橋梁溫度分布對無縫線路變形特性的影響分析

何建平,馮青松,吳 琛,許晨霄

(1.中國鐵路南昌局集團(tuán)有限公司南昌高鐵維修段,南昌 330100； 2.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，無砟軌道以高穩(wěn)定性、高平順性和少維修的特點(diǎn)成為其主要軌道結(jié)構(gòu)形式。因我國地形條件的限制高速列車運(yùn)行高平順性要求，高速鐵路多采用以橋代路的方式，橋梁暴露在自然環(huán)境中，由于太陽照射角度和混凝土材料熱傳導(dǎo)性能差等原因，橋梁內(nèi)部將產(chǎn)生一定的不均勻溫差，影響軌道結(jié)構(gòu)的耐久性和平順性[1-2]。

諸多學(xué)者針對橋上無縫線路展開了大量研究[3-7]。此外，陳嶸[8]等系統(tǒng)研究了溫度荷載作用下CRTSⅡ型板式無砟軌道的梁軌相互作用規(guī)律及其影響因素；劉鈺[9]、吳斌[10]等針對CRTSⅡ型板式無砟軌道，分析了軌道各結(jié)構(gòu)層溫度場的分布及變化規(guī)律；戴公連等[11]提出適用于我國東南地區(qū)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)的夏季橫、豎向溫度梯度擬合模式，并基于長期的測量數(shù)據(jù)，分析了大跨度連續(xù)梁橋上縱向連續(xù)板式軌道的縱向受力特征[12]；趙虎[13]分析了軌道結(jié)構(gòu)整體溫升與溫度梯度荷載下的溫度變形特征和損傷機(jī)理；朱勝陽[14]等分析了CRTSⅡ型板式軌道溫度變化引起的界面損傷情況；張鵬飛[15]等分析了豎向、橫向溫度梯度荷載作用下多跨簡支梁橋上無縫線路的受力與變形特性；劉克旭[16]分析了橋梁溫度梯度、溫度荷載組合和極端溫度下軌道結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律；馮青松[17]等以簡支梁橋上CRTSⅢ型板式無砟軌道無縫線路為研究對象，分析了橋梁在均勻溫度荷載與不均勻溫度荷載作用下無縫線路的受力與變形情況，并考慮對幾何形位的影響；朱禹[18-19]等分析了橋梁均勻溫度荷載和溫度梯度荷載對高低和水平不平順的影響。通過上述分析可知，既有研究中關(guān)于橋上無縫線路軌道幾何形位的研究相對較少，且大部分僅考慮均勻溫差和不均勻溫差，或僅研究溫梯荷載對某單一不平順的影響，缺乏系統(tǒng)性研究，并且無針對大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的研究。因此，系統(tǒng)分析橋梁溫度分布對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道無縫線路力學(xué)特性和軌道幾何形位的影響具有重要工程意義。

針對既有研究的不足，以大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道無縫線路為研究對象，基于梁軌相互作用原理和有限元法，建立了大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道無縫線路空間耦合模型，分析了橋梁均勻溫度荷載和溫度梯度荷載對橋上無縫線路力學(xué)特性和軌道幾何形位的影響。

1 模型建立

1.1 模型概述

高速鐵路大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、軌道板、底座板和橋梁等結(jié)構(gòu)組成。以雙線連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為研究對象，根據(jù)梁-板-軌相互作用原理和有限元法，利用ANSYS有限元軟件建立了5×32 m簡支梁+(70.75+125+70.75) m連續(xù)梁+5×32 m簡支梁模型。同時(shí)，為了消除邊界效應(yīng)，在簡支梁兩側(cè)的左右橋臺分別建路基部分，橋跨結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋跨布置示意

1.2 計(jì)算參數(shù)

(1)鋼軌及扣件

鋼軌為CHN60工字型標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，在計(jì)算模型中，采用BEAM188鐵木辛柯梁單元模擬，截面面積為77.45 cm2。

扣件采用WJ-8B型扣件，間距為0.654 m，除連續(xù)梁兩端一組扣件為常阻力扣件外，連續(xù)梁橋全橋鋪設(shè)小阻力扣件?？奂臋M向和垂向剛度采用 COMBIN14線性彈簧單元模擬，其大小分別為50，35 kN·mm-1；扣件縱向阻力采用COMBIN39非線性彈簧單元模擬，常阻力扣件和小阻力扣件縱向阻力分別按式(1)、式(2)計(jì)算取值；扣件上拔力限值按式(3)取值。

WJ-8B型常阻力扣件縱向阻力

(1)

WJ-8B型小阻力扣件縱向阻力

(2)

式中，r為扣件縱向阻力，kN/(m·軌)；x為鋼軌相對扣件的縱向位移。

WJ-8B型常阻力扣件、小阻力扣件的彈條扣壓力Fc分別為9 kN和6 kN，因扣件附加上拔力應(yīng)小于彈條扣壓力的設(shè)計(jì)值，故

(3)

(2)其余軌道結(jié)構(gòu)

采用SOLID45實(shí)體單元模擬軌道板、底座板和箱梁梁體；連續(xù)梁采用長度分別為5 736 mm的梁端軌道板和6 440 mm的跨中軌道板，簡支梁單元長度均為6 440 mm，簡支梁與連續(xù)梁梁端的軌道板之間設(shè)置寬150 mm的伸縮縫，其余軌道板間均設(shè)置寬100 mm的伸縮縫，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，橋墩(臺)頂縱向線剛度按表2取值。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 橋墩(臺)頂縱向線剛度

2 橋梁均勻溫度荷載的影響

本節(jié)主要分析橋梁均勻溫度荷載對無縫線路力學(xué)特性和軌道幾何形位的影響，橋梁整體溫度分別取為20，30 ℃和40 ℃。

2.1 無縫線路力學(xué)特性

軌道結(jié)構(gòu)因溫度變化引起梁端變形使梁縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)扣件產(chǎn)生上拔力，當(dāng)扣件上拔力超限時(shí)將影響扣件系統(tǒng)的正常使用[20-21]。因本文中連續(xù)梁左側(cè)梁端位置處鋼軌受力與變形較大，故選取左側(cè)梁端左右各6個(gè)扣件進(jìn)行上拔力分析。

在橋梁整體溫升20，30 ℃和40 ℃的情況下，無縫線路受力與變形的計(jì)算結(jié)果如圖2所示，各結(jié)構(gòu)受力與變形的極值見表3。表中，F(xiàn)r為鋼軌伸縮力；Ff為扣件上拔力；Δts為軌道板上下表面應(yīng)力差，Δbp為底座板上下表面應(yīng)力差；Drl、Drt和Drv分別為鋼軌縱向、橫向和垂向位移，Dtsu為軌道板上表面縱向位移，Δrts為軌板縱向相對位移。

分析圖2和表3可知，鋼軌縱向力、扣件上拔力、軌道板應(yīng)力、底座板應(yīng)力、鋼軌位移、軌道板位移和橋梁位移均隨橋梁均勻溫度荷載的增加而顯著增加。在極端溫度荷載條件下連續(xù)梁橋梁端第1組扣件受力可能超過小阻力扣件初始扣壓力12 kN，故建議梁端第1組扣件設(shè)置常阻力扣件；鋼軌縱向位移在左側(cè)簡支梁部分開始逐漸增大，在連續(xù)梁部分呈線性增加，并在連續(xù)梁活動(dòng)支座一側(cè)的邊跨出現(xiàn)位移極值；鋼軌橫向位移在連續(xù)梁部分上拱，且上拱幅度隨溫升幅度的增加而增大；鋼軌垂向位移在連續(xù)梁中間橋跨上拱，邊跨和簡支梁部分整體下凹，其原因?yàn)檫B續(xù)梁中跨跨度最大，在溫度力作用下整體上拱，兩側(cè)支座受到約束作用且同時(shí)提供一個(gè)支座反力，邊跨下凹，最后達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖2 不同梁體溫差下各結(jié)構(gòu)受力與變形

表3 不同梁體溫差下各結(jié)構(gòu)受力與變形極值

當(dāng)橋梁的溫度荷載從20 ℃增加到40 ℃時(shí)，鋼軌最大縱向力由壓力變?yōu)槔?，同比增?3.90%；扣件上拔力、軌道板和底座板上下表面應(yīng)力差的最大值分別增大96.16%，97.23%，102.06%；鋼軌的縱向位移、鋼軌橫向位移、鋼軌垂向位移和軌板縱向相對位移極值分別增大46.49%，100%，92.11%和140.54%。

綜上所述，隨著梁體溫升幅度的增加，大跨度連續(xù)梁橋上無縫線路縱向力和位移的增大趨勢明顯，因此需要在梁端等薄弱環(huán)節(jié)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測。

2.2 軌道幾何形位

軌道的幾何形位主要包括水平、軌距、高低和軌向。根據(jù)TB 10082—2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》3.3.6節(jié)中的有關(guān)規(guī)定，本文所采用的軌道靜態(tài)不平順限值如表4所示，其中高低和軌向采用10 m弦測法按式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(4)

式中，z為線路里程；L為弦線長度；f(z)為不平順幅值；g(z)為弦測法計(jì)算值。

表4 軌道靜態(tài)不平順限值 mm

由于橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)沿橋梁中心線呈對稱分布，因此本文只提取右側(cè)軌道結(jié)構(gòu)的幾何形位進(jìn)行分析。橋梁整體溫升20，30 ℃和40 ℃的情況下，軌道幾何不平順的計(jì)算結(jié)果如圖3所示，不平順極值如表5所示。

圖3 不同梁體溫差下軌道靜態(tài)不平順

表5 不同梁體溫差下軌道靜態(tài)不平順極值 mm

分析圖3和表5可知，隨著橋梁均勻溫度荷載的增加，軌道靜態(tài)幾何形位發(fā)生變化，并呈線性增大，其中高低偏差和水平偏差的變化較大，而軌距偏差和軌向偏差的變化較??；連續(xù)梁部分的水平偏差和軌距偏差相比簡支梁部分較大，高低偏差在橋梁梁端會發(fā)生突變，而在跨中相對較小，軌向偏差僅在連續(xù)梁梁端出現(xiàn)最大值。

當(dāng)橋梁的溫度荷載從20 ℃增加到40 ℃時(shí)，鋼軌水平偏差、軌距偏差、高低偏差和軌距偏差的最大值分別增大100%，100%，92.56%和100%；溫度荷載對軌道幾何形位的影響較大，特別是當(dāng)橋梁整體溫升20 ℃時(shí)高低偏差已經(jīng)超限，因此，在線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別重視溫度荷載對高低不平順的影響。

3 橋梁溫度梯度荷載的影響

本節(jié)主要分析橋梁豎向溫度梯度荷載和雙向溫度梯度荷載對無縫線路力學(xué)特性和軌道幾何形位的影響。根據(jù)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，混凝土箱梁的溫度梯度荷載沿梁寬和梁高方向取值，分別按式(5)、式(6)和表6進(jìn)行計(jì)算。

Tx=T01·e-ax

(5)

Ty=T02·e-ay

(6)

式中：x、y為計(jì)算點(diǎn)至梁體表面的距離，m；Tx和Ty分別為計(jì)算點(diǎn)沿梁寬和梁高方向的溫度梯度荷載；T01和T02分別為沿梁寬和梁高方向的日照溫差。

表6 溫度梯度荷載的a與T0取值

3.1 無縫線路力學(xué)特性

橋梁溫度梯度荷載作用下無縫線路受力與變形計(jì)算結(jié)果如圖4所示，各結(jié)構(gòu)受力與變形的極值如表7所示，其中雙向溫度梯度荷載按豎向與橫向溫度曲線疊加取值。

圖4 橋梁溫度梯度荷載作用下各結(jié)構(gòu)受力與變形

表7 橋梁溫度梯度荷載作用下各結(jié)構(gòu)受力與變形極值

分析圖4、圖2和表7可知，兩種橋梁溫度梯度荷載作用下鋼軌縱向力、鋼軌縱向位移、鋼軌垂向位移、軌道板縱向位移和軌板相對位移的波形相似，幅值相差不大，而雙向溫度梯度荷載作用下的鋼軌橫向位移比豎向溫度梯度下增大1倍；與橋梁整體溫升20 ℃相比，雙向溫度梯度荷載作用下鋼軌縱向力、扣件上拔力、軌道板和底座板上下表面應(yīng)力差、鋼軌縱向位移和軌板縱向相對位移極值分別減小了30.67%，53.09%，16.05%，9.41%，57.30%和61.06%，而鋼軌橫向位移和鋼軌垂向位移的最大值分別增大了173.17%，27.15%。

分析圖4(b)和表7可知，與橋梁豎向溫度荷載相比，橋梁雙向溫度荷載作用下扣件上拔力增大了17.61%，從而說明橫向溫度分布不均對扣件上拔力有一定程度的增大作用。

分析圖4(d)、圖2(d)和表7可知，橋梁豎向溫度梯度荷載作用下鋼軌橫向位移的波形同橋梁整體溫差作用相似，但連續(xù)梁部分的變化規(guī)律相反；由于橋梁沿橫向溫度分布不均，雙向溫度梯度荷載作用下鋼軌橫向位移在橋梁每跨范圍內(nèi)均有較大波動(dòng)，其位移極值大幅度增加，并在連續(xù)梁中間橋跨上拱，在連續(xù)梁邊跨和簡支梁部分整體下凹。

分析圖4(e)、圖2(e)和表7可知，橋梁溫度梯度荷載作用下鋼軌垂向位移在連續(xù)梁中部下凹，在連續(xù)梁邊跨和簡支梁部分產(chǎn)生上拱變形，與橋梁均勻溫度荷載作用下的變形規(guī)律相反。

綜上所述，橋梁溫度梯度荷載作用下無縫線路的力學(xué)特性與橋梁均勻溫度荷載作用下的計(jì)算結(jié)果相差較大，與橋梁均勻溫度荷載相比，當(dāng)橋梁考慮溫度梯度荷載作用時(shí)，鋼軌橫向位移和垂向位移會有一定的增大，而無縫線路其他力學(xué)特性會有不同程度的減小。

3.2 軌道幾何形位

橋梁溫度梯度荷載作用下鋼軌水平偏差、軌距偏差、高低偏差和軌向偏差的計(jì)算結(jié)果如圖5所示，軌道靜態(tài)不平順極值如表8所示。

圖5 橋梁溫度梯度荷載作用下軌道靜態(tài)不平順

表8 橋梁溫度梯度荷載作用下軌道靜態(tài)不平順極值

分析圖3、圖5和表8可知，與橋梁豎向溫度梯度荷載相比，雙向溫度梯度荷載作用下鋼軌水平偏差和高低偏差分別減小了40.38%，14.60%，軌距偏差變化不大，軌向偏差大幅度增加，表明當(dāng)橋梁考慮橫向溫度梯度荷載時(shí)對水平偏差和高低偏差具有一定程度的減小作用，而對軌向偏差有很大程度的增大作用。

與橋梁整體溫升20 ℃相比，雙向溫度梯度荷載作用下鋼軌水平偏差增大47.62%，其波形有較大變化，但幾何不平順幅值小于限值±2 mm；橋梁均勻溫度荷載和溫度梯度荷載作用均對軌距的影響很小，遠(yuǎn)小于其對應(yīng)限值±1 mm；與均勻溫度荷載作用不同，當(dāng)橋梁考慮溫度梯度荷載時(shí)，由于溫度的不均勻分布，橋梁結(jié)構(gòu)在連續(xù)梁邊跨和簡支梁部分產(chǎn)生上拱變形，使高低偏差在梁端出現(xiàn)最大負(fù)值，并引起突變；雙向溫度梯度荷載作用下高低偏差最大值為-1.93 mm，稍小于限值±2 mm；溫度梯度荷載作用下鋼軌軌向偏差的波形與均勻溫度荷載作用相似，軌向偏差的最大值增幅明顯，并在梁端位置處發(fā)生突變。

綜上所述，兩種溫度梯度荷載相比，當(dāng)考慮橫向溫度梯度時(shí)，對鋼軌水平偏差、高低偏差和軌向偏差的影響較大，而對軌距偏差的影響不明顯；與橋梁整體溫升相比，雙向溫度梯度荷載作用下水平偏差和軌向偏差的計(jì)算結(jié)構(gòu)明顯增大，而軌距偏差和高低偏差有所減小。

4 結(jié)論

以大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道無縫線路為研究對象，基于梁軌相互作用理論建立有限元計(jì)算模型，分別分析了橋梁均勻溫度荷載和溫度梯度荷載對橋上無縫線路力學(xué)特性和軌道幾何形位的影響，主要得出以下結(jié)論。

(1)橋梁溫度梯度荷載與均勻溫度荷載作用下無縫線路力學(xué)特性的計(jì)算結(jié)果相差較大，與橋梁整體溫升20℃相比，鋼軌橫向位移和垂向位移極值分別增大173.17%、27.15%。

(2)極端溫度荷載條件下連續(xù)梁橋梁端第1組扣件受力可能超過小阻力扣件初始扣壓力12 kN，故建議梁端第1組扣件設(shè)置常阻力扣件。

(3)兩種不同溫度荷載作用下，鋼軌水平偏差和高低偏差的變化較大，而軌距偏差變化不明顯；高低偏差在橋梁跨中位置相對較小，而在梁端位置會發(fā)生突變；兩種橋梁溫度梯度荷載作用下，當(dāng)橋梁考慮橫向溫度梯度時(shí)，水平偏差和高低偏差有一定程度的減小，而軌向偏差大幅度增加。

(4)當(dāng)橋梁整體溫升20 ℃時(shí)高低偏差已經(jīng)超限，而雙向溫度梯度作用下高低偏差最大值為-1.93 mm，僅稍小于限值±2 mm。因此，在設(shè)計(jì)高速鐵路橋上無縫線路時(shí)，應(yīng)特別注意溫度荷載對高低不平順的影響。