高墩大跨桥梁桥墩沉降对桥上无缝线路的影响

胡志鹏，谢铠泽，朱 浩，王 平

(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)

高墩大跨桥梁桥墩沉降对桥上无缝线路的影响

胡志鹏，谢铠泽，朱 浩，王 平

(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)

针对高墩大跨桥梁桥墩工后沉降对桥上无缝线路的影响，以某高墩大跨桥梁为例，通过有限元方法，建立线-桥-墩一体化模型，分析桥墩不均匀沉降和均匀沉降对钢轨纵向力、线路高低不平顺以及墩台受力的影响。计算结果表明：钢轨的纵向力、高低不平顺幅值均随着桥墩沉降位移的增加而有所增加;桥墩的不均匀沉降15 mm和30 mm对桥墩受力的影响很大，以及在左右侧桥台处受力也比较大，因此，在设计时应予以考虑。均匀沉降量较大时，会使线路容易失稳。

大跨度桥梁;高墩;沉降;无缝线路;稳定性

1 概述

近年来，随着铁路建设的快速发展和桥上铺设无缝线路技术的提高［1-3］，桥梁在线路中所占的比例逐渐增大，线路不可避免地需要跨越交通干线、陡峭峡谷以及宽广河流等特殊地段，为了满足线路跨越横穿这些地段的要求，大量的高墩大跨桥梁(如高墩大跨连续刚构桥、长联高墩连续梁桥及多跨高墩简支梁桥等)相继在线路修建中出现［4］，在这些桥梁结构上铺设无缝线路以后，桥上无缝线路的受力、桥梁结构的受力变形及线桥之间的相互影响规律都将会与普通简支连续梁桥有较大的差别。因此，由高墩、大跨引起的桥上无缝线路问题应该受到重视。主要针对桥墩沉降进行计算，由于桥墩本身及基础的不同，可能会出现均匀沉降和不均匀沉降，通过有限元建立连续刚构桥计算模型［5］，主要讨论桥墩发生沉降对高墩大跨桥上无缝线路的受力、高低不平顺及其稳定性的影响［6-9］。

2 计算原理和模型

2.1 计算原理

(1)梁轨相互作用原理

任取一微段dx长的钢轨为自由体来分析其平衡条件，如图1所示。设钢轨以受拉为正，x坐标以向右为正，梁的位移Δ和钢轨位移y均以向右为正。梁、轨相对位移z=y-Δ。

以r(z)表示梁、轨间的纵向约束阻力，为作用于钢轨和梁上的纵向分布荷载，当z为正时，r(z)取正号，指向左侧。

由钢轨作用力平衡条件有

由钢轨变形条件有

从而有

将式(4)代入式(3)中得梁轨相对位移微分方程［10］

式中，E为钢轨钢弹性模量;F为钢轨截面积;Δ为梁的位移。

(2)高墩大跨桥上梁轨相互作用特点

高墩大跨桥上无缝线路有着高墩和大跨两个显著特点，高墩结构对无缝线路受力变形有一定的影响。虽然高墩大跨桥上无缝线路的梁轨相互作用原理与普通桥上无缝线路的原理一样，但引起梁轨相互作用的原因不同，不再仅仅是桥梁的温度变化、列车荷载等因素，而是还需考虑桥墩的温度变化、风荷载的作用以及地基沉降等原因产生的梁轨相对位移。本文中考虑桥墩沉降，当墩底发生竖向沉降时，将带动梁体发生竖向弯曲，进而引起轨排的竖向不平顺;连续刚构梁两端因为弯曲作用产生纵向位移，引起梁轨相互作用，产生钢轨附加力。

2.2 线-桥-墩一体化计算模型

建模计算中，一般将桥墩简化为弹簧阻力模型，但对于高墩大跨桥上无缝线路而言，这种简化模型没有将桥墩、梁体及桥上线路进行耦合，不能分析出桥墩沉降对桥上无缝线路的具体影响，因此，这种模型具有一定的局限性。本文依据梁轨相互作用原理，建立分析桥墩沉降的线-桥-墩一体化模型。利用有限元软件建模，考虑到梁体、桥墩控制截面的渐变，梁和桥墩采用beam188单元模拟，并用有限元实体梁建模［11］。钢轨用beam188单元模拟。道床纵向阻力采用非线性弹簧单元combin39模拟，为了消除模型计算中的边界效应，需在桥梁左右桥台外侧建立一定长度的路基。

3 桥墩沉降对无缝线路的影响

某大桥全桥位于平坡直线地段，桥跨布置形式为(89+189+89)m连续刚构桥梁+(33+56+33)m连续梁，桥墩最高达103 m，以该桥为例进行计算分析。总布置图如图2所示，桥上铺设有砟轨道无缝线路，全桥铺设常阻力扣件，不设钢轨伸缩调节器。轨枕支撑刚度采用半枕支撑刚度为120 kN/mm，扣件竖向及横向刚度均采用50×106kN/mm。

图2 某大桥总体布置

3.1 桥墩不均匀沉降对无缝线路的影响

不均匀沉降可分为其中某一个桥墩发生沉降，其他桥墩不发生;或者所有桥墩均发生沉降但存在沉降差两种工况。根据规范规定，对于桥上有砟轨道，墩台均匀沉降不得超过30 mm，不均匀沉降不得超过15 mm，沉降差不超过15 mm;10 m弦长的轨道高低不平顺幅值不超过2 mm［12］。首先分析计算上述2种工况，并比较计算结果。工况1为仅1号桥墩发生15 mm的沉降量，工况2为1号桥墩发生30 mm的沉降量，2号～5号桥墩发生15 mm的沉降量。图3对2种工况的计算结果进行了比较。

从图3的计算结果可见，当桥墩都发生沉降且沉降差一定时，钢轨的纵向附加力、高低不平顺幅值均比单个桥墩发生沉降位移时的值要大，而其对应的不平顺波长(将钢轨绝对位移经过傅里叶变换得到不平顺波长)比单个桥墩发生沉降位移的值要小，所以容易发生无缝线路稳定性的问题，因此，各桥墩均发生沉降位移时所对应的工况对高墩大跨桥上无缝线路更为不利。基于此点，下面着重计算各桥墩均发生沉降时的工况。

图3 工况1与工况2计算结果

由于沉降差存在多种可能性，根据规范规定的均匀沉降限值及沉降差限值，本文仅考虑单个桥墩的沉降量比其他桥墩沉降多15 mm时的情况，分以下5种工况进行计算分析，5种工况如表1所示。

通过对5种工况的计算，得到的计算结果如图4及表2所示。

表1 工况说明

图4 各种工况计算结果对比

表2 墩顶纵向力计算结果 kN

从图4(a)中可以看出，工况1对应的钢轨拉力最大值为118 kN，工况5对应的钢轨压力最大值为74 kN。由于最大钢轨压力的位置与桥梁梁体升温的位置不在同一位置，因此，钢轨受力不具有叠加的性质，只是钢轨的拉力与桥梁降温时钢轨的拉力位置大致相同，可以叠加。这说明桥墩在限值范围内的不均匀沉降不会引起钢轨强度问题。

从图4(b)中可看出，工况4与工况5有个别位置出现高低不平顺幅值大于规范规定的值2 mm［12］，所以桥墩不均匀沉降会造成线路的不平顺超限。因此在分析桥墩沉降对线路的影响时，应该分析由于沉降造成的线路高低不平顺幅值。在图4(c)中可看出，各种工况的不平顺波长相差很小。

从表2结果看出，无论哪种工况都对桥墩的纵向受力影响很大，不均匀沉降15、30 mm主要影响的是刚构桥的墩台纵向受力，这主要是因为刚构桥2个桥墩是固结的，而且高度及刚度均相差较小。也是该原因导致左侧桥台的钢轨附加力最大。

下面针对表2中工况1下的钢轨竖向变形来计算稳定性，轨排结构示意如图5所示，主要是通过计算轨枕的竖向位移判断是否出现稳定性问题，判断的依据是当轨枕的竖向位移大于由轨枕和钢轨自重引起的竖向位移时，即判定无缝线路丧失稳定性。通过有限元建模计算，由于轨枕及钢轨自重作用下的下沉量为0.026 34 mm，对钢轨施加温度荷载时，当轨枕竖向位移达到0.026 34 mm时轨道结构失稳，当横向位移达到2 mm时，对应的温度为94.7℃，通过稳定性的有限元模型，计算结果见图6。

图5 轨排结构示意

图6 温度-位移曲线

从图6可以看出，轨温在95.3℃时，轨枕竖向位移达到0.026 mm，因此，在横向发生失稳之前，竖向稳定性未遭到破坏，因此，桥墩的不均匀沉降在该工况下不会造成竖向稳定性的问题。

3.2 桥墩均匀沉降对无缝线路的影响

从上面计算结果中可以看到，轨道的纵向力、不平顺幅值会随着桥墩沉降量的增加而增加，因此，在均匀沉降中，仅计算所有桥墩沉降量达到规范规定的限值30 mm的工况。

图7为各桥墩均沉降30 mm对应的计算结果。

图7 计算结果

由图7(a)可看出最大的拉力为172.19 kN，比不均匀沉降中计算的5种工况中最大的拉力118 kN还大，这也证明了沉降量越大，钢轨的纵向附加力就越大。

从图7(b)中可以看出，在个别点处，桥墩均匀沉降会引起无缝线路的高低不平顺幅值超限。结合图4(c)和图7(c)看出，均匀沉降与不均匀沉降的不平顺波长相差不大。

从表3中看出，桥墩均匀沉降仍然主要影响刚构桥桥墩的纵向受力，对连续梁桥的影响比较小。

表3 各桥墩均沉降30 mm墩顶纵向力 kN

对该段线路的稳定性计算结果如图8所示。

图8 温度-位移曲线

从图8可以看出，当轨温升高到93.2℃时，轨枕竖向位移达到0.026 mm，与不均匀沉降相比，其临界温度值降低了2.1℃，就线路丧失稳定性时的临界温度值而言，均匀沉降要比不均匀沉降的临界值低，所以均匀沉降会容易使线路失稳。

4 结论和建议

通过上面计算可以得到以下结论和建议:

(1)钢轨的纵向力、高低不平顺矢度等均随着桥墩沉降位移的增加而有所增加，钢轨纵向力的增加不会引起钢轨强度问题;

(2)桥墩的均匀沉降30 mm与不均匀沉降15、30 mm，都会导致线路个别位置处轨道高低不平顺幅值超限，因此，在设计高墩大跨桥上无缝线路时，应该注意桥墩沉降引起的轨道不平顺问题;

(3)桥墩的不均匀沉降15 mm和30 mm对桥墩受力的影响很大，以及在左右侧桥台处受力也比较大，在设计时应予以考虑;

(4)均匀沉降量较大时，会使线路容易失稳，为了线路的安全运行，需要进行必要的加强措施，控制桥墩的均匀沉降;桥墩的均匀沉降对桥梁本身的影响比较小。

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Effect on Continuous Welded Rail Caused by Bridge Pier Settlement of Large-Span Bridge with High-rise Piers

HU Zhi-peng，XIE Kai-ze，ZHU Hao，WANG Ping
(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Considering that the bridge pier settlement after acceptance has effect on the continuous welded rail，this thesis took the large-span bridge with high-rise piers as an example，and established a track-bridge-pier integration model according to the finite element method.And then，the effects on the steel rail's longitudinal force，on vertical irregularity of the track，and on the stress states of pier and abutment were analyzed，which were caused by bridge pier uniform settlement and uneven settlement respectively.The results show that the rail longitudinal force and the amplitude of track vertical irregularity will increase with the increasing of the bridge pier settlement.The 15mm and 30mm uneven settlements of bridge pier have large effects on the stress state of bridge pier，also on the right and left bridge abutments.So this problem should be taken into account in bridge design.Moreover，a greater uniform settlement of bridge pier will weaken the stability of the track.

large-span bridges;high-rise pier;settlement;continuous welded rail;stability

U441+.7

A

1004-2954(2013)10-0023-04

2013-03-16;

2013-03-22

国家自然科学基金委高铁联合基金重点项目(U1234201)

胡志鹏(1990—)，男，硕士研究生，E-mail:779355629@qq.com。