青藏铁路不冻泉地区桥上无缝线路梁轨纵向位移试验研究

曾志平^{1, 2}，张向民^{1, 2}，孙永宁³，王雪松¹，陈秀方¹

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 中南大学 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙，410075；

3. 青藏铁路公司，青海 西宁，810007)

摘要：针对青藏铁路不冻泉地区桥上无缝线路梁轨纵向位移开展试验研究与理论分析。研究适合青藏高原恶劣气候环境的梁轨纵向位移自动采集存储系统，对青藏铁路不冻泉地区双片式T型混凝土简支梁桥的梁端纵向位移和梁轨纵向相对位移分别进行为期214 d和134 d的连续测试。对测试数据进行理论分析。研究结果表明：测试期间内，该地区梁体最大日温差为9.28 ℃；现行《铁路轨道设计规范》中关于有砟轨道混凝土梁体日温差的取值以及桥上无缝线路伸缩力与位移的计算方法适用于该地区的桥上无缝线路设计。

关键词：青藏铁路；无缝线路；混凝土简支梁；纵向位移

中图分类号：U213          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)02-0638-05

Experimental study of beam and rail longitudinal displacement of CWR track on bridge in Budongquan region along Qinghai-Tibet railway

ZENG Zhiping^{1, 2}, ZHANG Xiangmin^{1, 2}, SUN Yongning³, WANG Xuesong¹, CHEN Xiufang¹

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Railway, Ministry of Education,

Central South University, Changsha 410075, China;

3. Qinghai-Tibet Railway Company, Xining 810007, China)

Abstract: The experimental research and theoretical analysis about beam and rail longitudinal displacement of continuously welded rail (CWR) track on bridge in Budongquan region along Qinghai-Tibet railway were carried out. An automatic data acquisition and storage system suitable for the severe climate of Qinghai-Tibet plateau was developed. A double T concrete simple-supported beam bridge located in Budongquan region was selected as research object. The beam end displacement and relative displacement between beam and rail were continuously tested for 214 d and 134 d respectively. A systematically theoretical analysis for measured data was carried out based on the tested datum. The results show that the maximal daily temperature range of beam is 9.28 ℃ during the test period. The concrete beam daily temperature range for ballasted railway track and the calculating method of expansion force and displacement for CWR track on bridge are still suitable for the design of Budongquan region CWR track along Qinghai-Tibet railway.

Key words: Qinghai-Tibet railway; CWR track; concrete simple-supported beam; longitudinal displacement

青藏铁路二期工程(格尔木—拉萨段)的建设是西部大开发的一项标志性工程，其平均海拔高度为4.5 km以上，是世界海拔最高、线路最长的高原铁路。沿线气候恶劣、气象灾害频发，经受着高原恶劣自然条件的考验。冬、春季节的冰雪、低温冻害、风沙、冻土，夏季的强降水、雷暴等天气严重影响铁路的正常运输^[1-6]，线路运营维修条件极差。在青藏铁路铺设无缝线路，减少线路维修工作量，是实现以人为本、落实科学发展观的重大举措。2003年，铁道部成立青藏铁路无缝线路研究课题组，在格尔木至望昆之间铺设了3个无缝线路试验段(总长23.854 km)，对季节性冻土地区铺设无缝线路的技术可行性(气温与轨温变化规律、轨道结构型式、道床质量状态、设计参数、焊接工艺等)进行了系统研究^[7-9]，使无缝线路在青藏铁路季节性冻土地区得以逐步推广。鉴于运营过程中季节性冻土地区无缝线路的优越性非常显著，对在青藏铁路绵延550 km的多年冻土地区铺设无缝线路的需求越来越强烈。然而我国目前关于多年冻土地区铁路无缝线路关键设计参数和方法尚不完善。基于此，铁道部于2010年成立青藏铁路多年冻土地区无缝线路研究课题组，并在不冻泉地区(DK977+950~ DK984+100，海拔约4 700 m)铺设了无缝线路试验段，对多年冻土地区气温轨温、梁轨纵向位移、缓冲区轨道纵向位移、长大坡道轨道纵向位移、小曲线半径轨道横向位移等关键参数的变化规律进行系统的试验研究，获得了宝贵的试验数据。本文作者通过连续测量梁端纵向位移、梁轨纵向相对位移随温度、时间而变化的规律，研究现行《铁路轨道设计规范》^[10]中有关桥上无缝线路伸缩力与位移的计算参数和方法对青藏铁路不冻泉地区桥上无缝线路设计适用性。

1  试验方法

由于青藏铁路的桥梁以混凝土简支梁桥为主，故选择简支梁桥梁端纵向位移和梁轨纵向相对位移进行测试。

1.1  梁端纵向位移的测试方法

在相邻两片梁端侧面靠近中性轴处分别沿水平方向安装1个固定支架和1块L型顶铁，将位移传感器的固定端固定在支架上，活动端与顶铁密贴，梁缝宽度随梁体温度变化而改变即表现为位移传感器的伸缩位移，如图1(a)和图1(b)所示。若桥梁墩高较小，则可假定桥墩刚度非常大，梁体产生伸缩变形过程中，墩顶纵向位移可以忽略不计。同时假设固定支座一侧梁端与桥墩之间无相对位移。因此，梁缝宽度变化等于活动支座一侧梁端纵向位移。根据梁端纵向位移、支座摩擦因数、道床阻力等参数即可求得梁体温度变化规律。

1.2  梁轨纵向相对位移的测试方法

选择安装梁端纵向位移传感器正上方的轨道，扒开道砟，在活动支座一侧梁面上安装1个固定支架，再回填道砟。在钢轨轨腰侧面焊接1块L型顶铁，将位移传感器的固定端固定在支架上，活动端与顶铁密贴，梁轨纵向相对位移的变化即表现为位移传感器的伸缩位移，如图1(a)和图1(c)所示。

图1  梁轨纵向位移测试方法

Fig. 1  Test method of beam and rail longitudinal displacement

2  测试系统组成、布置及验证

系统主要由数据采集存储器、控制分析软件、位移传感器、百叶箱、蓄电池、太阳能板等组成。数据采集存储器根据设定的时间间隔定时采集并存储位移传感器的数据，百叶箱能为数据采集存储器提供良好的工作环境，太阳能板利用太阳能源源不断地给蓄电池充电，蓄电池为数据采集存储系统提供稳定的电流，控制分析软件用于数据采集存储器的参数设定、数据提取和分析等。系统布设在不冻泉无缝线路试验段的一座多跨32 m双T型简支梁桥的中跨梁端(桥梁中心里程DK981+677)，如图2所示。

值得注意的是，测试系统所测得的绝对数据并不等于梁缝宽度，若测试系统稳定可靠，则其所测得的数据与梁缝宽度之间有一个比较固定的差值。为了对测试系统所测数据进行标定和验证，课题组于2011-07-31T10:50—2011-08-01T8:50，利用游标卡尺，在安装梁端纵向位移传感器的对应位置，对梁缝宽度进行了1昼夜的人工测试，测量的时刻与测试系统设定的采样时刻一一对应，共获得12组数据。

人工测试数据和测试系统采集数据之差的平均值为56.32 mm。将系统采集的每个数据点加上该值，得到人工测试和仪器测试结果。梁缝日变化规律如图3所示。可见：人工测试和仪器测试结果之差的平均值为0.07 mm，标准差为0.18 mm，呈现了较好的一致性。与气温变化相比，梁缝变化约滞后2 h左右。

图2  梁轨纵向位移测试系统组成及布置

Fig. 2  Components and installation of beam and rail longitudinal displacement

图3  梁缝日变化规律对比

Fig. 3  Comparison of beam gap daily variation

3  试验结果及分析

梁端纵向位移、梁轨纵向相对位移的测试时间分为2010-12-29—2011-08-01，2010-12-29—2011-05-11，共计214 d和134 d，测试系统每2 h自动采集存储1次数据，分别获得数据2 568组和1 608组，结果如图4~7所示。

测试期间内梁轨最大日纵向相对位移为1.43 mm，梁缝日最大变化量为2.89 mm，出现在2010年3月16日。

取支座滑动摩擦因数μ=0.05^[11]，梁质量M=248.4 t^[12]，混凝土线膨胀系数α=1.0×10^-5、弹性模量E=3.6×10⁴ MPa，梁体横截面积A=2.376 m²，桥梁二期恒载V=47.4 kN/m，每轨的道床纵向阻力q=7 kN/m。

图4  梁缝实测值

Fig. 4  Measured values of beam gap

图5  梁缝日变化量

Fig. 5  Beam gap daily variation

图6  梁轨纵向相对位移实测值

Fig. 6  Relative displacement between beam and rail

图7  梁轨纵向相对位移日变化量

Fig. 7  Daily variation of relative displacement between beam and rail

则对于L=32 m混凝土简支梁，梁缝日最大变化量△l₁=2.89 mm，相当于梁体日温差△t₁=9.03 ℃；活动支座摩擦阻力为F_μ=98.8 kN，相当于梁体温度变化△t₂=0.12 ℃；假设道床阻力沿桥梁纵向均匀分布，则相当于梁体温度变化△t₃=0.13 ℃；即梁体实际日温差△t=9.28 ℃(小于规范值15 ℃)。可以计算出其他日期的梁体实际日温差，如图8所示。

图8  梁体日温差

Fig. 8  Daily temperature range of beam

表1  理论计算结果与实测结果对比

Table 1  Comparison of measured and calculated value

根据有关桥上无缝线路伸缩力与位移的计算方 法^[10]，编制计算程序，输入梁体日温差，得到典型日期的理论计算结果与实测结果对比如表1所示。从表1可见：梁端纵向位移的理论计算值与实测值一致，而梁轨纵向相对位移的误差相对较大，但实测值与计算值的基本趋势比较接近。主要原因是梁轨纵向相对位移的测试受外界因素干扰比较大，如列车运行、养护维修等；另外，当桥梁温度变化幅度较小时，若采用常阻力参数计算桥上无缝线路梁轨纵向位移，其计算误差也比较大。

由上述分析可知：在测试期间内，现行《铁路轨道设计规范》中有关混凝土桥梁梁体日温差的取值，以及桥上无缝线路伸缩力与位移的计算方法仍适用于青藏铁路不冻泉地区桥上无缝线路设计。

4  结论

(1) 梁轨纵向位移自动采集存储系统可以获得连续、可靠的试验数据，大大提高了测试效率，降低了人工试验风险。

(2) 在测试期间内，现行《铁路轨道设计规范》中关于有砟轨道混凝土梁体日温差，以及桥上无缝线路伸缩力与位移的计算方法适用于青藏铁路不冻泉地区桥上无缝线路设计。

(3) 在试验过程中，由于灰尘、雨雪等环境的影响，位移传感器容易卡死，尤其是梁轨纵向相对位移传感器。梁端纵向位移和梁轨纵向相对位移的测试分别持续了214 d和134 d，今后应改进位移传感器的选型，提高防尘等级，并做好防雨雪保护。

(4) 本次试验仅对不冻泉地区双片式T型混凝土简支梁桥进行了试验研究与分析，青藏铁路其他多年冻土地区以及其他型式桥梁(如钢梁)的梁轨纵向位移规律有待进一步研究。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2013-06-14；修回日期：2013-08-28

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50908236，U1334203，U1361204，51378513)；中南大学教师研究基金资助项目(2013JSJJ021)；铁道部科技研究开发计划项目(QZ2010-G01，2010G026)

通信作者：曾志平(1975-)，男，湖南宁乡人，博士，副教授，从事铁路无缝线路及列车-线路耦合动力学研究；电话：13203138358；E-mail：hzzp7475@126.com