跨座式单轨轨道梁梯度温度效应研究

 张宪国

 （中铁第四勘察设计院集团有限公司  武汉430063）

摘要  参照国内外7种规范对温度梯度的规定，以跨座式单轨常用的日立车型对应的轨道梁为基础进行计算和分析比较，结果显示，不同规范计算出的温度效应差异较大，最大的与活载相当，设计中应特别重视。在设计跨座式单轨轨道梁这种无铺装的结构时，除了采用跨座式单轨规范计算外，还应多选择几种符合实际情况的温度梯度曲线进行验算，以确保结构受力安全。

关键词  跨座式单轨  温度梯度  轨道梁  应力

 桥梁结构长期受自然界气温的变化与日照辐射、寒冷骤降温等作用，由于混凝土材料导热系数小，使桥梁表面温度迅速上升或降低，而结构内部温度仍处于原来状态，从而使结构各部分处于不同的温度状态。由此产生的温度变形，当被混凝土结构的纤维变形约束时，会产生较大的温差应力。如果设计和施工中不加考虑，或在混凝土养护过程中没有严格按照要求，温度应力就很有可能导致桥梁结构薄弱部位的裂缝。根据进一步的研究发现，铺装层对桥梁结构的温度场有一定的折减作用，若结构无铺装层，则其温度效应必然较大。

 跨座式单轨是现代化城市快速轨道立体交通的一种新形式。轨道梁作为跨座式单轨的核心技术之一，既是承载的梁，又是列车运行的轨道，梁面无铺装层，直接裸露在外，在日照温度下，其梯度温度效应如何是本文的研究重点。本文以跨座式单轨常用的日立车型对应的轨道梁为基础，通过对国内外几种规范所规定的温度梯度模式的计算和分析比较，给出有关建议和结论。

1  国内外设计规范中有关梯度温度的规定

 由于跨座式单轨轨道梁表面无铺装，故选取以下规范中无铺装情况下的温度模式做对比研究。

 美国规范、我国公路桥涵设计规范和澳大利亚规范中的正温差梯度模式均采用双折线模式，美国AASHTO规范分为3种情况：未铺设铺装层、铺设50 mm或100 mm厚度的沥青桥面。

 我国公路桥涵设计通用规范直接采用美国规范中2区的规定。

 澳大利亚规范仅有未铺设铺装层时一种温差梯度模式。

 新西兰桥梁规范NZBM - 2003中的正温差梯度模式为5次幂函数模式，分为桥梁上未铺设铺装层或铺设黑色沥青层2种情况。

 我国铁路规范只规定了箱梁的温差分布模式，采用指数函数表示，对于无碴箱梁需要分别考虑沿梁高方向的温差荷载和2个方向的组合温差荷载。

 法国规范规定，桥面板厚度内采用10℃的线性规律变化，且温度梯度与恒载、收缩徐变等荷载组合使用，当全部荷载（包括活载和冲击力）作用时，采用5℃的梯度变化。

 我国跨座式单轨交通设计规范规定混凝土结构不均匀日照温差可按±3℃考虑。

表1及图1～图6为各国规范对于无铺装混凝土梁的温度模式的规定。

 由以上各国规范可以看出，梯度温度作用主要考虑了沿梁高方向的变化，主要有折线形与抛物线形2种非线性模式。不同规范中梯度温度特征值差别较大，新西兰规范特征值最大，我国跨座式单轨规范特征值最小。对于沿梁宽方向的温度梯度，只在我国铁路桥涵设计规范中有所考虑。

2计算模型及结果分析比较

2.1模型简介

 以跨座式单轨常用的日立车型对应的轨道梁为例，选取常用的22 m跨度，利用Midas/Civil建立空间模型进行温度应力分析。

轨道梁截面尺寸：1.5 m（高）×0.85 m（宽），见图7，材料采用C60混凝土，采用梁单元模拟，划分26个单元，边界条件采用一般支撑，整体模型见图8。

2.2计算结果

由于我国公路桥涵设计通用规范直接采用美国规范中2区中的规定，因此没有达到规范的结果无需列出，与我国公路规范相同。由于计算模型为简支结构，故温度效应结果仅列跨中部分，梯度降温仅给出我国规范的计算结果。不同梯度曲线温度应力见表2、表3和图9，正值表示拉应力，负值表示压应力。

2.3结果分析

 (1)梯度温度产生的主梁上缘拉应力较大，最大的为我国公路桥涵规范，达到6. 33 MPa，与活载的6. 53 MPa相当。

 (2)工况1～工况5计算所得的主梁上缘应力较为接近，而工况5、工况6较为接近，但明显小于前5个工况。

 (3)对筒支结构而言，梯度升温对主梁上缘产生拉应力，而降温产生压应力。

3结论

 (1)梯度温度对跨座式单轨轨道梁这种无铺装的桥梁结构的影响很大，在梯度升温模式下，梁顶局部应力可达6. 33 MPa，与活载影响相当，设计时应特别重视。

 (2)各国规范对于梯度温度的规定差别较大，不同规范中梯度温度特征值差别较大，我国公路规范、铁路规范、美国规范，澳大利亚规范及新西兰规范的计算结果较为接近，但明显大于我国跨座式单轨规范及法国规范。因此，在设计跨座式单轨轨道梁这种无铺装的结构时，除了采用跨座式单轨规范计算外，还应多选择几种符合实际情况的温度梯度曲线进行验算，以确保结构受力安全。在混凝土结构设计中，宜适当降低预应力度，增设普通钢筋，增强结构的抗裂性能，有效控制温度裂缝。

 (3)对简支结构而言，梯度升温工况为控制设计的主要因素之一。