张亚爽，胡志鹏，马旭峰，王 平

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600； 2.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)

高墩水平温差对连续刚构桥上无缝线路的影响

张亚爽1，胡志鹏2，马旭峰2，王 平2

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600； 2.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)

为研究高墩水平温差对桥上无缝线路的影响，选取某高墩大跨连续刚构桥工程实例，基于梁轨相互作用原理，建立线桥墩一体化有限元模型，分析在水平纵向和横向温差作用下高墩大跨桥上无缝线路受力变形情况。结果表明：高墩纵向温差对连续刚构桥上无缝线路纵向受力影响较大，随着桥墩纵向温差的增大，桥上无缝线路受力逐渐增大；桥墩横向温差影响桥上无缝线路平顺性，当桥墩横向温差超过一定的限值时，连续刚构桥上无缝线路会出现长波不平顺超限；总结以上分析结果，建议在连续刚构桥上无缝线路设计检算中考虑高墩在水平温差作用下对桥上无缝线路的影响。

铁路桥；高墩；连续刚构桥；无缝线路；纵向温差；横向温差

1 概述

在高速铁路建设中，受地形的限制，尤其是在我国西部山区，桥梁往往需要跨越深水、深谷、大河和急流，因此出现了越来越多的高墩大跨桥[1]。在太阳辐射条件下，高墩大跨桥在背阴侧由于没有阳光的照射，混凝土表面的温度比较低，相反，在向阳侧，由于直接受到太阳的辐射，温度较高。对于普通桥上无缝线路，由于桥墩高度比较低，太阳辐射作用引起的桥墩水平温差不会使桥墩顶部产生较大的位移，然而在高墩大跨结构中，桥墩高度大大增加，水平温差作用下，墩顶产生较大的纵横向位移，这种位移作用在梁体之上，容易引起梁体整体移动，其中，横向移动势必会导致轨道出现横向不平顺，从而引起轨道结构的稳定性下降；纵向位移则会带动梁体发生整体纵向位移，这种位移作用在轨道结构上必然会引起轨道结构附加力与位移。

目前，各国对梁体挠曲、梁温差、列车制动等梁轨相互作用进行了大量的分析和研究[2-4]，但对于桥墩温差引起的梁轨相互作用研究较少，只有德国铁路将此项内容纳入了最新版的桥梁设计规范[5-7]。由于高墩大跨桥墩在水平温差作用下产生较大的位移，影响桥上无缝线路的受力和平顺性，因此，考虑高墩大跨桥墩在水平温差作用下对桥上无缝线路的影响，对高墩大跨桥上无缝线路的设计具有重要的意义。高墩所受水平温差可分为纵向温差和横向温差，重点讨论桥墩在纵向温差和横向温差作用下对高墩大跨连续刚构桥上无缝线路的影响。

2 计算模型

选取某一高墩大跨桥梁(直线段)，桥跨布置形式为(89+168+89) m连续刚构桥梁+(33+56+33) m连续梁，桥上铺设有砟轨道无缝线路，桥跨布置如图1所示，桥墩参数如表1所示。

图1 桥跨布置立面

墩台号0123456桥墩高度/m—76103564519—支座类型活动固结固结活动固定活动活动纵向刚度/(kN/m)—205410384749963499—横向刚度/(kN/m)—521839551070211112098—

注：0号和6号分别为左右桥台。

将无缝线路和桥梁作为一个相互作用、相互影响的耦合系统，建立线桥墩一体化计算模型[8]，模型结构简图如图2所示。为研究高墩对桥上无缝线路的影响，在模型中根据墩身结构和梁体形式，建立精确的桥梁有限元模型。

图2 有限元模型结构简图

模型中钢轨采用中国标准60 kg/m钢轨，扣件竖向及横向刚度均采用5.0×107kN/mm，轨枕采用新Ⅲ型混凝土轨枕，轨枕支撑刚度采用半枕支撑刚度120 kN/mm，道床纵横向阻力取值参照铁路无缝线路设计规范。为实现主要控制截面间的渐变，钢轨、梁体、桥墩采用beam188单元，扣件及道床纵横向阻力采用非线性弹簧单元combin39模拟。本次计算是基于基础条件良好的假设，桥墩底部采用固结方式，但采用该方式桥墩刚度比实际情况有所提高，实际工程计算中需根据工程地质条件酌情考虑该情况。在桥梁左右桥台外侧建立(100+边跨长度)m的路基，消除边界效应，保证桥上无缝线路处于固定区[9]。

3 桥墩在纵向温差作用下对无缝线路的影响

桥梁的走向决定桥墩会有一侧为向阳侧，一侧为背阳侧，向阳侧由于太阳的照射而温度较高，背阳侧则相反，这样在温差的作用下桥墩会向着背阳侧偏转，带动梁体移动从而带动桥上无缝线路产生纵向附加力。这种作用会因桥墩的高度而起到放大的作用，因此对于高墩桥梁需要考虑该荷载类型。参考长沙理工大学田仲初在《温度对空心薄壁高墩垂直度的影响分析》一文中对贵州大乌江特大桥的试验测试与数据拟合，得出桥墩背阳侧与向阳侧温差为13.5 ℃。为了研究桥墩纵向温差变化时钢轨的受力变形情况，考虑一定的安全储备，分别讨论桥墩背阳侧与向阳侧温差为5 ℃、10 ℃、15 ℃及20 ℃四种工况[10]，每种工况均为靠近右侧桥台一侧的温度高，温度荷载通过直接对桥墩施加温度实现，其计算结果如图3及表2所示。

图3 纵向温差下钢轨纵向力

表2 墩顶纵向位移mm

注：由于3号与5号桥墩的支座为活动支座，其纵向位移对桥上无缝线路影响很小，计算中不考虑这4个墩台的纵向温度差作用。

从图3及表2中看出，由于对桥梁墩台施加的纵向温差荷载为：靠近右侧桥台一侧的温度高，而远离的一侧温度低，桥墩均向左侧发生纵向位移，位移值较大，并且随着桥墩背阳与向阳侧温差的增加，桥墩墩顶的纵向位移也在变大；无论桥墩向阳侧与背阳侧的温差多大，左侧桥台处钢轨受压，右侧桥台处钢轨受拉，从钢轨纵向力变化规律看，随着背阳与向阳侧温差的增大，钢轨的纵向力也在增加。当桥墩向阳侧与背阳侧的温差达到5 ℃时，钢轨力最大值达到了220.39 kN；当温差达到15 ℃时，其值为523.09 kN。对该桥梁体施加温度荷载Δt=15 ℃，此种工况下，计算可得钢轨最大伸缩附加力为584.95 kN，如图4所示。由此可知，当桥墩背阳侧与向阳侧温差为15 ℃时，钢轨力已经接近于最大的附加伸缩力。因此在高墩大跨桥上无缝线路设计中必须考虑桥墩纵向向阳侧与背阳侧的温差。

图4 梁体温度荷载Δt=15 ℃时钢轨伸缩附加力

从上述计算中看出，桥墩纵向温差引起的钢轨纵向力较大，是高墩大跨桥上无缝线路设计及检算均应该考虑的荷载，但是桥墩纵向温差的变化与桥梁梁体温度的变化之间的关系如何并未见到相关的研究内容，假设两者均可同时达到最大值，混凝土梁的温度变化为15 ℃[11]，考虑桥墩温差的改变(仍选取5 ℃、10 ℃、15 ℃及20 ℃四种工况)的计算结果如图5所示，其中图5(a)为同时考虑桥梁梁体温度变化与桥墩纵向温差两种荷载作用下的计算结果，图5(b)为同时考虑上述两种荷载情况下的钢轨纵向力幅值与单独计算两种荷载工况下钢轨纵向力幅值的线性和的比较。

图5 钢轨纵向力

分析图5(a)可知，在梁体温度荷载和桥墩纵向温差荷载共同作用下，桥墩纵向温差对钢轨受力产生较大的影响，钢轨力随桥墩温差增大而增大，在对线路进行稳定性及强度检算时，有必要考虑该荷载作用。从图5(b)可看出，假设桥梁温度与桥墩纵向温差同时达到最大值时计算的钢轨纵向力的最大值小于两者分别计算后的钢轨纵向力幅值相加得到的值，这主要是线路纵向阻力为双线性产生的。

4 桥墩在横向温差作用下无缝线路的影响

在高墩大跨桥桥墩横向温差作用下，桥墩顶部会发生较大的横向位移，这种位移通过梁体作用在轨道结构上，轨道因此产生横向位移与附加力。采用上述桥梁模型，取桥墩横向温差为15 ℃进行分析，其计算结果如表3、图6所示。

表3 计算结果

图6 钢轨纵向力及位移计算结果

从图6及表3计算结果看出，桥墩的横向温差荷载引起的钢轨及桥墩受力均比较小，可以不用考虑，但是其引起的钢轨横向位移比较大，可能会导致线路的轨向不平顺超限或者降低线路的稳定性，下面对钢轨采用10 m弦测法确定其不平顺矢度以及30 m弦隔5 m校核值的限值和300 m弦隔150 m校核值[12]，从而判断其是否超限，详细计算方法可参见文献[12]，其计算结果见图7～图9。

图7 轨向不平顺矢度(10 m弦)

图8 30 m弦隔5 m校核值

图9 300 m弦隔150 m校核值

从图7～图9计算结果看出，在10 m弦测得轨向不平顺矢度以及30 m弦5 m校核值均未超过规范规定的2 mm限值，但是300 m弦150 m校核值确超过了规范规定的限值10 mm[13]，因此看出，桥墩横向温差主要是对桥上无缝线路的长波不平顺产生影响。

为研究桥墩横向温差对轨向不平顺的影响，桥墩横向温差取为5 ℃、10 ℃、15 ℃及20 ℃四种工况，其计算结果见图10～图12。

图10 10 m弦轨向不平顺值

图11 30 m弦隔5 m校核值

图12 300 m弦隔150 m校核值

从图10～图12计算结果看出，不平顺随着桥墩横向温差的增加而逐渐增大，对本论文计算采用的桥梁模型，当温差超过10 ℃时，该桥上无缝线路长波不平顺就会超限。

5 结论及建议

本文通过建立梁桥有限元模型，分析了高墩在水平温差作用下对连续刚构桥上无缝线路的影响，结论如下。

(1)高墩在纵向温差作用下对连续刚构桥上无缝线路纵向受力影响较大，随着桥墩纵向温差的增大，桥上无缝线路受力逐渐增大。由于线路阻力的非线性，桥墩纵向温差荷载与梁体温度荷载耦合计算时，钢轨纵向力增加幅度小于单独桥墩纵向温差作用时的结果。建议连续刚构桥上无缝线路设计或检算中考虑梁体温度变化的同时考虑桥墩纵向温差的影响，并将其与梁体温差耦合进行计算。

(2)连续刚构桥高墩横向温差引起的钢轨横向位移较大，影响桥上无缝线路的平顺性，当桥墩横向温差超过一定的限值时，连续刚构桥上无缝线路会出现长波不平顺超限。

(3)总结上述分析结果，建议在连续刚构桥上无缝线路设计检算中考虑高墩在纵横向温差作用下对桥上无缝线路的影响。由于我国无缝线路相关规范未给出桥墩纵向温差，仅德国规范中规定：无缝线路设计时考虑桥墩纵向温度荷载的影响，并且温差取为5 ℃。但是我国地域辽阔，直接采用德国规范的限值不一定适用，因此建议对不同地域的桥墩进行观测，以得到其分布规律从而确定计算中温差的合理取值。

[1] 李坤.高墩大跨连续刚构桥在温度作用下的轨道高低不平顺及对列车的动力影响[D].成都：西南交通大学，2011．

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[4] 谢铠泽，徐井芒，魏贤奎，王平.桥上无缝线路附加伸缩力放散的计算研究[J].铁道标准设计，2012(4):28-31．

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[13] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2010]240号 高速铁路轨道工程施工质量验收标准[S].北京:中国铁道出版社，2010．

The Influence of High Piers with Horizontal Temperature Difference on CWR on the Continuous Rigid Frame Bridge

Zhang Yashuang1， Hu Zhipeng2， Ma Xufeng2， Wang Ping2

(1.China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Beijing 102600， China; 2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，China)

An engineering project of the continuous rigid frame bridge is selected in this paper in order to study the influence of high piers under the condition of horizontal temperature difference on continuous welded rail on the bridge. Based on the principle of the interaction between bridge and track， a track-bridge-pier integration finite element model is established to analyze the stress and deformation of continuous welded rail on the large-span bridge with high piers under the condition of various longitudinal and transverse temperature differences. Study results show that the continuous welded rail on the continuous rigid frame bridge is affected greatly by the longitudinal temperature difference of high piers， and the force acting on the continuous welded rail increases with the increasing of the longitudinal temperature difference of high piers. The regularity of the continuous welded rail is influenced by the transverse temperature difference of piers. When the transverse temperature difference of piers is more than certain limit value， long wave irregularity of the continuous welded rail will exceed the limit. Therefore， it’s suggested that the influence of high piers under the condition of longitudinal and transverse temperature difference on continuous welded rail on the continuous rigid frame bridge should be considered in the design and check-calculation of continuous welded rail on the bridge．

Railway bridge; High pier; Continuous rigid frame bridge; Continuous welded rail; Longitudinal temperature difference: Transverse temperature difference

2014-01-20；

：2014-02-14

张亚爽(1990—)，女，硕士研究生，E-mail：727858653@qq.com。

1004-2954(2014)11-0020-04

U213.9

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.005