季节性气温变化对高速铁路桥梁沉降影响分析

周金国，崔书珍，李 建

（1.国家测绘地理信息局 重庆测绘院，重庆400015；2.重庆工程职业技术学院，重庆400007）

季节性气温变化对高速铁路桥梁沉降影响分析

周金国1，崔书珍2，李 建2

（1.国家测绘地理信息局 重庆测绘院，重庆400015；2.重庆工程职业技术学院，重庆400007）

介绍了高速铁路工后沉降影响因素及工后沉降限值，通过实例分析了季节性气温变化对高速铁路工后沉降的影响。实验表明，季节性气温变化会导致高速铁路桥梁季节性的挠度变形，在高速铁路运营期沉降监测分析过程中应予以修正。

高速铁路； 温度变形 ；工后沉降挠度

高速铁路要保证高速安全运行，轨道平顺性要求极高，这就要求有一个稳定的线下基础。高速铁路线下基础结构主要由路基、桥梁、隧道3部分组成，其稳定性决定了高速铁路的安全性。2010年，铁道部运输局下发了“关于发布《高速铁路运营沉降监测管理办法》的通知”，要求对高速铁路运营期沉降监测进行规范管理，各高速铁路运营线路维护部门也相继开展了线下沉降监测和精密网复测等相关工作[1,2]。气温变化引起构筑物的热胀冷缩，特别对大跨度的连续梁会引起较大的垂直挠度变形，在分析高速铁路线下构筑物沉降量组成时，应予以考虑，以判定沉降量属于构筑物自身变形还是构筑物沉降。本文首先介绍了高速铁路工后沉降影响因素以及工后沉降限值，然后通过工程实例分析了季节性气温变化对连续梁工后沉降的影响，为高速铁路线路平顺性维护提供参考。

1 高速铁路工后沉降影响因素

高速铁路工后沉降主要包括线下构筑物自身变形和基础沉陷2部分。

高速铁路多采用无碴轨道，线下构筑物主要是混凝土结构，混凝土构筑物自身变形主要分为非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形[3]。非荷载作用下的混凝土变形主要包括化学收缩、干湿变形和温度变形。

①化学收缩：水泥水化生成物的体积比反应前物质的体积小，使混凝土收缩。该种变形会随着混凝土硬化龄期的延长而增加，大致与时间的对数成正比，一般在混凝土成型40 d内增长较快，以后就渐趋稳定，不可恢复。

②干湿变形：混凝土受周围环境湿度的变化影响，引起混凝土的干湿变形，表现为干缩湿胀。干湿变形可部分恢复。

③温度变形：混凝土随温度的变化而产生热胀冷缩变形。混凝土的温度线膨胀系数为（0．6～1．3）×10-5mm/℃/mm,对于高速铁路大跨度连续梁和高墩桥梁，在外界气温变化较大的情况下，可能会产生较大的伸缩变形。

荷载作用下的混凝土变形主要包括弹塑性变形和徐变。

①弹塑性变形：混凝土作为一个弹塑性体在短期荷载作用下，既产生弹性变形，又产生塑性变形。

②徐变：混凝土在长期荷载作用下，随时间而增长的变形。混凝土徐变主要跟水灰比、水泥用量、骨料性质和所受荷载有关。

线下构筑物基础沉陷是指构筑物在重力作用下，构筑物基础下沉引起的沉降。

在高速铁路施工过程中，对线下构筑物的工后沉降已进行监测、评估，变形已趋于稳定，不应对铁路线路平顺性产生影响。但由于地质条件的复杂性和铁路线路周围环境的剧烈变化，亦会导致高速铁路运营过程中发生沉降现象。

高速铁路桥梁的工后沉降主要由桥梁自身变形（其中包括温度变形）和墩台基础沉陷两部分组成，最终反映为桥梁的垂直挠度变形。

2 高速铁路工后沉降限值

根据铁建设函[2005]754号《客运专线无碴轨道铁路设计指南》，高速铁路土质路基均应进行工后沉降分析。路基在无碴轨道铺设完成后的工后沉降，应满足扣减调整和线路竖曲线圆顺的要求。工后沉降一般不能超过扣件允许的沉降调高值15 mm；沉降比较均匀、长度大于20 m的路基，允许的最大工后沉降值为30 mm，并且调整轨面高程后的竖曲线半径应满足下列要求：

式中 ，Rsh为轨面圆顺的竖曲线半径（m）；vsj为设计最高速度（km/h）。

路桥或路隧交界处的差异沉降不应大于5 mm，过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不应大于1/1 000。

根据德国《无碴轨道的总体技术规范技术通告》（2002．8．1 DB Netz NST）和DIN技术报告101，铺设无碴轨道的高速铁路桥梁，桥梁变形容许限值取决于桥梁跨度和列车速度：

式中，δ容许为桥梁变形的限值；L＜3 m时，λ（L）=0．8，L>10 m时，λ（L）=0.4；δ804为桥梁挠度。

连续、简支结构的最大垂直挠曲的限制值δ/L如表1所示。

表1 桥梁最大垂直挠曲限制值

另外，根据德国《无碴轨道的总体技术规范技术通告》6．4．7条，轨道安装后徐变和收缩引起的桥梁垂直变形限值为1/5 000[4]。

为保证高速铁路的高平顺性，高速铁路在设计、施工阶段就采取了一定措施控制工后沉降[5]。例如，对软土地基通过设置桩+筏板，对路基基础进行加固；对路堤两侧设置壁式挡土墙，加强路基侧向约束；通过大量采用“以桥代路”，降低工后沉降量和缩短工后沉降周期；设置“过渡段”解决路桥、路隧相接处的差异沉降。

3 气温变化对桥梁工后沉降影响分析

长三角是全国城际客运系统最发达地区，其高速铁路网络主要由沪宁、沪杭、宁杭和杭甬等客运专线组成。长三角地区也是全国地面沉降较严重的地区，人口稠密，四季变化较明显，列车安全运行至关重要。长三角高铁网沪宁城际铁路全长超过300 km，采用无碴轨道，设计时速350 km。本文选用沪宁城际铁路昆山某段大跨度连续梁作为研究对象，研究季节性气温变化对高速铁路桥梁挠度变形的影响。

该连续梁全长270 m，由3孔组成，最大跨度120 m，桥梁上的CPIII控制点作为监测点，CPIII点分布情况如图1所示。

图1 桥梁及CPIII点分布示意图

监测从2012年9月份开始至2013年8月结束，为期1 a，共观测11次，观测均在列车运行天窗时间（0:00～4:00）进行，采用几何水准测量方法。收集到的每期观测当天天气情况如表2所示。

表2 周期观测天气概况表

以2012-09-18观测数据为首期基础数据，以后每期数据与其进行比较，观察桥梁上的CPIII控制点随时间的变化情况。图2展示了下行CPIII控制点累计变化纵断面曲线图。取桥梁中间CPIII点46307号点，绘出其累计沉降量与时间的年度变化曲线，如图3所示。同时，绘制观测当日平均气温-时间变化曲线，如图4所示。

从图2、图3和图4中可以看出，该桥梁随季节性气温降低而发生垂直下沉挠度变形，随季节性气温回升而又回弹恢复，且桥梁累计变化趋势与气温变化趋势相符。同时，通过分析可以看出，该桥梁垂直挠度变形是由桥梁自身变形（主要是温度变形）引起的，无基础沉陷，且垂直变形量最大值4．7 mm＜δ容许=0．4×1 200 00/5 000=9．6 mm，在桥梁垂直挠度变形允许值之内。

图2 下行CPIII控制点累计变化纵断面曲线图

图3 CPIII点46 307号点年度累计变化曲线

图4 观测期间气温变化曲线

4 结 语

高速铁路运营期工后沉降监测对列车安全运行至关重要，线下构筑物自身变形作为工后沉降的重要组成部分需引起重视。通过工程实例可以看出，季节性气温变化对高速铁路桥梁产生较大的挠度变形。在未来的高速铁路沉降监测中，应加强年季节气温变化沉降影响的监测，总结季节性气温变化的沉降影响量与桥梁跨度、气温的数学关系，对工后沉降总量进行修正，分析沉降段沉降总量构成和形成原因，为线下工程维护与整治提供依据。

[1] 卿三惠．高速铁路施工技术（路基工程手册）[Z]．北京：中国铁道出版社，2013

[2] 罗庄．高速铁路运营期沉降监测技术及管理探讨[J]．上海铁道科技，2013 (2):82-84

[3] 顾祥林．混凝土结构基本原理[M]．上海:同济大学出版社，2011

[4] 徐幸福．基于沪杭高铁运营维护监测的技术设计研究[J]．铁道勘察，2012 (6):10-14

[5] 邢波．京津城际高速铁路路基沉降变形综合控制技术[J]．路基工程，2010 (2):186-188

[6] 乔旭．高铁路基工程变形观测方案设计与实施[J]．测绘与空间地理信息，2012,35(12)：209-212

[7] 王勇．津秦客专连续梁-框架墩桥温度场及温度变形试验研究[D]．长沙:中南大学，2012

[8] 张晓，赵岩，马林建．玄武湖隧道正常使用阶段结构温度变形监测[J]．山西建筑，2009，35(30):317-318

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1672-4623（2014）05-0129-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.047

周金国，硕士，主要从事精密工程测量与GPS技术研究。

2014-06-27。

项目来源：重庆工程职业技术学院院级课题资助项目（KJC201336）。