李文斐，劉啟賓

(1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，西安 710032；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

相鄰墩高差對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)不平順的影響研究

李文斐1，劉啟賓2

(1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，西安 710032；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

針對(duì)新建客運(yùn)專線驗(yàn)收時(shí)相鄰橋墩高差較大的橋上軌道結(jié)構(gòu)不平順超限現(xiàn)象，基于有限元分析方法結(jié)合實(shí)際橋梁工點(diǎn)情況，對(duì)簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)典型橋梁工點(diǎn)分別建立有限元分析模型，研究相鄰墩高差溫度效應(yīng)對(duì)無(wú)砟軌道平順性的影響；相鄰墩高差溫度效應(yīng)對(duì)軌道10 m弦長(zhǎng)不平順影響很小，對(duì)軌道48a弦長(zhǎng)不平順有較大影響，與軌道結(jié)構(gòu)既有不平順疊加可能超限；軌道480a弦長(zhǎng)不平順的直接影響因素是最高橋墩的高度，與相鄰墩高差沒(méi)有必然關(guān)系。

客運(yùn)專線；無(wú)砟軌道；相鄰墩高差；溫度效應(yīng)；軌道不平順

隨著我國(guó)高速鐵路線路不斷向西部地區(qū)復(fù)雜地形的延伸，線路不可避免地會(huì)跨越大江、深谷，往往需要修建高墩大跨橋梁[1-4]，相鄰橋墩存在較大高差的橋梁工點(diǎn)比較普遍。相鄰橋墩高差過(guò)大時(shí)，溫度效應(yīng)會(huì)引起各橋墩間產(chǎn)生豎向位移差，進(jìn)而導(dǎo)致軌面產(chǎn)生附加不平順[5-7]，可能對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的平順性產(chǎn)生影響。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)，新建客運(yùn)專線驗(yàn)收時(shí)，相鄰橋墩高差較大的橋上軌道結(jié)構(gòu)平順性往往超限。因此，有必要開(kāi)展相鄰橋墩高差較大時(shí)溫度效應(yīng)對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)平順性的影響。

為研究上述問(wèn)題，基于有限元分析方法結(jié)合實(shí)際橋梁工點(diǎn)情況研究了溫度效應(yīng)對(duì)相鄰墩高差過(guò)大的橋梁上無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)不平順的影響情況，為保證墩高差過(guò)大的橋梁上無(wú)砟軌道平順性滿足規(guī)范要求提供參考，同時(shí)為解決已出現(xiàn)的不平順超限情況提供合理的整修建議。

1 研究思路

考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式的影響，對(duì)簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)3種結(jié)構(gòu)形式的橋梁各選取一個(gè)典型工點(diǎn)進(jìn)行建模研究。

對(duì)所建立的有限元模型，先單獨(dú)施加橋梁梁體自重荷載計(jì)算鋼軌變形，將此結(jié)果作為后續(xù)研究?jī)?nèi)容的基準(zhǔn)值；再計(jì)算同時(shí)施加橋梁梁體自重及溫度荷載時(shí)鋼軌變形情況，此結(jié)果與基準(zhǔn)值之間的差值即為單獨(dú)由溫度荷載引起的鋼軌變形值。研究思路如圖1所示。

圖1 研究思路

2 典型工點(diǎn)

根據(jù)實(shí)際橋梁工點(diǎn)情況，對(duì)簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)3種結(jié)構(gòu)形式的橋梁各選1個(gè)典型工點(diǎn)，如表1所示。

表1 典型工點(diǎn)情況

3 分析模型及荷載參數(shù)

3.1 模型基本參數(shù)

模型中混凝土密度2 100 kg/m3，線膨脹系數(shù)1×10-5m/℃，泊松比0.176；鋼軌密度7 900 kg/m3；橋梁、軌道等結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)及自重(包括二期結(jié)構(gòu)恒載)參照設(shè)計(jì)圖紙確定。

3.2 約束條件

本文主要研究的是相鄰橋墩高差的溫度效應(yīng)對(duì)無(wú)砟軌道平順性的影響，不考慮軌道結(jié)構(gòu)自身存在的不平順及其他外界因素的影響。因此，本文模型將橋梁墩臺(tái)底部全約束。

3.3 計(jì)算模型

根據(jù)典型工點(diǎn)橋梁的實(shí)際情況，對(duì)簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)分別建立了鋼軌-軌道板及底座板-梁體以及橋墩有限元模型。模型中梁體、鋼軌、軌道板采用梁?jiǎn)卧M，橋墩采用只受壓不受拉的桿單元模擬。簡(jiǎn)支梁及連續(xù)梁的橋墩與梁體之間采用線性彈簧連接；連續(xù)剛構(gòu)的橋墩與梁體之間固結(jié)。各層間采用線性彈簧單元連接，模型示意(以連續(xù)梁為例)如圖2所示。

圖2 有限元分析模型示意

3.4 限值標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范[8]要求，無(wú)砟軌道高低不平順限值標(biāo)準(zhǔn)為：10 m弦長(zhǎng)不平順限值為2 mm；48a(a為相鄰軌枕間距，下同)弦長(zhǎng)不平順限值為2 mm，測(cè)點(diǎn)間距8a；480a弦長(zhǎng)不平順限值為10 mm，測(cè)點(diǎn)間距240a。

3.5 荷載取值

橋梁墩臺(tái)為大體積混凝土，其溫度變化是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，幾乎不受日溫差的影響，只與月平均氣溫有關(guān)[9-12]。根據(jù)表1可知，簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)3個(gè)典型橋梁工點(diǎn)所處地區(qū)月平均氣溫變化幅度分別為22.1、26.2和26.7 ℃，月平均變化幅度的一半僅為13.4 ℃?？紤]無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工溫度的要求，取20 ℃作為最大溫差荷載進(jìn)行保守計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 簡(jiǎn)支梁計(jì)算結(jié)果

采用所建立的鋼軌-軌道板及底座板-梁體以及墩臺(tái)有限元模型，計(jì)算出由橋墩溫度變形引起的簡(jiǎn)支梁上鋼軌變形及軌道不平順，如圖3～圖5所示。

由圖3～圖5可以看出：由橋墩溫度變化引起的鋼軌10 m弦長(zhǎng)最大不平順值為0.059 mm，遠(yuǎn)小于2 mm的限值；48a最大不平順值為1.30 mm，小于2 mm的限值；480a最大不平順可近似認(rèn)為等于橋梁區(qū)域內(nèi)鋼軌的最大垂向位移，即5.15 mm，小于10 mm的限值。

4.2 連續(xù)梁計(jì)算結(jié)果

采用所建立的鋼軌-軌道板及底座板-梁體及墩臺(tái)有限元模型，計(jì)算出由橋墩溫度變形引起的連續(xù)梁上鋼軌變形及軌道不平順，如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可以看出：由橋墩溫度變化引起的鋼軌10 m弦長(zhǎng)最大不平順值為0.037 mm，遠(yuǎn)小于2 mm的限值；48a最大不平順值為1.44 mm，小于2 mm的限值；480a最大不平順可認(rèn)為等于橋梁區(qū)域內(nèi)鋼軌的最大垂向位移，即8.49 mm，小于10 mm的限值。

圖3 鋼軌變形值

圖4 10 m弦長(zhǎng)不平順

圖5 48a弦長(zhǎng)不平順

圖6 鋼軌變形值

圖7 10 m弦長(zhǎng)不平順

圖8 48a弦長(zhǎng)不平順

4.3 連續(xù)剛構(gòu)計(jì)算結(jié)果

采用所建立的鋼軌-軌道板及底座板-梁體及墩臺(tái)有限元模型，計(jì)算出由橋墩溫度變形引起的連續(xù)剛構(gòu)橋梁上鋼軌變形及軌道不平順，如圖9～圖11所示。

由圖9～圖11可以看出：由橋墩溫度變化引起的鋼軌10 m弦長(zhǎng)最大不平順值為0.021 mm，遠(yuǎn)小于2 mm的限值；48a最大不平順值為1.43 mm，小于2 mm的限值；480a最大不平順約為12.1 mm，大于10 mm的限值。

圖9 鋼軌變形值

圖10 10 m弦長(zhǎng)不平順

圖11 48a弦長(zhǎng)不平順

5 結(jié)論

本文基于數(shù)值分析方法結(jié)合典型橋梁工點(diǎn)情況，研究了溫度效應(yīng)對(duì)軌道不平順的影響。根據(jù)研究結(jié)果，得出的主要結(jié)論如下。

(1)相鄰墩高差溫度效應(yīng)引起的軌道10 m弦長(zhǎng)不平順最大僅為0.059 mm，遠(yuǎn)小于2 mm的限值，幾乎沒(méi)有影響。

(2)相鄰墩高差溫度效應(yīng)引起的軌道48a弦長(zhǎng)不平順最大為1.44 mm，小于2 mm的限值，但考慮到軌道結(jié)構(gòu)自身存在的不平順，不同因素導(dǎo)致的軌道結(jié)構(gòu)不平順疊加可能導(dǎo)致軌道48a弦長(zhǎng)不平順超限。

(3)影響軌道480a弦長(zhǎng)不平順的因素是橋梁中最高墩的絕對(duì)高度，與相鄰墩高差沒(méi)有必然關(guān)系。

(4)本文典型工點(diǎn)中，軌道480a弦長(zhǎng)長(zhǎng)波不平順最大為12.1 mm，超過(guò)了規(guī)范限值，現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)控制無(wú)砟軌道在中間月平均氣溫施工或結(jié)合無(wú)砟軌道施工時(shí)月平均氣溫等綜合因素對(duì)軌面設(shè)計(jì)高程進(jìn)行修正，避免軌道長(zhǎng)波不平順超限。

(5)對(duì)已施工完成但軌道結(jié)構(gòu)不平順超限的情況，應(yīng)通過(guò)計(jì)算分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，掌握軌面高程的變化規(guī)律，確定合適的軌面高程調(diào)整方案。

(6)為保證車輛運(yùn)行的平順性、安全性，應(yīng)盡量避免道岔、伸縮調(diào)節(jié)器等設(shè)備布置在高墩及墩高差大的橋上。

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Study on Track Structure Irregularities Influenced by Differences of Adjacent Pier Heights

LI Wen-fei1， LIU Qi-bin2

(1.The Third Engineering Co.， Ltd. of China Railway Seventh Group， Xi’an 710032， China;2.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

With a view to the overrun of track irregularity influenced by obvious differences between adjacent pier heights on newly built dedicated passenger lines， this paper studies on track structure irregularities influenced by the differences of adjacent pier height by means of FE models of different types of railway bridges based on the finite element method as well as the site situations of bridges. As far as temperature effect is concerned， the differences of adjacent pier heights have little effect on chord irregularity of 10 millimeter， but have large effect on chord irregularity of 48a， and the track irregularity may overrun in the case of superposition with the existing track irregularities. The direct factor of chord irregularity of 480a is the height of the highest pier， and there is no inevitable relation with the differences of adjacent pier heights.

Dedicated passenger line; Ballastless track; Difference of adjacent pier height; Temperature effect; Track irregularity

2014-12-03；

2014-12-11

李文斐(1989—)，女，助理工程師，工學(xué)學(xué)士，E-mail:987289505@qq.com。

1004-2954(2015)09-0022-03

U211.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.005