跨座式曲线连续钢混结合轨道梁温度效应研究

刘云飞， 郑凯锋

(西南交通大学，四川成都 610031)

跨座式钢混结合轨道梁结构形式与常规钢混结合梁不同(图1)，在太阳照射下，其腹板接收到的太阳辐射更大，会出现局部升温的情况，其阳面的温度变化幅度大, 阴面温度变化幅度小[1]，现有规范中关于钢混结构的温度荷载值较小，不符合轨道梁受日照升温的实际情况[2]。且钢结构和混凝土线膨胀系数不同，由于结构材料热胀冷缩的性质，当温度发生变化，钢混轨道结合梁必然产生温度变形，变形会受到结构的内部纤维约束和超静定约束，结构将产生相当大的温度应力[3]。而且曲线梁桥与直线梁桥相比，存在弯扭耦合作用[4]，其内力、变形计算比直线梁桥更为复杂。理论分析及实验研究表明：超静定结构体系中，温差应力可以达到甚至超过活载产生的应力。

(a) 常规钢混结合梁受日照模式

(b) 钢混轨道梁受日照模式

除了应力变化的影响，钢轨道梁线形尺寸精度要求高，根据相关设计规范要求，端面倾斜度限制为±5/1 000 rad，端部梁宽允许误差为±2 mm。在温度荷载与活载共同作用时，易使其变形超限，因为轨道梁即是承重结构又是列车运行的轨道，如出现变形过大的情况，可能会导致列车行进不平顺，严重者甚至出现脱轨等情况[5]。因此本文用 ANSYS建立了某连续曲线轨道梁精细的实体有限元模型，进行多种温度场荷载组合，对比轨道梁可能出现的不利情况。

1 工程概况

计算取某(40+65+40) m连续钢混结合轨道梁。该曲线钢混结合轨道梁桥计算跨度为(39.44+65+39.44) m，梁全长144.83 m，轨道梁由钢箱和混凝土桥面结合而成，双侧结合梁之间采用钢横梁和下平纵联连接。主梁截面中支点总高3.2 m，混凝土桥面宽0.7 m，高0.38 m。钢结构采用外高2.82 m，外宽0.55 m箱型截面。边支点截面总高度2.6 m，钢结构采用外高2.22 m，外宽0.55 m箱型截面。钢结构顶板厚20 mm，底板厚36 mm，腹板厚20 mm。为保证箱梁抵抗畸变、翘曲及结构的横向传力，主梁每间隔0.925 m、1.11 m、1.25 m或1.3 m在箱内设置横隔板。主梁中支点处设置3道横梁，间距1.3 m，其余每隔3.7 m、4.44 m或5.0 m在两箱梁间设置横梁。两片主梁下设工字型截面下平联。钢轨道梁部分由工厂预制，现场拼接，混凝土桥面现场浇筑。钢结构材质采用Q345qD钢，桥面采用C60混凝土，其截面形式如(图2)。

图2 钢-混结合梁及横向联系构造

2 有限元模型

有限元模型计算时假定钢材与混凝土均为理想的弹性体。根据轨道梁的结构特点，采用板壳单元Shell63模拟薄钢板在弹性状态下的变化过程，用线弹性实体单元Solid65来模拟混凝土桥面部分，上平纵联用3D梁单元Beam188模拟，栓结焊接部分均视为固结。为达到较准确的计算结果，采用映射划分网格。全桥共计89 183个节点，89 111个单元，利用ANSYS建立的有限元模型见图3。

图3 ANSYS局部模型

3 计算参数说明

混凝土容重2 500 kg/m3，钢材容重7 800 kg/m3，钢梁弹性模量取2.1×105MPa，泊松比取0.3，线膨胀系数1.2 ×10-5。考虑混凝土收缩徐变影响，钢与混凝土弹模比取n=6。混凝土强度等级为C60，泊松比取0.2，线膨胀系数1.0 ×10-5。

4 支座设置

桥梁的支座均采用盆式橡胶支座，在ANSYS中采用实体单元模拟钢垫板和橡胶支座，钢垫板上端点与上部主梁相应面进行耦合，橡胶底面采取相应约束，支座布置形式见图4。

图4 支座布置示意

其中4号为固定支座，2号、3号、6号、8号为单向活动支座，1号、5号、7号为双向活动支座。

5 温度荷载工况设计

桥址处极端最低气温为-19.4 ℃，极端最高气温取43.72 ℃。参考《跨座式单轨交通设计规范》的8.2.14条规定，并结合工程实际及铁路相关设计规范，选取了如下5个工况进行对比计算(仅考虑升温)。

工况1：竖向温度梯度。

工况2：整体升温25 ℃。

工况3：钢箱梁升温35 ℃+混凝土桥面升温15 ℃。

工况4：整体升温25 ℃+钢箱梁东侧腹板升温45 ℃。

工况5：整体升温25 ℃+钢箱梁西侧腹板升温45 ℃。

工况1参考了现行桥梁规范中关于钢混结合梁温度梯度的计算方法，由于我国铁路规范只规定了混凝土箱梁结构的温度梯度[6]，暂无关于钢混结构温度梯度的规定，故参考了JTG D60-2016《公路桥涵设计通用规范》进行工况设置。如图5所示，其中T1取25 ℃，T2取6.7 ℃，t为混凝土桥面厚度，A按规范取值为380。因为轨道梁的结构特点为窄幅箱梁，故本文只考虑竖向温度梯度[7]。

图5 竖向温度梯度

工况2和工况3为季节温差效应分析，由于钢和混凝土导热率不同，在夏季两者升温的幅度也不尽相同，为了对比钢与混凝土整体均匀升温和非均匀升温对结构产生的影响，同时根据各国规范对于桥梁整体有效温度最大最小值的规定而而采取了该计算温度[8]。因为太阳辐射的影响，夏季太阳照射下钢板温度会远高于气温，参考相关文献[9-11]，本文以工况4和工况5中钢腹板温度高于气候20 ℃来模拟太阳照射下钢箱梁阳面与阴面的日照温差对结构的影响。

6 季节温差效应分析

6.1 位移

季节温差所产生的位移采取东侧轨道梁顶板位移进行分析，其位移图如图6所示。

通过计算发现，规范给出的温度梯度所产生的竖向位移变形趋势与整体均匀升温相同，且位移最大。在季节温差作用下，钢材与混凝土的非均匀升温所产生的位移不同于其整体均匀升温产生的位移，两种工况的竖向位移所产生的变形趋势相反，均匀升温在边跨变形最大，而非均匀升温在中跨跨中达到最大。三种工况的纵向位移趋势相同，但工况3变形更为明显。三种工况的横向位移对比也较为明显，温度梯度下的横向位移与季节温差作用相反，其中整体均匀升温情况下的变形幅度最小，说明温度梯度和非均匀升温是导致横向位移的主要原因；三种工况作用下的横向位移均产生波浪形变形，可见横撑对结构的温度作用横向变形起到了抵抗作用。

(a)竖向挠度

(b)横向挠度

(c)纵向挠度图6 温度梯度和季节温差作用位移

6.2 支座反力

由表1可以看出：按规范施加温度梯度荷载所产生的支座反力远小于结构整体均匀升温和非均匀产生的支反力；非均匀升温对支座反力的影响远大于均匀升温产生的支座反力；工况2与工况3的支座反力方向一致，可以看出两种工况结构的变形方向相同；三种工况下支座均有拉力产生，但拉力均较小，可忽略不计。

7 日照温差效应分析

7.1 位移

日照温差所产生的位移同样采取东侧轨道梁顶板位移进行分析，其位移图如图7所示。

表1 温度梯度和季节温差作用下支座反力

(a)竖向挠度

(b)横向挠度

(c)纵向挠度图7 日照温差作用位移

当日照从东向西变化时，轨道梁钢箱受日照面也随之变化，由图7可以看出太阳在东侧时，东侧轨道梁竖向位移较西侧大，说明轨道梁桥呈向内扭转趋势；而当太阳位于西侧时，如图8所示，轨道梁将会向外扭转，呈外翻趋势，此时该轨道梁的超高将降低，列车离心力增大，影响列车的行车安全；两者的纵向位移相差不大，而横向位移方向相反，可见在一天内随着太阳位置的变化，桥梁会在不同的时间产生相反的位移，因此说明曲线轨道梁桥的方位也对其受力和变形有影响。

图8 工况5西侧轨道梁竖向挠度

将图7与图6对比可发现，轨道梁单侧腹板受日照升温引起的边跨竖向变形与3变形方向相反，可见混凝土桥面板对于结构边跨温度变形有较大的影响；对比两张图中的桥梁横向位移，可以看出五种工况的横向位移情况均不相同，说明结构的横向位移对温度荷载的变化较为敏感。

7.2 支座反力

由表2可以看出：在日照变化下支座径向反力大小接近，在固定支座处的径向反力方向相反；两种工况的支座竖向反力表现为受拉，且内侧支座拉力大于外侧拉力，呈现向外扭转的趋势，在不利温度作用下内侧支座会出现最大约265 kN的拉力，造成内侧支座脱空，梁体发生向外侧约1 °的扭转变形，两侧轨道梁垂直面内的高差约4 cm；而两者固定支座处的径向反力相反，工况4轨道梁钢箱变形沿纵向表现为腹板向内凹陷，工况5则为腹板向外突出。

表2 日照温差作用下支座反力计算结果 kN

综合表1和表2可以看出工况3产生的竖向反力较大，工况4和工况5产生的纵向反力较大，可以看出温度梯度对支反力影响很小，季节性温差是导致产生支座竖向力的主要原因，而日照温差会产生较大的支座径向力。

8 应力

根据计算结果，温度梯度和整体升温所产生的结构应力很小，不均匀升温和日照温差是结构产生温度应力的主要原因，其中日照温差会产生较大的顶板拉应力，不均匀升温会在支座处产生最大的底板压应力，腹板应力在这三种工况下差别不大；只有日照温差会产生较大的上平纵联和横撑的正应力，这是由于结构的整体性导致的。

9 结论

(1)钢混结合轨道梁与常规钢混结合梁的结构形式存在差异，其钢腹板受太阳辐射面积大，季节升温和日照升温对其影响均大于常规钢混结合梁。根据文中计算可知，参考相关规范中的温度梯度得出的应力和支座反力远小于结构在季节温差和日照温差作用，在轨道梁的温度计算中不应完全以规范上的温度梯度作为参考，否则会使连续轨道梁桥出现病害，影响正常使用。

(2)季节温差作用下结构非均匀升温所产生的位移与整体均匀升温产生的位移不同，两者分别在中跨和边跨达到了位移最大值，非均匀升温所产生的横向位移和纵向位移均大于均匀升温，两者的横向位移均产生波浪形变形，可见横撑对结构的温度作用横向变形起到了抵抗作用。

(3)非均匀升温产生的支座反力大于均匀升温产生的支座反力，但两种工况结构的反力方向相同；前三种工况下支座均有拉力产生，但按竖向温度梯度加载产生支座竖向反力较小，可忽略不计，另外两种工况反力较大，且不均匀升温相比于均匀升温的支座竖向反力更大。

(4)当太阳位于桥梁东侧时，轨道梁桥呈向内扭转趋势；而当太阳位于西侧时，轨道梁将会向外扭转，呈外翻趋势，因此随着太阳方位的变化，桥梁产生不同的位移，同时，轨道梁的位置也会影响其变化幅度.可见日照温差效应是导致钢混结合轨道梁产生病害的主要因素之一。

(5)在日照方向变化下支座径向反力大小接近，在固定支座处的径向反力方向相反；工况4和工况5的内侧支座拉力大于外侧拉力，呈现向外扭转的趋势，在工况5作用下梁体会发生向外侧约1°的扭转变形，两侧轨道梁垂直面内的高差约4 cm；日照温度作用下支座的竖向反力低于整体非均匀升温的竖向反力，但会产生较大的径向力，可能会造成支座剪坏，梁底或墩台帽混凝土受拉开裂等。