基于鋼軌應變監(jiān)測的多跨鐵路簡支梁橋橋墩差異沉降識別

王少杰, 徐趙東, 李 舒, Shirley Dyke

(1.東南大學 混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.普渡大學 土木工程學院，印第安納 西拉斐特 47907)

高速鐵路、城市軌道交通在我國得到快速發(fā)展，為節(jié)約土地資源、減少對地面交通的影響，保證軌道平順性，“以橋代路”形式被廣泛采用。標準跨徑的鐵路簡支梁橋因工業(yè)化程度高、施工速度快、便于現(xiàn)場架設、對墩臺沉降適應性強等突出優(yōu)點被廣泛應用于高速鐵路[1]，加之既有普速客貨共線鐵路，鐵路簡支梁橋呈量大面廣的分布特點。

由于墩臺差異沉降不引起鐵路簡支梁截面內(nèi)力變化，在對軌道平順性要求較低的很長一段時期內(nèi)，墩臺差異沉降監(jiān)測及其對列車運行性能的影響并沒有引起足夠重視。伴隨高速鐵路的快速發(fā)展，加之乘客對乘坐舒適性要求的提高，圍繞軌道平順性、墩臺差異沉降等方面的研究逐漸增多。

基于車-軌-橋耦合動力學理論與方法[2]，文獻[3-6]分別研究了橋梁墩臺差異沉降時車橋耦合動力學建模關鍵技術、列車移動荷載作用下多跨鐵路橋的動力響應、高速列車運行的安全性、高速鐵路車-軌-地基結構動力耦合三維分析技術等。研究結果表明，橋梁墩臺的差異沉降顯著影響列車的安全與平穩(wěn)運行。沉降一直是鐵路工程服役期間的監(jiān)測重點，很多傳統(tǒng)檢/監(jiān)測方法得到發(fā)展和應用[7]。橋梁墩臺作為下部基礎結構，其沉降直接影響軌道平順性。圍繞軌道服役狀態(tài)的監(jiān)測與應用逐漸增多[8]，特別是無縫鋼軌推廣應用后，通過測試軌道應變了解其服役狀態(tài)尤為必要。文獻[9]通過雙向應變匹配解調(diào)方案有效解決了光纖光柵應變與環(huán)境溫度交叉敏感問題，提高應變監(jiān)測精度；文獻[10]通過開發(fā)無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)對鋼軌應變的實時遠程監(jiān)測，并開展了現(xiàn)場溫度和應變測試。文獻[11]以單元板式無砟軌道系統(tǒng)為研究對象，開展了高速鐵路橋墩沉降與鋼軌變形間映射關系的研究，結果表明鋼軌變形存在區(qū)域性且鋼軌最大變形與橋墩沉降量差別較小。這為本文開展基于鋼軌應變監(jiān)測的橋墩沉降識別提供了依據(jù)。

本文以應用廣泛的多跨鐵路簡支梁橋為研究對象，通過構建鋼軌-梁體-橋墩整體分析模型，利用橋墩沉降時連續(xù)鋼軌內(nèi)力重分布特性，基于橋墩差異沉降與對應位置鋼軌豎向變形的一致性，推導了鋼軌軌底可測應變與橋墩差異沉降間的解析表達式，并將其解析解與有限元分析得到的數(shù)值解予以對比分析，建立了一種通過鋼軌應變識別多跨鐵路簡支梁橋橋墩沉降的新方法。

1 多跨鐵路簡支梁橋橋墩沉降特征

1.1 沉降模式

圖1為多跨鐵路簡支梁橋沉降模式示意圖。其中，橋臺相對緊鄰的橋墩A發(fā)生差異沉降d時，形成單邊轉角模式，梁體與水平方向的夾角為θ；中間某個橋墩與相鄰的橋墩(臺)產(chǎn)生差異沉降時，沉降墩兩側梁體均產(chǎn)生轉動位移，其中每一根梁體的延長線與水平線的夾角為θ，見圖中橋墩A、B、C所示區(qū)域；垂直錯臺模式即梁體不發(fā)生轉動，而產(chǎn)生垂直向下的移動，見圖中梁DE相對梁CD的錯臺量為d。單邊轉角模式多發(fā)生在路基與橋梁連接處，即路橋過渡段。該段受力機理復雜、病害特征突出，因此研究成果較多。垂直錯臺模式在盾構隧道管片結構或水泥混凝土路面結構中較為常見，在多跨鐵路簡支梁橋中產(chǎn)生的可能性較小。故本文僅對多跨鐵路簡支梁橋中分布最為廣泛的對稱轉角模式開展深入研究，建立通過鋼軌應變變化識別橋墩差異沉降的方法。

1.2 對稱轉角模式沉降變形特征

盡管無砟軌道、有砟軌道在構造和受力機理上有較大區(qū)別，鋼軌下部線路結構(道床、橋梁及其基礎、地基等)的任何變形最終還是要反映到鋼軌軌面上。簡支梁橋系靜定結構，在橋墩產(chǎn)生差異沉降時，不存在內(nèi)力重分布效應，截面內(nèi)力不發(fā)生變化。鋼軌作為受力連續(xù)體，通過扣件系統(tǒng)固定在下部的軌枕或直接固定在軌道板上。軌枕或軌道板等鋼軌支撐體在重力或其它荷載作用下作用在橋梁梁體上。梁體在豎向荷載作用下或存在差異沉降時將產(chǎn)生豎向變形，這種變形作用將通過扣件系統(tǒng)、重力作用等傳遞到鋼軌且鋼軌變形與梁體變形差別很小。

鋼軌與梁體變形的一致性是開展基于鋼軌應變識別橋墩差異沉降的基礎。為此，采用后文2.1節(jié)介紹的鋼軌-梁體-橋墩整體有限元模型，首先分析豎向均布荷載作用下鋼軌與梁體豎向變形性能。共計分析6種工況，編號分別是SCM-0、SCM-5、SCM-10、SCM-15、SCM-20和SCM-25。編號中數(shù)字部分代表橋墩M0的差異沉降量。圖2為工況SCM-0、SCM-10對應的鋼軌與梁體豎向變形曲線。圖中工況編號尾部增加的“T”、“B”分別表示鋼軌、梁體的豎向變形。由圖2可明顯看出，工況SCM-0、SCM-10時鋼軌與梁體在外部荷載作用下豎向變形一致，即扣件系統(tǒng)在梁體產(chǎn)生豎向小變形時能可靠工作。

2 鋼軌-梁體-橋墩整體有限元模型與分析

2.1 有限元模型的建立

通過有限元軟件ANSYS建立鐵路橋梁在對稱轉角模式下的鋼軌-梁體-橋墩整體有限元模型。為充分考慮雙側遠端鋼軌對中間沉降橋墩及上部鋼軌受力的影響，建立某4跨鐵路簡支梁橋數(shù)值模型。鋼軌類型為60 kg/m，截面尺寸依據(jù)規(guī)范GB 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》[12]中圖A.4確定。簡支梁體為箱型截面，截面高度為1.7 m，截面尺寸如圖3?；炷翉姸鹊燃墳镃50。橋墩為變截面矩形橋墩，墩高10 m，根部截面尺寸為2.20 m×2.15 m，墩頂截面尺寸為4.00 m×2.15 m，變截面高度距墩頂3.0 m，混凝土強度等級為C30，墩頂設有支座。

鋼軌采用空間梁單元模擬，梁體、橋墩等采用實體單元模擬。鋼軌與梁體間通過彈簧單元Combin14模擬扣件系統(tǒng)、下部軌道板、填充層的豎向約束作用，其剛度系數(shù)取值為30 kN/mm；梁體與橋墩頂部支座通過耦合主從自由度模擬簡支約束；橋墩根部為固端約束，沉降墩對應的豎向約束采用強迫位移約束。

圖4為建立的鋼軌-梁體-橋墩整體有限元模型，其中M0為沉降墩，其右側橋墩依次編號為R1、R2，左側橋墩依次編號為L1、L2，橋墩間距為29.9 m，簡支梁體端部縫隙寬150 mm。

2.2 鋼軌應變與橋墩差異沉降關系的分析

選取圖4所示沉降墩中心位置對應的最具代表性的E24860號鋼軌單元，開展鋼軌應變與橋墩差異沉降關系研究。E24860號單元對應的鋼軌軌底可測應變與橋墩差異沉降量關系曲線見圖5。

從圖5中可看出，初始工況SCM-0對應的軌底應變?yōu)?16.52×10-6，工況SCM-25對應的軌底應變?yōu)?4.47×10-6。軌底應變ε′與差異沉降量d呈線性關系，擬合關系式為ε′=2.482d+116.52。扣除工況SCM-0對應的軌底初始應變，可得到差異沉降量ε與軌底應變改變量之間的擬合關系式為ε=2.482d。工況SCM-0、SCM-25對應的鋼軌應力分別為27.4、35.2 MPa，即差異沉降量為-25 mm時引起的鋼軌應力僅增加了7.8 MPa，且應力水平遠小于鋼軌屈服應力，進一步說明了鋼軌處于彈性階段。

3 沉降致鋼軌應變與簡支梁橋橋墩差異沉降的解析式

3.1 計算模型

圖6為對稱轉角模式下鋼軌-梁體-橋墩整體計算模型，坐標系原點為沉降墩中心，以向上為正。鋼軌與梁體間通過彈簧單元連接，固定鋼軌的扣件間距為a，單個扣件的剛度為kf，橋墩B的差異沉降量為d，簡支梁的計算跨度為l0，右側鋼軌延長線與左側鋼軌的夾角為θ，即傾斜鋼軌或梁體與水平方向的夾角為θ/2，根據(jù)各參數(shù)間的幾何關系知-θ/2=arctan(d/l0)≈d/l0，即θ=-2d/l0。

3.2 解析表達式

橋墩沉降致使受到彈性支承的鋼軌產(chǎn)生變形，對應的力的平衡方程可表示為四階微分方程

( 1 )

式中：EI為鋼軌的抗彎剛度；y為任意截面對應的鋼軌豎向位移；k為單位長度對應的鋼軌支承彈性常數(shù)，k=kf/a，kf為扣件剛度；x為鋼軌水平方向位置坐標。

式( 1 )為四階齊次微分方程。求解該方程，假設

y=emx

( 2 )

是式(1)的解，其中m是待定常數(shù)。把式( 2 )對x進行四次求導，代入式( 1 )可得

( 3 )

emx(m4+4β4)=0

( 4 )

欲使得式( 4 )為0，則

m4+4β4=0

( 5 )

故對式( 1 )的求解，則演變?yōu)閷μ卣鞣匠淌? 5 )特征根的求解問題。其對應的4個特征復根分別為m1=β+iβ、m2=β-iβ、m3=-β+iβ、m4=-β-iβ。

則式( 1 )的通解表達式可寫為

( 6 )

對于橋墩沉降致對稱轉角模式，邊界條件為：x=0時，y′=-θ/2，y″=0；假設x=,y=0。

將上述邊界條件代入式( 6 )，可得：C1=C2=0；C3=θ/(4β)；C4=-θ/(4β)。因此，鋼軌位移曲線為

( 7 )

因1/ρ=M/EI，即M=EI/ρ=EI·d2y/dx2，故

( 8 )

式中：ρ為曲率半徑;M為截面彎矩;W為截面抗彎抵抗拒。

由物理方程ε=σ/E，知

( 9 )

將θ=-2d/l0代入式( 9 )，可得

(10)

式(10)即為對稱轉角模式下沉降致鋼軌應變與簡支梁橋橋墩差異沉降的解析表達式。針對沉降墩所在的鋼軌截面，即x=0對應的截面，式(10)可以簡化為

(11)

4 識別結果與分析

4.1 解析表達式的求解

為與基于鋼軌-梁體-橋墩整體有限元模型所得結果比較，求解式(11)所涉及的參數(shù)與有限元模型參數(shù)取值相同。已知：簡支梁計算跨度l0=28.6 m，單個扣件對應的剛度kf=3.0×107N/m，扣件間距a=0.65 m，鋼軌彈性模量E=2.06×1011N/m2，鋼軌對水平軸線慣性力矩I=0.321 7×10-4m4，鋼軌重心距離軌底距離為 0.081 2 m。則

k=kf/a=4.615×107N/m2

針對鋼軌軌底邊緣，對應的截面抵抗矩為W=3.961 8×10-4m3。故據(jù)式(11)可求得沉降致軌底應變與橋墩差異沉降量之間的關系式為ε=3.261d。

4.2 解析解與數(shù)值解的比較分析

據(jù)2.2節(jié)有限元分析擬合得到的沉降致軌底應變與橋墩差異沉降量之間的關系式為ε=2.482d，該式與理論分析所得解析解表達式ε=3.261d相比，二者變化趨勢相同，數(shù)值解與解析解之比為0.76∶1，見圖7。解析解較數(shù)值解稍偏大主要是由理論分析模型簡化造成的，如理論分析沒有考慮外圍鋼軌的影響、假設梁體不發(fā)生彎曲變形等，而這些因素在有限元分析建模過程中均給予了考慮。

以橋墩差異沉降5 mm時為例，解析解與數(shù)值解對應的應變分別是12.4×10-6、16.3×10-6。這一絕對應變變化量采用各種應變監(jiān)測方法均能成功捕捉制到。伴隨差異沉降量的增加，沉降致應變呈正比例線性關系增長。故根據(jù)鋼軌軌底可測應變識別橋墩差異沉降量的關系式為ε=kd，系數(shù)k的取值可根據(jù)數(shù)值分析、已有橋墩差異沉降觀測數(shù)據(jù)綜合確定，以提高識別精度。

5 結論

以多跨鐵路簡支梁橋為研究對象，建立了鋼軌-梁體-橋墩整體有限元模型，并通過理論推導，建立了通過鋼軌軌底可測應變識別簡支梁橋橋墩差異沉降的新方法。結論如下：

(1) 針對多跨鐵路簡支梁橋中分布最為廣泛的對稱轉角模式，結合鋼軌-梁體-橋墩整體有限元模型，分析表明鋼軌與梁體豎向變形具有一致性，為建立基于鋼軌應變監(jiān)測的簡支梁橋差異沉降奠定了理論基礎。

(2) 采用空間梁單元、實體單元、彈簧單元，結合主從自由度耦合技術，建立了某4跨鐵路簡支梁橋整體有限元模型?；谠撃Ｐ烷_展的軌底可測應變與橋墩差異沉降關系研究表明，二者間存在顯著正比例線性關系且沉降致應變絕對變化量可測。

(3) 通過理論分析，得到了沉降致鋼軌應變與簡支梁橋橋墩差異沉降量之間的解析表達式。解析式物理意義明確，表達形式簡單。比較分析表明，針對相同差異沉降量引起的軌底應變變化量，解析解與數(shù)值解變化趨勢相同。因解析解未考慮外圍鋼軌約束作用、下部梁體彎曲變形等，解析解所得結果略大于數(shù)值解。

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