正温度梯度荷载对连续梁桥上无砟轨道的影响

冯青松，许晨霄，孙 魁，钟贞浪

(华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，南昌 330013)

无砟轨道结构因太阳入射角、混凝土导热性差等原因[1]，使得结构间产生较大不均匀温差，而不均匀温度荷载作用在混凝土内部产生的应力和变形将影响轨道结构的耐久性和可靠性[2-3]。因此，研究温度荷载对桥上无砟轨道无缝线路的影响规律具有重要意义。

国内外诸多学者针对桥上无缝线路展开了大量研究[4-6]。谢凯泽[7]等分析了桥上单元板式轨道最大温度跨度的适应性；杨荣山[8]等对连续高温天气下无砟轨道的温度特性进行了研究；曾志平[9-10]等通过建立温度场模型并结合试验数据，分析了不同线路方向等因素对温度梯度的影响规律；戴公连[11]等通过长期实验测量，获得了桥梁的非线性温度模式，并针对斜拉桥探究了相邻桥梁对其纵向力的影响[12]；张鹏飞[13-14]等分析了桥梁竖向、横向以及桥墩温度梯度荷载作用下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的纵向力学特性；朱禹[15]等分析了桥梁均匀温度与竖向温度梯度荷载对桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道纵向力和高低、水平几何形位的影响，并计算了梁体在均匀温度与双向温度梯度荷载作用下轨道的横向稳定性[16]；冯青松[17]等分析了桥梁均匀温度荷载和不均匀温度荷载对桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道力学特性和轨道几何形位的影响；全顺喜[18]等通过对规范方法和隔枕校核值方法控制的不平顺功率谱对比论证，提出3个指标能更有效地控制高低和轨向不平顺，且已在学术研究和工程实践中应用[19-20]。综上所述，研究温度梯度荷载对无缝线路力学性能和轨道几何形位的影响具有重要意义，且目前还无系统性针对轨道板竖向和阴阳面横向温度梯度荷载的研究，无法明确轨道板竖向和阴阳面横向温度梯度荷载对轨道几何形位的影响规律。

针对既有研究的不足，本文针对某实际线路大跨度连续梁桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道建立无缝线路计算模型，分析了轨道板竖向温度梯度和阴阳面横向温度梯度荷载作用下轨道结构的力学特性，并采用隔枕校核值研究了两种荷载对高低和轨向静态不平顺的影响。

1 模型建立

1.1 概述

以某实际线路5×32 m简支梁桥+(70.75+125+70.75)连续梁桥+5×32 m简支梁桥为例，基于梁-板-轨相互作用机理建立大跨度连续梁桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道力学模型，桥跨布置如图1所示。

图1 桥跨布置示意

1.2 模型参数

大跨度连续梁桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道的主要组成结构有：钢轨、扣件、轨道板、底座板和桥梁。在本计算模型中，钢轨采用CHN60标准钢轨；扣件为WJ-8B型常阻力、小阻力扣件；简支梁与连续梁均采用6.44 m的标准轨道板，连续梁梁端的轨道板长度为5.736 m；轨道板与底座板的宽度均为2.8 m，高度分别为0.26，0.21 m；简支梁桥间的伸缩缝为0.1 m，简支梁与连续梁间的伸缩缝长度为0.15 m；桥墩(台)纵向刚度根据实际线路取值，结构基本参数见表1，各固定支座处桥墩(台)线刚度见表2。

表1 结构参数

表2 桥墩(台)线刚度取值

WJ-8B型常阻力扣件纵向阻力

(1)

WJ-8B型小阻力扣件纵向阻力

(2)

式中，r为单位长度扣件阻力；x为钢轨与扣件的纵向相对位移。

2 轨道板竖向温度梯度荷载的影响

本节主要分析轨道板竖向温度梯度荷载对无缝线路力学性能和轨道几何变形的影响，根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》，轨道板竖向温度梯度荷载设置30，50 ℃/m和70 ℃/m(正温度梯度)3种工况。

因轨道结构厚度对温度分布的影响较大，轨道板表面0.2 m内近似表现为温度梯度变化[9，21]，故本文将轨道板划分为10层，轨道板的表面温度取50 ℃，0～0.2 m内设置呈温度梯度变化，其余部分温度取35 ℃，底座板和桥梁温度分别取35 ℃和30 ℃。

2.1 无缝线路力学特性

在轨道板竖向温度梯度荷载30，50 ℃/m和70 ℃/m作用下，无缝线路纵向力(应力)和位移极值的计算结果如表3和表4所示。表中，Fr为钢轨伸缩力；Stsu和Stsd分别为轨道板上、下表面纵向应力，Δts为轨道板上、下表面应力差；Sbpu和Sbpd分别为底座板上、下表面纵向应力，Δbp为底座板上、下表面应力差；Drl、Drt和Drv分别为钢轨纵、横、垂向位移，Dtsu为轨道板上表面纵向位移，Δrts为轨板纵向相对位移。

表3 轨道板竖向温度梯度下各结构纵向(应)力极值

表4 轨道板竖向温度梯度下各结构位移极值

分析表3和表4可知，在轨道结构其余部分温度荷载不变的情况下，轨道板竖向温度梯度荷载对无缝线路纵向(应)力和位移的影响较小；钢轨纵向力、轨道板和底座板上下表面应力差、钢轨纵-横-垂向位移和轨板纵向相对位移随温度梯度的增大而减小，其原因为在轨道板表面温度一定时，温度梯度越小，轨道板整体温度越大，结构主要受温度荷载大小的影响；轨道板竖向温度梯度荷载由30 ℃/m增大到70 ℃/m时，钢轨纵向力和纵向位移分别只减小了3.919 kN，0.20 mm，变化不明显，而钢轨垂向位移减小了8.06%，影响相对较大。

2.2 无砟轨道高低和轨向不平顺

无砟轨道无缝线路轨道静态平顺性是评判轨道几何形位是否满足线路标准的重要依据，而平顺性控制中最主要的两个因素为高低和轨向不平顺。目前我国高速铁路无砟轨道线路维修规范中轨道平顺性的控制方法能较好地控制波长大于5 m的不平顺，但对于波长小于5 m的轨道不平顺仍不能有效控制。本文根据文献[18]所述的隔枕校核方法，对高低和轨向不平顺采用隔1枕校核、隔8枕校核和隔240枕校核，分别用于控制短波、中波和长波不平顺，其对应的校核值应分别不小于1，2 mm和10 mm。

在轨道板竖向温度梯度荷载30，50 ℃/m和70 ℃/m作用下，无缝线路高低和轨向不平顺的计算结果如表5所示。

表5 轨道板竖向温度梯度荷载下高低和轨向偏差极值

分析表5可知，轨道板竖向温度梯度荷载作用下高低和轨向不平顺隔枕校核值均满足要求，且对短波高低不平顺和轨向不平顺影响不大，而轨道板竖向温度梯度荷载对高低不平顺中的中长波影响较大；在轨道板竖向温度梯度从30 ℃/m增大至70 ℃/m时，高低偏差的隔8枕校核值从0.81 mm减小到了0.70 mm，减小了13.58%，隔240枕校核值从2.32 mm减小到了2.01 mm，减小了13.36%。

综上所述，轨道板竖向温度梯度荷载对钢轨垂向位移有一定的影响，轨道板竖向温度梯度荷载对轨向不平顺和短波高低不平顺影响较小，而对中长波高低不平顺影响较大。

3 阴阳面横向温度梯度荷载的影响

线路因走向等原因可能使轨道结构一侧向阳而另一侧背阴，产生的横向温度差将形成横向温度梯度荷载，本节主要分析横向温度梯度荷载对无缝线路力学性能和高低、轨向静态不平顺的影响。轨道板表面0～0.2 m取竖向温度梯度70 ℃/m(正温度梯度)，并设置了1种横向无温差荷载工况和2种阴阳面横向温差荷载工况(温差5，10 ℃)进行对比分析，各结构阴阳面横向温度荷载参考TB10015—2012《铁路无缝线路设计规范》和文献[13]中的相关内容取值，详见表6。

表6 横向温度梯度荷载工况

3.1 无缝线路力学特性

在横向温度梯度荷载作用下，钢轨纵向力、刚轨纵-横-垂向位移、轨道板纵向位移和轨板纵向相对位移的计算结果如图2所示，各结构纵向(应)力和位移极值如表7和表8所示。

图2 横向温度梯度荷载下结构纵向力和位移

表7 横向温度梯度荷载下各结构纵向(应)力极值

表8 横向温度梯度荷载下各结构位移极值

分析图2和表7、表8可知，横向无温差荷载与温度梯度荷载作用下各结构纵向(应)力和位移差异性显著，无缝线路向阳侧与背阴侧的计算结果也存在较大差异；随着阴阳面横向温差的减小，钢轨纵向力、钢轨纵向位移、轨道板纵向位移和轨板纵向相对位移逐渐增大，而钢轨横向位移和垂向位移逐渐减小；横向温度梯度荷载对轨道板和底座板向阳侧上、下表面应力无影响，而背阴侧轨道板上下表面应力、底座板上下表面应力和底座板上下表面应力差随阴阳面温差的减小而增大，但均小于向阳侧计算值，轨道板上下表面应力差变化不大。

同横向无温差荷载相比，在横向温差5 ℃和10 ℃的情况下，向阳侧钢轨纵向力、钢轨纵向位移、轨道板纵向位移与轨板纵向相对位移极值分别减小了4.94%，7.41%，6.78%，6.47%和8.99%，14.64%，13.72%，13.96%，而钢轨横向位移与钢轨垂向位移极值分别增大了163.89%，0.91%和328.70%，1.21%；背阴侧钢轨纵向力、底座板上下表面应力差、钢轨纵向位移、钢轨垂向位移、轨道板纵向位移与轨板纵向相对位移极值分别减小了5.82%，13.65%，7.54%，15.11%，8.95%，9.94%和11.82%，27.28%，14.98%，30.82%，18.06%，20.56%，而钢轨横向位移极值分别增大了121.30%和242.59%。

由上述分析可知，横向温度梯度荷载对钢轨横向位移影响极大，与横向无温差荷载不同，温度梯度荷载作用下钢轨横向位移在桥梁梁体每一跨范围内均有较大波动。

3.2 无砟轨道高低和轨向不平顺

在横向温度梯度荷载作用下，无砟轨道高低与轨向不平顺的隔1枕校核值、隔8枕校核值和隔240枕校核值计算结果分别如图3～图5所示，高低偏差与轨向偏差极值如表9所示。

图3 隔1枕校核值

图4 隔8枕校核值

图5 隔240枕校核值

表9 横向温度梯度荷载下高低和轨向偏差极值

分析图3～图5和表9可知，横向温度梯度荷载作用下高低和轨向偏差的隔枕校核值均满足设计要求，但其对高低和轨向偏差均有较大程度的影响；在横向温度梯度荷载作用下，桥梁梁体因横向温度分布不均而在梁端产生突变，使梁端出现高低偏差极值；随着横向温差荷载的增大，简支梁端向阳侧高低偏差逐渐减小，背阴侧高低偏差逐渐增大，而连续梁端向阳侧高低偏差逐渐增大，背阴侧高低偏差逐渐减小，轨向偏差整体呈增大趋势；在横向无温差荷载作用下，轨向偏差在隔1枕校核值计算时处于0.01 mm上下，隔8枕校核值计算时轨向偏差仅在桥台位置处达到极值0.53 mm，隔240枕校核值计算时轨向偏差波动较小，表明横向无温差荷载对轨向不平顺影响较小。

在横向温差从5 ℃增大至10 ℃下，针对3种隔枕校核值，向阳侧高低偏差极值分别增大了11.11%，4.05%和2.86%，背阴侧高低偏差极值分别减小了44.44%，-3.23%和17.37%，向阳侧轨向偏差极值分别增大了104.55%，100.94%和102.21%，背阴侧轨向偏差极值分别增大了95.65%，98.17%和98.72%，从而说明横向温度梯度荷载对轨向偏差的影响极大。

在横向温差为5 ℃下，针对3种隔枕校核值，向阳侧高低偏差极值比背阴侧分别大22.22%，16.22%和20.48%；在横向温差为10 ℃下，向阳侧高低偏差极值比背阴侧分别大50%，16.88%和36.11%；在横向温差为5 ℃和10 ℃下，轨向偏差向阳侧和背阴侧极值相差较小。

综上所述，阴阳面横向温差荷载对桥梁梁端轨向偏差的影响较大，横向温差主要影响阴阳面高低偏差的分布，而温差荷载的大小直接影响轨向偏差幅值。

4 结论

本文采用ANSYS有限元软件建立大跨度连续梁桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道计算模型，分析了温梯荷载作用下无缝线路的力学特性，并采用隔枕校核值研究了温度荷载对高低和轨向几何形位的影响，得出以下结论。

(1)轨道板竖向温梯荷载对钢轨垂向位移的影响相对较大，并主要影响中长波高低不平顺，而对短波高低不平顺几乎无影响。

(2)横向温梯荷载对钢轨横向位移影响极大，同无温差荷载相比，当横向温差为5，10 ℃时，钢轨横向位移极值分别增大了121.30%和242.59%，并在桥梁梁体每一跨范围内均有较大波动。

(3)温度荷载主要影响桥梁梁端的高低、轨向偏差，随着横向温差的增大，轨向偏差整体呈增大趋势，简支梁梁端向阳侧高低偏差逐渐减小，背阴侧高低偏差逐渐增大，而连续梁梁端变化规律相反。

(4)阴阳面横向温差荷载对轨向偏差影响较大，横向温差每增大5 ℃，轨向偏差几乎增大1倍；横向温差主要影响阴阳面高低偏差的分布，而温差荷载的大小直接影响轨向偏差幅值。