铁２０１７年第７期 道建筑 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３－１９９５（２０１７）０７．０１２３．０４ 温度荷载对桥上无缝线路平顺性的影响分析 朱 禹，李成辉，耿 浩，闫 雪 （西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都６１００３１） 摘 要 基于梁轨相互作用原理，利用有限元方法，建立桥上无砟轨道无缝线路模型，桥梁温度荷载分 别取均匀温度荷载、沿梁高的温度梯度荷载以及沿梁高和梁宽双向温度梯度荷载３种工况，计算分析桥 梁在不同温度荷栽作用下桥上无缝线路的平顺性。计算结果表明：桥梁受沿梁高温度梯度荷载作用时 对钢轨竖向位移的影响最大，线路的短波、中波高低不平顺均超过规范限值，长波高低不平顺未超限；桥 梁在沿梁高和梁宽双向温度梯度荷载作用下，线路的中波高低不平顺稍稍超限，短波高低不平顺接近规 范限值，长波高低不平顺有较大余量；桥梁在均匀温度荷载作用下，线路的高低不平顺均远小于限值。 关键词铁路桥梁；平顺性；数值计算；温度梯度；无缝线路 文献标识码 Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３．１９９５．２０１７．０７．３４ 中图分类号 Ｕ２１３．９ ｌ １ 铁路桥梁暴露在自然环境中，会受外界温度荷 载的作用。我国现行的《铁路无缝线路设计规范》 （ＴＢ １００１５－－２０１２）规定，有砟轨道的梁体温差按日 温差取值，无砟轨道的梁体温差按年温差取值，都为 均匀温差。其中，无砟轨道的混凝土桥梁梁体温差 荷载为３０℃，相对于桥梁实际的温度荷载有一定的 贮备。而在我国《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混 １模型的建立 利用有限元软件，基于梁轨相互作用原理，建立了 桥上ＣＲＴＳⅢ型板式无砟轨道无缝线路模型。桥梁为 ３×３２ ｍ简支梁＋（４０＋６０＋４０）ｍ连续梁＋３×３２ ｍ 简支梁的等截面箱梁形式。全桥桥跨结构布置如图１ 所示，箱梁截面如图２所示。 凝土结构设计规范》（ＴＢ １０００２．３—２００５）和《公路钢 筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（ＪＴＧ Ｄ６２－－２００４）中规定，对混凝土桥梁温度荷载的取值 图１全桥桥跨结构布置示意（单位：ｍ） 均采用温度梯度荷载。这与均匀温度荷载存在 差异。 我国在设计桥上无缝线路时，主要是考虑梁轨之 间的纵向相互作用，而忽略了桥梁温度梯度荷载对轨 道结构几何形位的影响¨。 。桥梁在外界不均匀温度 荷载的作用下，会产生较大的上拱变形，引起上层轨道 结构的几何形位改变。轨道结构的几何变形过大将导 图２箱梁截面示意（单位：ｍｍ） 致线路产生不平顺，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的运 行安全 。高速列车在运行的过程中对线路的平 顺性要求很高，因此，本文就不同的桥梁温度荷载形 所建立的有限元模型中无砟轨道结构的钢轨采用 梁单元模拟；轨道板、混凝土底座板采用板壳单元模 拟，对不同的板件赋予其实际厚度；自密实混凝土层采 用线性弹簧模拟；桥上ＣＲＴＳⅢ型板式无砟轨道扣件 系统采用ｗＪ一８型扣件，扣件的纵向阻力根据ＴＢ １００１５－－２０１２来选取，扣件纵向采用非线性弹簧模拟， 垂向采用线性弹簧模拟。桥梁结构中，梁体采用板壳 单元进行模拟，对不同的板件赋予其实际厚度，顶板厚 ０．３４ ｍ，腹板厚０．４８ ｍ，底板厚０．３ ｍ。桥梁与无砟轨 式对桥上无缝线路的平顺性的影响进行了计算与 分析。 收稿目期：２０１７－０１－１０；修回日期：２０１７－０３—１５ 作者简介：朱禹（１９９３一），男，硕士研究生。 Ｅ・ｍａｌｌ：２８３１２８４２２＠ｑｑ．ｃｏｒｎ 道之间采用刚线性弹簧进行耦合。有限元模型基本参 数见表１。 １２４ 铁道建筑 表１模型基本参数 ＝Ｔｏ２ｅ… （２） 式中： 为计算点沿梁高方向即Ｙ方向的温度梯度荷 载，℃； 为计算点沿梁宽方向即 方向的温度梯度 荷载，ｏＣ；Ｔｏ。，Ｔｏ 分别为箱梁梁高和梁宽方向的温差， 对于标准设计可按表２取值，℃；ｃ为计算参数，按表２ ２参数的选取 ２．１桥梁温度荷载 混凝土箱梁在受到日照升温荷载时，由于导热性 能差，桥梁结构表面温度迅速上升，而内部温度一般没 有变化，因此在梁体中形成较大的温度梯度 。 我国公路桥涵和铁路桥涵设计规范、新西兰公路 桥梁设计规范、美国公路桥梁设计规范、英国桥梁设计 和施工规范以及欧洲规范均采用温度梯度荷载。经比 较分析，发现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规范均采用双折 线模式；新西兰公路桥梁设计规范采用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 ｅ为底的指数函数模式 。本文以我国铁路桥涵设 计规范中的指数曲线来模拟截面的温度梯度荷载。 本文将桥梁的温度荷载形式分为整体均匀温度荷 载和温度梯度荷载，且均只考虑升温的情况。按ＴＢ １０００２．３—２００５的规定，温度梯度荷载分别沿梁高和 梁宽方向取值，其计算公式为… ＝Ｔｏ ｅ （１） 取值，ｍ～。 表２温度梯度荷载曲线相关参数取值 温度梯度荷载曲线如图３所示。 梁宽范围 — ％： 图３温度梯度荷载曲线 ２．２线路静态平顺性指标 线路的平顺性是列车安全运行的保障。线路静态 平顺性指标主要包括轨距、轨向、高低、水平等。桥梁 受温度荷载作用，主要引起上层轨道结构竖向变形，对 线路的平顺性产生一定的影响，因此主要对线路高低 不平顺进行分析计算。 根据《高速铁路设计规范》（ＴＢ １０６２１—２０１４）对 正线轨道静态精度标准的规定，用弦测法计算线路的 轨向和高低不平顺时，１０ ｍ弦的不平顺矢度不超过 ２ ｍｍ，３０ ｍ弦长（４８ａ基线长，ｏ为扣件节点间距）隔 ５ ｍ（８ａ）校核值不超过２ ｍｍ，３００ ｍ弦长（４８０ａ基线 长）隔１５０ ｍ（２４０ａ）校核值不超过１０ ｍｍ¨ 。 ３计算分析 桥梁温度荷载分别取均匀温度荷载２０℃、沿梁高 方向的竖向温度梯度荷载以及沿梁高和梁宽双向温度 梯度荷载３种工况。桥梁在正温度梯度荷载作用下， 会产生一定的上拱变形，主要影响钢轨的竖向位移。３ 种工况下桥上无缝线路钢轨竖向位移见图４，其最大 竖向位移值分别为１．０３１，７．１５４，３．６７１ ｍｍ。 由图４可知：桥梁在温度荷载作用下产生一定的 上拱变形，传递到上层轨道结构会使钢轨产生较大的 竖向位移和轨向变化率。桥梁在温度梯度荷载作用 下，钢轨的竖向变形明显大于桥梁受整体均匀温度荷 载作用时钢轨的竖向位移，并且沿梁高的温度梯度荷 ２０１７年第７期 朱 禹等：温度荷载对桥上无缝线路平顺性的影响分析 Ｏ ８ ２ Ｏ Ｏ ｌ ５ 目逞鳖 １ 目 ＿叠 警恒 Ｏ Ｏ Ｏ ６ ４ ２ Ｏ ４ ｇⅢ／娶 肇恒 ３ ２ ｌ ０ 载对钢轨竖向位移的影响更大。结果表明，规范ＴＢ １００１５－－２０１２中仅按桥梁整体均匀温度荷载进行桥上 无缝线路设计是不够的，还需考虑桥梁温度梯度荷载 对轨道竖向几何形位的影响。 由于桥梁受到温度梯度荷载作用时，会引起钢轨 产生较大的竖向位移，造成无缝线路的高低不平顺。 基于弦测法，在３种工况下线路的高低不平顺计算结 图４ ３种工况下钢轨竖向位移 果见图５一图７。 ２ ２ Ｏ 目Ⅲ，叠 ｌ ５ ２ Ｏ 日 ．．５ ００ 墨 誊 ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ ．７５ １．０ Ｉ＜－ ５０ ２５ Ｏ 懈０．５ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ 距左桥台距离／ｍ （ａ）１０ ｍ弦高低不平颅矢度 距左桥台距离，ｍ （ｂ）４８ 线长隔８旅核值 距左桥台距离『ｍ （ｃ）４８０ａ基线长隔２４０ａｔ／￣核值 图５均匀温度荷载下线路不平顺计算结果 ９ ８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ ｌ Ｏ ｇ口《警 懈 Ｋ－－ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ ５０ １００ ｌ５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ ５０ １００ ｌ５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ 距左桥台距离，ｍ （ａ）１０ ｍ弦高低不平顺矢度 距左桥台距离，ｍ （ｂ】４８ 线长隔勋校核值 距左桥台距离，ｍ （Ｃ）４８０ａ基线长隔２４０ａ校核值 图６ 竖向温度梯度荷载下线路不平顺计算结果 ８ Ｋ－４ ５Ｏ １００ １５０ ２Ｏ０ ２５０ ３００ ３５０ ５０ １００ ｌ５０ ２００ ２５０ ３００ 距左桥台距离，ｍ （ａ）１０ ｍ弦高低不平顺矢度 距左桥台距离／ｍ （ｂ）４８神 线长隔 校核值 距左桥台距离／ｍ （ｃ）４８０ａ基线长隔２４０ａ校核值 图７双向温度梯度荷载下线路不平顺计算结果 从图５一图７可知：桥梁在整体均匀温度２０℃时 平顺稍稍超限，短波、长波不平顺均小于限值，但短波 不平顺已接近限值。 线路短波、中波和长波不平顺最大值分别为０．６７， ０．９９，１．５２ ｍｍ，均远小于限值；桥梁在沿梁高温度梯 度荷载作用下，线路短波、中波和长波不平顺最大值分 别为３．５２，４．１８，８．７１ ｍｍ，短波、中波不平顺均超过限 ４结论及建议 １）桥梁在温度梯度作用下，会产生较大的竖向变 形，对上层轨道结构的几何形位有较大影响。桥梁受 沿梁高温度梯度荷载作用时钢轨竖向位移最大，桥梁 值２ ｍｍ，长波不平顺小于限值１０ ｍｍ；桥梁在沿梁高 和梁宽双向温度梯度荷载作用下，线路短波、中波和长 波不平顺最大值分别为１．７７，２．０８，６．９２ ｍｍ，中波不 受沿梁高和梁宽双向温度梯度荷载作用时次之，桥梁 １２６ 铁道建筑 在均匀温度荷载作用下钢轨竖向位移很小。 ２）桥梁在温度梯度荷载作用下会引起钢轨较大 的竖向位移，从而造成线路高低不平顺，主要是短波不 平顺和中波不平顺。桥梁在沿梁高温度梯度荷载作用 ［３］刘克旭．复杂温度下桥上无缝线路与ＣＲＴＳ Ｉ型板式无砟 轨道作用关系研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１６． ［４］张亚爽，胡志鹏，马旭峰，等．高墩水平温差对连续刚构桥 上无缝线路的影响［Ｊ］．铁道标准设计，２０１４，５８（¨）：２０－ ２３． 下，线路的短波、中波高低不平顺均超过规范限值，长 波不平顺未超限；桥梁在沿梁高和梁宽双向温度梯度 荷载作用下，线路的中波高低不平顺稍稍超限，短波高 ［５］刘婷林，代先星，肖杰灵，等．温度梯度对高墩桥上无缝线 路的影响分析［Ｊ］．铁道建筑，２０１４（４）：１２１—１２４． 低不平顺接近规范限值，长波不平顺有较大余量；桥梁 在均匀温度荷载作用下，线路的高低平顺性均远小于 限值。 ［６］罗华朋，马旭峰，肖杰灵，等．桥墩温度荷载对高墩大跨桥 上无砟轨道无缝线路的影响研究［Ｊ］．铁道建筑，２０１５ （６）：１２７—１３１． ３）相对于整体均匀温度荷载，温度梯度荷载更加 符合桥梁实际的温度荷载。我国在设计桥上无缝线路 时采用的是整体均匀温度荷载，没有考虑到桥梁温度 梯度荷载对桥上无缝线路平顺性的影响。为保证行车 的安全性和舒适性，建议在设计桥上无缝线路时，考虑 桥梁温度梯度荷载的影响，尤其要注意控制桥上无缝 线路的短波和中波不平顺。 参 考 文 献 ［７］胡志鹏，谢铠泽，朱浩，等．高墩大跨桥梁桥墩沉降对桥上 无缝线路的影响［Ｊ］．铁道标准设计，２０１３，５７（１０）：２３—２６． ［８］彭友松．混凝土桥梁结构日照温度效应理论及应用研究 ［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００７． ［９］王毅．预应力混凝土连续箱梁温度作用的观测与分析研究 ［Ｄ］．南京：东南大学，２００６． ［１０］刘柯．高速铁路桥梁结构温度场研究［Ｄ］．长沙：中南大 学，２０１４． ［１１］中华人民共和国铁道部．ＴＢ １０００２．３—２００５ 铁路桥涵钢 ［１］安彦坤，蔡小培，曲村．梁体温差对桥上无缝线路伸缩附加 力的影响研究［Ｊ］．铁道标准设计，２０１１，５５（１０）：１—３． ［２］曲村．高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路设计理论及方 法研究『Ｄ１．北京：北京交通大学．２０１３． 筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［ｓ］．北京：中国 铁道出版社，２００５． 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ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ｃｏｄｅ，ｔｈｅ ｌｏｎｇ ｗａｖｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｉｓ ｎｏｔ ｏｖｅｒｒｕｎ．Ｕｎｄｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｌｏａｄ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｂｅａｍ ｈｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｂｅａｍ ｗｉｄｔｈ，ｍｅｄｉｕｍ ｗａｖｅ ｌｏｎｇｉｕｄｉｔｎａｌ ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｙ ｉｔｓ ｓｌｉｇｈｄｙ ｏｖｅｒｒｕｎ，ｓｈｏｒｔ ｗａｖｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｉｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｃｏｄｅ，ｌｏｎｇ ｗａｖｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｙ ｈａｓｔ ａ ｒｅａｔｇｅ ｍａｒｇｉｎ．Ｕｎｄｅｒ ｕｎｉｆｏｒｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｌｏａｄ，ｌｏｎｇｉｕｄｉｔｎａｌ ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｉｔｅｓ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｗａｖｅ，ｍｅｄｉｕｍ ｗａｖｅ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｗａｖｅ ａｒｅ ａｌｌ ｍｕｃｈ ｓｍａｌｌｅｒ山ａｎ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｒａｉｌｗａｙ ｂｒｉｄｇｅ；Ｒｅｇｕｌａｒｉｙ；Ｎｕｍｅｒｉｔｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ；ＣＷＲ （责任审编 周彦彦）
