不平順譜進(jìn)行疊加后，進(jìn)行車橋耦合分析計(jì)算，保證高速鐵路的行車安全。

依托中國(guó)中鐵股份有限公司重大專項(xiàng)課題(2016-重大專項(xiàng)-02)的子課題3-大跨度拱形鋼桁梁關(guān)鍵技術(shù)研究成果，京張高鐵官?gòu)d水庫(kù)特大橋設(shè)計(jì)中首次采用了多孔大跨無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支鋼桁梁的結(jié)構(gòu)形式，是目前世界上運(yùn)營(yíng)速度最高、規(guī)模最大的無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支鋼桁梁橋[14]。大橋的修建提升了我國(guó)在高速鐵路無(wú)砟軌道鋼橋技術(shù)領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位，其研究成果將為規(guī)范修編和今后的無(wú)砟軌道鋼桁梁橋設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。