温度梯度荷载对桥上无砟轨道几何形位的影响分析
温度梯度荷载对桥上无砟轨道几何形位的影响分析
朱 禹,李成辉,付 娜,肖真诚,霍新伟
(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)
摘 要：我国在设计桥上无缝线路时,桥梁温度荷载按照相关规范规定采用均匀温度荷载,这与桥梁在自然环境中所受到的温度梯度荷载存在一定的差异。基于梁轨相互作用原理,利用有限元方法,建立桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道有限元模型,分别计算分析在均匀温度和竖向温度梯度作用下桥梁变形对无砟轨道结构几何形位的影响,有益于进一步深入研究桥梁温度荷载的合理取值。结果表明：与均匀温度荷载相比,竖向温度梯度荷载对桥上无砟轨道几何形位影响很大,且主要影响桥上无砟轨道的高低几何形位,对无砟轨道的水平几何形位也有一定影响,因此建议在设计桥上无缝线路时,考虑桥梁温度梯度荷载,并对桥上无砟轨道结构的几何形位进行限制。generated
关键词：铁路桥；无砟轨道；均匀温度荷载；温度梯度；几何形位
Abstract： According to the relevant codes about CWR of China, the temperature load applied on bridge is uniform, which is somewhat different from the temperature gradient load in natural environment. Based on the principle of interaction between beam and rail and the use of the finite element method, the model of CRTSIII slab ballastless track on bridge is established and the influences of the deformation of the bridge generated by the uniform temperature and the vertical temperature gradient on the geometry of ballastless track on bridge are calculated respectively, which is beneficial to further study and rational selection of bridge temperature load. The results show that in comparison with the uniform temperature load, the vertical temperature gradient on bridge imposes greater influence on the ballastless track geometry, affects mainly the longitudinal level of ballastless track and also has some influence on level geometry. Thus, when designing the CWR on bridge, it is recommended to consider the temperature gradient load on bridge and confine the ballastless track geometry.
Key words： Railway bridge; Ballastless track; Uniform temperature load; Temperature gradient; Geometry
随着高速铁路的发展，无砟轨道已经成为高速铁路中主要的轨道结构形式。又基于我国地形的限制和节约耕地面积等方面的考虑，我国在建设高速铁路时，多以桥代路，并且铁路桥梁的主要结构形式为混凝土箱梁，因此高速铁路线路工程中存在大量的桥上无砟轨道结构。我国现行规范中规定桥上无砟轨道的梁体温差按年温差取值，为均匀温差，这与桥梁实际上所受的不均匀温度荷载存在一定差异。桥梁暴露在自然环境下，会受外界温度荷载作用。日照作用或降温作用均会引起混凝土箱梁梁体温度的变化，由于混凝土材料的导热性能差，致使桥梁结构表面温度迅速上升或下降，而其结构内部的温度一般都没有变化，因此在混凝土箱梁结构中形成较大的不均匀温差，即温度梯度[1-3]。
桥梁在温度梯度荷载的作用下，会产生较大的变形，这种变形会引起轨道上层结构几何形位的变化。轨道结构的几何变形过大会使线路产生方向不平顺，从而影响高速列车的行车质量和旅客乘坐的舒适度，严重时甚至会威胁到列车运行的安全性[4-8]。我国在设计桥上无缝线路时，主要考虑桥梁与轨道结构的纵向相互作用，而忽略了桥梁温度梯度对轨道结构垂向和横向的影响。目前国内关于温度梯度荷载对桥上无缝线路梁轨纵向相互作用已经有一定的研究，而对温度梯度荷载所引起的桥上无砟轨道几何形位的误差研究还有所欠缺[9-12]。因此，本文就温度梯度荷载对桥上无砟轨道结构的几何形位影响进行了计算与分析。
1 模型的建立
利用有限元软件，基于桥上无缝线路基本原理和CRTSⅢ板式无砟轨道结构，建立了桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道箱梁模型。桥梁为3—32 m简支梁+(40+60+40) m连续梁+3—32 m简支梁的等截面梁形式。箱梁的截面形式如图1所示，全桥桥跨布置如图2所示。
图1 箱梁截面(单位：mm)
图2 桥跨布置示意(单位：m)
在有限元模型中，钢轨采用60 kg/m轨，截面面积为77.45 cm2；桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道扣件系统采用WJ-8型扣件，扣件的纵向阻力根据《铁路无缝线路设计规范》(TB 10015—2012)采用有载机车下扣件阻力，垂向采用常阻力扣件[13]；桥梁结构与无砟轨道结构两者之间采用刚性线性弹簧来建立关联。有限元模型示意如图3所示，模型基本参数如表1所列。
图3 有限元模型
2 参数的选取
在复杂的自然环境下，混凝土桥梁结构的温度场变化也错综复杂。由于混凝土材料自身导热性能差的特性，桥梁在受到太阳日照作用升温时，背阳处的混凝土表面温度比向阳处的低，因此在桥梁结构中形成较大的温度梯度。
表1 模型基本参数
参数量值钢轨扣件轨道板自密实混凝土底座板桥梁弹性模量/(N/m2)2.06×1011截面惯量/m43.217×10-5单位长度质量/(kg/m)60.64泊松比0.3垂向刚度/(N/m)5×107垂向阻尼/(N·s/m)7.5×104间距/mm630弹性模量/(N/m2)3.65×1010宽度/mm2500厚度/mm210密度/(kg/m3)2500泊松比0.2弹性模量/(N/m2)3.25×1010宽度/mm2500厚度/mm100弹性模量/(N/m2)3.25×1010宽度/mm2900厚度/mm200密度/(kg/m3)2500泊松比0.2弹性模量/(N/m2)3.6×1010密度/(kg/m3)2500泊松比0.2
在温度梯度的取值上，分别考虑梁体正温度梯度和负温度梯度对轨道结构的影响。我国铁路桥涵规范和公路桥梁规范、欧洲规范、英国桥梁设计和施工规范、新西兰公路桥梁设计规范以及美国公路桥梁设计规范均采用温度梯度荷载进行取值。经比较分析，在模拟正温度梯度时，美国公路桥梁设计规范、欧洲规范和我国公路桥涵设计通用规范均为双折线模式；新西兰桥梁规范为5次幂函数模式，而我国铁路桥涵设计规范所采用的是以自然对数为底的指数函数模式[14]。以我国铁路桥梁设计规范所采用的指数形式曲线来模拟桥梁截面的温度梯度。

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