高墩大跨桥梁桥墩升温对桥上无缝线路的影响研究

张梦楠，胡志鹏，巫裕斌，王 平

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031；2.西南交通大学土木工程学院， 成都 610031)

高墩大跨桥梁桥墩升温对桥上无缝线路的影响研究

张梦楠1，胡志鹏1，巫裕斌2，王 平1

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031；2.西南交通大学土木工程学院， 成都 610031)

高墩大跨桥梁桥墩整体在太阳辐射下升温，会使桥墩顶部产生竖向位移。对桥墩升温产生竖向位移对无缝线路的影响这一问题，使用有限元软件建立线-桥-墩一体化模型，分析高墩升温条件下桥上无缝线路的受力及变形。计算结果表明：桥墩的升温对桥墩受力影响较小，桥墩温度变化引起的线路竖向不平顺主要是长波不平顺。建议高墩大跨桥梁不考虑桥墩整体温度变化对线路受力的影响，但要对桥墩变形引起的竖向不平顺进行检算，以满足规范对桥上无缝线路验收的需要。

高墩大跨桥梁；桥墩升温；无缝线路；平顺性

近年来，随着铁路建设的快速发展和桥上铺设无缝线路技术的进步[1]，桥梁在线路中所占比例逐渐增大，为了满足线路跨越横穿交通干线、陡峭峡谷、宽广河流等特殊地段的要求，大量的高墩大跨桥梁相继出现[2]。由于这些桥梁本身具有特殊的结构特点及相邻桥梁结构间构造的差异，在桥墩受到温度荷载时，桥上无缝线路的受力及变形都受到影响[3]。在高墩大跨桥梁中，桥墩整体升温会带来墩顶竖向位移的增加，从而引起桥上无缝线路的纵向附加力和钢轨的竖向位移。钢轨的竖向位移又会降低道床的纵横向阻力，进而降低轨道结构稳定性。因此，需要对高墩大跨桥梁升温对桥上无缝线路的影响进行分析研究。

1 模型建立

对于高墩大跨桥梁桥墩升温对无缝线路的影响这一问题，本文选取某一高墩大跨桥梁进行分析。该桥梁位于新建铁路长沙至昆明客运专线玉屏至昆明段内，全桥位于平坡直线地段，桥跨布置形式为(89+168+89) m连续刚构桥梁+(33+56+33) m连续梁，其总布置如图1所示。

为了研究桥墩升温对桥上无缝线路的影响，利用有限元软件ANSYS建立了线-桥-墩一体化模型[4-5]。桥墩及梁体为实现主要控制截面间的渐变[6]，模型中梁体、桥墩及钢轨通过beam188单元来模拟。道床纵向阻力采用非线性弹簧单元combin39模拟[7]。为了消除模型计算中的边界效应，即保证桥上无缝线路处于固定区，在桥梁左右桥台外侧建立(100+边跨长度) m的路基模型。

图1 某高墩大跨桥梁立面布置

2 桥墩升温对无缝线路受力的影响

高墩大跨桥梁中，桥墩整体升温会使墩顶竖向位移增加，从而引起桥上无缝线路的纵向附加力以及钢轨的竖向位移[8-9]，钢轨的竖向位移又会降低道床的纵横向阻力，进而降低轨道结构稳定性。由于桥台自身高度较低，其自身由于温度的变化而产生的竖向位移很小，因此计算中不考虑桥台的温度变化，仅考虑桥墩的温度变化。依据规范[10]，以1号～5号桥墩温度改变15 ℃为例进行计算，其计算结果如图2及表1所示。

图2 桥墩升温计算结果

墩编号12345纵向位移/mm-0.97-0.370-0.050墩底纵向力/kN-630.05427.6404.760竖向位移/mm11.3915.448.456.752.85墩底竖向力/kN392.24373.64-366.1338.0916.32

从图2可以看出，左侧桥台处钢轨受到压力，主要是因为1号桥墩的纵向刚度2 054 kN/cm是2号桥墩的纵向刚度1 038 kN/cm的2倍左右，而且1号桥墩的高度又比2号桥墩的高度低了27m，因此2号桥墩在桥墩升温时伸长量会更大，所以连续刚构桥梁整体会带动桥上钢轨向左侧桥台移动。右侧桥台处的钢轨受拉，但拉力值极小。这主要是连续梁桥的5号桥墩在纵向上为活动支座，使得右侧桥台处的桥梁梁体的纵向位移比较小，该处钢轨的拉力也较小。从钢轨竖向位移图中可以看出，钢轨的竖向位移最大值可以达到16.2 mm。

从表1中可以看出，桥墩升温对桥墩受力的影响较小，最大值为1号桥墩对应的纵向力为630 kN。

3 桥墩升温对无缝线路平顺性的影响

从图2可以看出，钢轨的竖向位移最大值达到16.2 mm，说明桥墩升温对钢轨的高低不平顺影响较大，因此有必要研究由钢轨的竖向位移产生的竖向不平顺值[11]。依据规范规定，高低不平顺采用10 m的弦测法进行，且不平顺矢度不能超过2 mm，并且30 m弦隔5 m校核值不超过2 mm，300 m弦隔150 m校核值不超过10 mm[12]。

图3～图5为该段线路的高低不平顺与里程之间的关系。

图3 10 m弦轨向不平顺值

图4 30 m弦隔5 m校核值

图5 300 m弦隔150 m校核值

计算结果表明，该段线路由于桥墩升温产生的高低不平顺均小于规范所规定限值。从图3可以看出，高低不平顺矢度的幅值出现在左右桥台及刚构桥与连续梁桥接缝处3个位置。左右桥台处产生峰值的原因主要是由于边界条件的作用，路基在温度荷载作用下是不可能发生横向位移的，因此在钢轨位移图上表现出折角，使得该处的不平顺矢度偏大。2座桥梁接缝处峰值产生的原因主要是刚构桥梁的2号桥墩比3号桥墩高出47 m，2号桥墩也比1号桥墩高27 m，所以在左侧桥台处的峰值是3个峰值中最大的一个。

同时考虑桥墩及梁体升温15 ℃和单独梁体升温15 ℃时，其钢轨受力如图6及表2所示。

图6 梁体与桥墩同时升温与梁体单独升温时的钢轨纵向力

从图6及表2的计算结果中可以看出，钢轨的最大附加压力位于左侧桥台位置处，桥墩是否升温对钢轨纵向力影响不大。桥墩的升温降低了2座桥梁缝处的钢轨压力值，钢轨压力从584.95 kN降低到556.60 kN，降低了4.85%，可以认为桥墩的升温对钢轨受力的影响是有利的。因此，在高墩大跨桥上无缝线路钢轨受力计算中可以不考虑这种有利的影响。对于桥梁专业，由于桥墩的升温大大增加了桥墩的受力，在为桥梁专业提供相应的墩台力时，建议将桥墩及梁体的整体升温工况纳入考虑的范围内。

表2 墩底纵向力比较

通过上述分析，在钢轨受力方面不需要考虑桥墩温度变化，但是需要研究桥墩温度变化对线路高低不平顺的影响，下面以桥墩整体升温为例分析在桥墩升温温度为5 ℃、10 ℃、20 ℃及30 ℃等工况下的线路高低不平顺，计算结果如图7～图9所示。

图7 不同升温幅度下10 m弦轨向不平顺值

图8 不同升温幅度下30 m弦隔5 m校核值

图9 不同升温幅度下300 m弦隔150 m校核值

从图7计算结果看出，随着桥墩温度的升高，其造成的钢轨高低不平顺矢度也增加，并且不平顺矢度最大值成线性增加，桥墩温度从10 ℃增加到20 ℃，再增加到30 ℃，其不平顺的最大值从0.26 mm增加到0.52 mm，再增加到0.78 mm。当桥墩整体升温达到30 ℃时仍未超出限值2 mm。从图8计算结果看出，左、右桥台是中波不平顺峰值的位置，在桥墩温度变化达到30 ℃，中波不平顺仍未超出限值，从图9可以看出，桥墩温度变化达到20 ℃时，其产生长波不平顺[13]最大值为10.1 mm，开始出现轻微超限现象。

线路的竖向变形不仅与桥墩的温度变化有关，还与桥墩的高度相关，下面以刚构桥的2个桥墩为例，保持靠近右桥台处的桥墩高度变化，改变靠近左桥台的桥墩的高度，得到在15 ℃时不同桥墩高度差下的轨道高低不平顺计算结果，如图10～图12所示。

图10 不同桥墩高度差下10 m弦轨向不平顺

图11 不同桥墩高度差下30 m弦隔5 m校核值

图12 不同桥墩高度差下300 m弦隔150 m校核值

从图10～图12计算结果看出，刚构桥桥墩高度差对轨道竖向不平顺的影响仍然主要是集中在长波上，并且影响范围也仅在桥墩改变的一联梁范围内，对于本文计算的桥梁，当桥墩高度差大于80 m时长波不平顺出现超限现象。

4 结论及建议

本文针对高墩大跨桥梁桥墩升温对无缝线路的影响这一问题，利用Ansys有限元模型进行了计算，得到以下结论。

(1)桥墩升温对桥墩受力影响较小，对钢轨纵向力影响也不大，故在高墩大跨桥上无缝线路钢轨受力计算中可以不考虑桥梁升温的影响。

(2)桥墩温度变化引起的线路竖向不平顺主要为长波不平顺，在桥墩温度达到20 ℃时出现轻微的超限现象，同时其是否超限还与相邻桥墩的高度差有关，当桥墩温度变化为15 ℃时，对于本文所选择的跨度桥，邻墩的高度差超过80 m时，其对应的长波不平顺超限。

(3)建议对于高墩大跨桥梁在进行检算时，不考虑桥墩整体温度变化对线路受力的影响，但需要对桥墩变形引起的轨向竖向不平顺进行检算，以满足规范对桥上无缝线路验收的需要。

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Influence of Pier Temperature Increase on Jointless Track of Large-Span Bridge with High-Pier

ZHANG Meng-nan1， HU Zhi-peng1， WU Yu-bin2， WANG Ping1

(1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China； 2.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The rising of temperature of pier of large-span bridge with high-pier under solar radiation will lead to vertical displacement on the top of pier. This paper addresses the influence of this vertical displacement on jointless track by analyzing the stress and displacement of jointless tack under the rising temperature of high pier with an integrative line-bridge-pier finite element model. The calculation results show that the force is very small when pier temperature rises， and the vertical track irregularity caused by temperature variation of pier is of mainly long wave. It is suggested that the overall influence of pier temperature variation on jointless track is not necessarily to be considered， but the vertical track irregularity caused by pier deformation shall be checked so as to meet the requirements of the standard for the acceptance of jointless track on bridge．

Large-span bridge with high-pier; Pier temperature rise; Jointless track; Track regularity

2013-12-11

张梦楠(1990—)，女，硕士研究生。

1004-2954(2014)09-0032-04

U213.9

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.008