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若取梁相对于桥墩或桥台向 3 号台方向移动为 正 ,反之为负 ,则在降温区间从活动支座向固定支座 方向 ,各支座的相对位移值分别为 0. 722 , - 0. 242 , 0. 873 , - 0. 276 ,1. 495 , - 0. 407 mm 。在降温过程 中各固定支座均相对 0 号台侧移动 ,活动支座均相 对向 3 号台侧移动 ,即主梁在降温过程中处于相对 收缩阶段 。由于降温时 ,各墩顶位移均指向 0 号台 侧 ,因此以 3 号台侧边跨主梁两端的两支座位移最 大 。固定支座存在的位移量 ,可能是由于支座装配 间隙引起的 。对支座及墩顶位移相互关系进行综合 考虑 ,可绘制全桥墩顶及支座实测位移示意 ,见图 5 。按图 5 可计算出 ,由秦皇岛侧至沈阳侧 3 片梁在 考虑纵向约束后的收缩量分别为 - 1. 375 , - 1. 363 , - 1. 277 mm (负号表示主梁相对缩短) ,实测 3 片梁 总的收缩量为 - 4. 015 mm 。 3. 3 墩身应力测量
3 温度伸缩力测试 3. 1 与伸缩力有关的温度测试
温度伸缩力试 验从 2002 年 12 月 29 日上 午 9 :00时起至次日上午 9 :00 止 ,每 4 h 测量 1 次 。钢 轨及主梁温度测量采用高精度点温计进行测量 ,大 气温度采用 2 支水银温湿度计进行测量 。试验实测 环境 、主梁和钢轨日温度变化曲线绘于图 2 。实测 最大日环境温差为 - 14. 0 ℃,实测最大主梁温差为 - 5. 5 ℃,最大钢轨温差为 - 14. 7 ℃(温差以升温 为正 ,降温为负) 。轨温对环境温度的敏感性较大 。
2 梁轨一体化模型构造 参考《时速 200 公里新建铁路线桥隧站设计暂
行规定》(以下简称《暂行规定》) 的规定 ,采用有限元 程序构造轨道与桥梁共同作用力学模型[2] ,模型构 造示意见图 1 。
图 1 线桥统一结构计算模型示意
计算模型中桥头两侧路基上钢轨长度取为 L + 40 m = 72 m 。道碴层等效为带刚度的连杆 ,连杆距 离ΔL = 1 m ,连杆刚度由道碴纵向位移阻尼系数 R
- 6. 09 M Pa ,发生在第三跨 3/ 4 跨钢轨截面 ,相应
钢轨伸缩力分别为 58. 6 kN 、- 47. 1 kN 。从 0 号台
至 3 号台 ,在降温过程中 ,4 个伸缩缝处的钢轨所受
温度伸缩力分别为 91. 0 ,81. 4 ,117. 2 , - 29. 2 kN/
线 ,以拉力为正 。
收稿日期 : 2005 - 04 - 30 作者简介 : 彭旭民 (1972 - ) ,男 ,工程师 ,1996 年毕业于武汉城市建设学院城市道路与交通工程系桥梁专业 ,工学学士 。
桥上无缝线路温度伸缩力的分析与研究 彭旭民 ,荆秀芬
和 H 换算而得 。主梁为梁单元 ,跨径 32 m 梁单元 布置在梁体中性轴上 ,其与上部道碴及下部支座的 距离分别用上刚臂及下刚臂等效代替 。桥墩简化为 梁单元 ,为与支座相连 ,桥墩顶面设置一水平刚臂 , 支座置于刚臂上 。墩 、梁的截面参数按实际尺寸 确定[3 ] 。
轨线路 。桥上无缝线路 ,具有减轻车轮对桥梁的冲 击 ,改善车桥的运营条件 ,减少养护维修工作量等优 点 。但桥上无缝线路受力情况与路基上存在明显不 同 :在温度荷载的作用下 ,不仅钢轨因约束作用 ,不 能自由伸缩 ,在其内部产生很大的作用力 (称为温度 力) ,且钢轨还受到梁伸缩引起的相互作用力 (称为 伸缩力) 的作用[1] 。通过试验确定桥上无缝线路伸 缩力的大小 ,并在此基础上建立可用于伸缩力计算 的线桥一体化模型是高速铁路桥上无缝线路温度伸 缩力分析与研究的一个重要目的 。本文介绍了对无 缝线路固定区某三跨简支梁桥上温度伸缩力进行的 试验研究成果 。
由图 3 可知 ,在温度升高阶段 ,1 、2 号墩顶均向 3 号台侧作相对移动 ;在温度下降阶段 ,1 、2 号墩顶 均向 0 号台侧作相对移动 。在 1 个周期的测量时间 内 ,最大升温测量时段为 12 月 30 日凌晨 5 :00 至上 午 9 :10 ,对应温度升幅为 8. 7 ℃,该时段 1 、2 号墩 墩顶位移分别为 0. 233 mm 、0. 398 mm 。最大降温
P EN G Xu2mi n1 ,2 , J I N G Xiu2f en1
(1. Bridge Science Research Instit ute L td. , China Zhongtie Majo r Bridge Engineering Group , Wuhan 430034 , China ; 2. Instit ute of Civil Engineering , To ngji U niversity , Shanghai 200092 , China)
自由轨的测值实际上代表了无缝线路固定区在
实际测量周期内钢轨温度应力的变化过程 ,见表 2 。
℃时 ,钢轨伸缩力除在 3 号台顶外 ,其余各伸缩缝处
均表现为拉力 ,且均为应力变化峰值点 ,而跨中处均
表现为压力 ,除第三跨跨中外也为应力变化峰值点 ,
第三跨压应力峰值点位于 3/ 4 跨处 。在降温过程
中 ,实测钢轨最大相对拉应力为 7. 56 M Pa ,发生在
2 号墩墩顶钢轨截面 ,实测钢轨最大相对压应力为
Abstract : The result s of test st udy of temperat ure expansio n force at fixing zo nes of t he jointless t rack o n deck of a 32span high2speed railway simply2supported girder bridge are p resen2 ted. Based o n field measurement s and t heoretic calculatio n , t he dist ributio n of t he temperat ure expansio n force o n piers , abut ment s and steel rail s of t he bridge is analyzed.
墩身底截面应力采用表面电阻应变片进行测 量 。实测墩身底截面应力结果表明 :在升温时 ,1 号
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桥梁建设 2006 年第 1 期
图 5 实测全桥墩顶及支座位移示意
及 2 号墩身所受温度水平力均指向 3 号台方向 ;而 在降温阶段 ,墩身所受温度水平力指向 0 号台方向 。 在实测日温度下降区间 ,根据应变测量结果进行的 计算表明 : 1 、2 号墩身 所受 的相 对水 平力 分别 为 55. 4 kN 、60. 2 kN 。与按墩顶位移及实测桥墩纵向 刚度计算的温度下降区墩身所受的相对水平力45. 4 kN 、62. 2 kN 相比 ,两种测量途径的最终测量结果 基本吻合 。 3. 4 钢轨应力
由图 2 及图 3 ,由于 1 个测量周期 (24 h) 内升温 时段只 8 h 左右 ,因此墩顶位移变化曲线与温度变 化曲线一样在升温阶段变化较快 。在降温阶段从下 午 3 :00 至晚 21 :00 时 ,墩顶位移变化速率较大 ,此 后墩顶位移变化趋于平缓 。图 4 表明 ,墩顶位移基 本与温度呈比例变化 ,且 1 号墩的变化斜率略大于 2 号墩 ,这与实测 1 号墩墩顶纵向水平刚度大于 2 号墩是相符合的 。
图 2 环境 、主梁及钢轨日温度变化曲线
3. 2 墩顶及支座位移测量 墩顶位移及支座纵向位移均采用电子位移计进
行测量 。图 3 及图 4 分别为根据测量结果绘制的墩 顶位移时程曲线及 1 个测量周期内温度～墩顶位移 变化曲线 。图中位移测量值以 12 月 29 日上午9 :00 时的测值为基准 ;墩顶位移以向 3 号台侧相对移动 为正 ,以向 0 号台侧相对移动为负 。
摘 要 : 介绍了高速铁路三跨简支梁桥上无缝线路固定区温度伸缩力的试验研究成果 ,通过 实测及理论计算 ,分析了温度伸缩力在墩台及钢轨上的分布情况 。
关键词 : 无缝线路 ;简支梁桥 ;应力 ;位移 ;温度 ;测试 ;计算
中图分类号 : U213. 9
文献标识码 : A
Analysis and Study of Temperature Expansion Force of Jointless Track on Bridge Deck
Key words : jointless t rack ; simply2supported girder bridge ; st ress ; displacement ; tempera2 t ure ; measurement ; calculatio n
1 概 述 无缝线路是把标准长度的钢轨焊接而成的长钢
在桥上无外荷载作用 ,实测钢轨伸缩应力值随
图 6 全桥钢轨伸缩应力变化曲线
温度变化而波动 ,无论升温或降温过程 ,三跨简支梁 桥上钢轨应力峰值均出现在伸缩缝或简支梁跨中附
近部位 。对于同一温差引起的钢轨应力值 ,全桥钢 轨伸缩力图受压区及受拉区的面积基本相同 ,这是 符合梁轨相互作用原理的 。表 1 列出了桥上关键点 处从降温起点至降温止点实测应力相对变化幅值 。
气温变化时 ,固定区钢轨本身只有温度力的变 化而无位移 ,主梁则会发生伸缩变化 。固定区钢轨 温度力产生的钢轨应力通过应变测量方法难于直接 观测 ,而固定区钢轨产生的温度力仅与轨温变化幅 度及钢轨横截面积有关 ,因此根据自由轨在温度荷 载作用下的伸缩量 ,即可推算温度力在固定区钢轨 上产生的应力值 。主梁伸缩将带动桥上及两端路基 上一定范围内的钢轨发生位移 ,从而在钢轨内部产 生由于伸缩力引起的应力 。由于存在钢轨的相对移 动 ,可通过测量钢轨应变 ,确定伸缩应力的大小 。钢 轨应力测点沿桥轴向布设间距为 4 m ,采用标距为 500 mm 的手持式应变仪测量 ,同时在 1 根自由轨 上布置温度力测点 。图 6 为根据实测结果绘制的全 桥钢轨伸缩应力随时间变化曲线 (计算基准为 12 月 29 日 9 :00) 。图中应力值为主梁温度伸缩力对钢轨 产生的相对附加应力值 ,而不包括钢轨温度力产生 的应力值 。
