二期恒載對高速鐵路連續(xù)箱梁變形影響分析

鐘昌衛(wèi)

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

我國高速鐵路設(shè)計時速都在200 km以上,最高設(shè)計時速達(dá)到350 km,部分線路試運行速度達(dá)到了400 km以上,要保證如此高速度運行列車的安全性、舒適性,其運行線路必須具備很高的平順性、穩(wěn)定性[1]。當(dāng)今我國高速鐵路主要采用無砟軌道,其具有平順性高、剛度均勻、后期養(yǎng)護維修工作量少等優(yōu)點,但由于其運營期間線路平順性只能通過軌道扣件進行調(diào)整,且調(diào)整量有限,因此在高速鐵路線路中占據(jù)絕對比例且承載無砟軌道的橋梁結(jié)構(gòu)的變形控制就顯得尤為重要[2,3]。預(yù)應(yīng)力混凝土梁的變形主要由混凝土收縮變形、徐變變形、溫度變形等組成,其中徐變變形影響最大。我國《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》對鋪設(shè)無砟軌道的橋梁結(jié)構(gòu)徐變變形提出了嚴(yán)格的要求：“L≤50 m 時,豎向變形不得大于10 mm；L>50 m 時,豎向變形不得大于L/5 000或20 mm”[4-5]。

影響預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁徐變的因素眾多,其中內(nèi)部因素包括骨料種類、水泥品種、配合比、水灰比、外加劑、構(gòu)件外形尺寸、攪拌搗固、養(yǎng)護時間、濕度、溫度,外部因素有環(huán)境濕度、溫度、環(huán)境介質(zhì)、加載或干燥齡期、荷載持續(xù)時間、荷載循環(huán)次數(shù)、卸荷時間、應(yīng)力分布、應(yīng)力大小、加荷速度等[6]。各國規(guī)范中在徐變系數(shù)選用時多以加載齡期、相對環(huán)境平均濕度和構(gòu)件理論厚度為主要參數(shù)。高速鐵路橋梁設(shè)計及施工過程中較為關(guān)注的是橋上軌道結(jié)構(gòu)(即二期恒載)鋪設(shè)后梁體的豎向變形,即殘余變形,該殘余變形直接影響到軌道的平順性。預(yù)應(yīng)力混凝土梁殘余變形包括：混凝土徐變變形、混凝土收縮變形、預(yù)應(yīng)力長期損失引起的彈性變形恢復(fù),其中混凝土徐變變形為其豎向殘余變形的主要部分。

2 連續(xù)箱梁變形隨時間變化發(fā)展趨勢

以滬杭高速鐵路(60+100+60) m懸臂澆筑施工連續(xù)梁為例,該梁為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12.0 m,底寬6.7 m。各控制截面梁高分別為：端支座處及邊跨直線段和跨中處為4.85 m,中支點處梁高7.85 m,梁底下緣按圓曲線變化,頂板厚40 cm,腹板厚分別為60 cm、80 cm、100 cm,底板按40 cm至120 cm線性變化；全橋共設(shè)5道橫隔梁,分別設(shè)于中支點、端支點和中間跨跨中截面,懸臂澆筑節(jié)段長度4～5 m。在自身恒載作用下,其跨中變形隨時間變化趨勢如圖1所示。

圖1 梁體變形發(fā)展趨勢曲線

從圖1可以看出：隨著計算齡期的增加,連續(xù)梁合龍后中跨跨中上拱,且變形隨著時間的增長呈增大的趨勢,先期變形發(fā)展較快,而在后期變形發(fā)展趨于緩慢[7]。

3 二期恒載對連續(xù)箱梁變形的影響

3.1 二期恒載對連續(xù)梁變形影響定性分析

以往研究表明：恒載作用下截面應(yīng)力水平以及梁體恒、活載設(shè)計彎矩比值是影響梁體豎向徐變變形的關(guān)鍵因素。二期恒載作用前后各截面的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生較大變化；為了解它對梁體長期變形的影響,仍以滬杭高速鐵路(60+100+60) m 懸臂澆筑施工連續(xù)箱梁為例,自橋梁中跨合龍(終張拉)起,分別就考慮和不考慮二期恒載情況下梁體長期變形進行分析。本設(shè)計二期恒載P=157 kN/m,上橋時間按預(yù)加應(yīng)力后60 d計算,理論計算殘余徐變拱度值10年后上拱4.3 mm。如圖2所示。

圖2 梁體長期變形對比

從梁體長期變形對比圖2可以看出：

(1)在二期恒載作用下,連續(xù)梁中跨長期變形量明顯降低,中跨跨中截面變形降低75.4%,具有顯著降低梁體跨中徐變上拱的作用,其原因為二期恒載引起的中跨徐變等變形與底板預(yù)應(yīng)力束效應(yīng)反向；

(2)二期恒載對于邊跨的變形影響相對較小。

3.2 二期恒載大小對梁體變形的影響

本文前面提到：恒載作用下截面應(yīng)力水平以及梁體恒、活載設(shè)計彎矩比值是影響梁體豎向徐變變形的關(guān)鍵因素。二期恒載作用前后各截面的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生較大變化,不同大小二期恒載作用后連續(xù)箱梁各截面應(yīng)力狀態(tài)不同,其梁體殘余變形也不同,二期恒載分別為135、145、157、165 kN/m時，(60+100+60) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨中理論計算殘余變形詳見表1。

表1 不同二期恒載作用下梁體變形對比

從表1中可以看出,理論計算殘余徐變在一定范圍內(nèi)隨二期恒載的變大逐漸減小,這是因為二期恒載產(chǎn)生的跨中變形與連續(xù)箱梁底板束產(chǎn)生徐變上拱方向相反。因此,在二期恒載確定的情況下,設(shè)計中如何合理的配置連續(xù)箱梁的預(yù)應(yīng)力束使梁體截面上、下緣應(yīng)力在預(yù)應(yīng)力及恒載作用下盡量接近是控制連續(xù)箱梁后期殘余變形的關(guān)鍵[8]。

3.3 二期恒載上橋時間對梁體變形的影響

影響高速無砟軌道橋梁平順性的是軌道鋪設(shè)后梁體變形,即殘余長期變形；由于后期徐變變形與彈性變形是密切相關(guān)的,產(chǎn)生彈性變形的外荷載包括先期自重、預(yù)應(yīng)力及后期二期恒載等。隨著二期恒載上橋時間的推移,前期徐變變形完成量不斷增加,而由于二期恒載作用時混凝土齡期已足夠長,不同上橋時間對該部分荷載本身引起的徐變變形影響相對較小。二期恒載不同上橋時間對梁體殘余變形影響對比如圖3所示。

圖3 二期恒載不同上橋時間梁體變形

從圖3可以看出：二期恒載的上橋時間對于中跨變形影響較大。隨著二期恒載上橋時間的推移,中跨的殘余變形逐漸變小,因此,合理確定二期恒載上橋時間對于控制梁體殘余變形至關(guān)重要,目前設(shè)計中一般情況下均按終張拉完成后60 d加載二期恒載設(shè)計。設(shè)計實踐表明,通過嚴(yán)格控制階段混凝土質(zhì)量和各階段預(yù)應(yīng)力束張拉,按照終張拉完成后60 d開始施工橋面二期恒載,其梁體長期殘余變形可以控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)[9]。

3.4 二期恒載施工時間對梁體變形的影響

在設(shè)計計算中考慮二期恒載上橋時間時,一般為在橋梁合龍后某時刻一次性作用的情況,實際施工中橋上二期恒載施工具有一定的時間(過程)[10]。以(60+100+60) m 連續(xù)箱梁為例,分別按合龍后60 d一次作用和1～60 d分階段作用的情況,對梁體殘余變形進行計算,結(jié)果對比詳見圖4。

圖4 二期恒載不同加載時間梁體變形對比

從圖4可以明顯看出,二期恒載的施工時間對連續(xù)箱梁殘余變形有影響,相當(dāng)于二期恒載上橋時間提前,導(dǎo)致梁體殘余變形增大。在實際施工中,應(yīng)按設(shè)計所要求的上橋時間施工二期恒載部分工程,以確保梁體的變形滿足相關(guān)要求。

3.5 二期恒載施工順序?qū)α后w變形的影響

對于鋪設(shè)無砟軌道的高速鐵路橋梁,其殘余變形定義為自無砟軌道精調(diào)后發(fā)生的橋梁長期變形；一般情況下主要考慮由于混凝土徐變等因素引起的。實際施工中,由于在軌道板精調(diào)后仍有部分二期恒載(如聲屏障、鋼軌、接觸網(wǎng)支柱及電纜等)施工,該部分荷載引起的彈性變形也應(yīng)視為殘余變形的一部分。

以(60+100+60) m 連續(xù)梁為例,對比在橋梁合龍后60 d鋪設(shè)二期恒載后梁體殘余變形與后續(xù)二期恒載(按36.2 kN/m 計)產(chǎn)生的彈性變形(圖5),可以看出,后續(xù)二期恒載引起的彈性變形大于梁體的殘余變形。因此,對于鋪設(shè)無砟軌道的高速鐵路橋梁,在軌道系統(tǒng)精調(diào)前應(yīng)盡可能完成全部橋面設(shè)施施工,以減小梁體殘余變形,確保無砟軌道線路的平順性。

圖5 二期恒載不同施工順序梁體變形對比

3.6 二期恒載對梁體溫度變形的影響

二期恒載上橋前,整個梁部均直接暴露在自然大氣環(huán)境下。二期恒載施工后,無砟軌道橋面防護墻外側(cè)被電纜槽遮蓋,防護墻內(nèi)側(cè)被無砟軌道底座板及防水層遮蓋。我國鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范規(guī)定：對于無砟軌道橋梁需同時考慮沿梁高和梁寬方向的溫度梯度影響。以(60+100+60) m連續(xù)箱梁為例,其二期恒載上橋前后溫度變形計算結(jié)果詳見表2。

表2 二期恒載上橋前后梁體溫度變形對比 mm

從表2可以看出,二期恒載上橋后,梁體溫度變形明顯減小,邊跨溫度變形減低約32.7%,中跨溫度變形降低約36.9%。由此可以得出,二期恒載尤其是無砟軌道結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)能夠有效地降低梁體溫度變形。

4 研究結(jié)論

(1)影響高速鐵路平順性的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁長期豎向變形主要發(fā)生在中跨,其變形隨著時間的推移逐漸增大。

(2)二期恒載對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨中殘余變形影響較大,其產(chǎn)生的梁體變形與連續(xù)箱梁中跨底板束張拉引起的徐變上拱方向相反,能夠有效地降低中跨梁體徐變上拱量,且能有效降低梁體溫度變形,因此設(shè)計過程中如何合理地布置梁部預(yù)應(yīng)力束對于控制梁體殘余變形非常關(guān)鍵。

(3)二期恒載上橋時間、施工時間、施工順序?qū)B續(xù)箱梁的殘余變形也會產(chǎn)生影響。設(shè)計中如何確定二期恒載上橋時間非常重要,在現(xiàn)有客運專線連續(xù)梁剛度和預(yù)應(yīng)力配束條件下,通過嚴(yán)格控制階段混凝土質(zhì)量和各階段預(yù)應(yīng)力束張拉,按照終張拉完成后60 d開始施工橋面二期恒載,其梁體長期殘余變形可以控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。在工期允許的條件下,應(yīng)盡量推遲二期恒載上橋時間,以減小梁體殘余變形。

(4)對于鋪設(shè)無砟軌道的高速鐵路橋梁,無砟軌道精調(diào)應(yīng)在二期恒載施工全部完成后進行,特別對于設(shè)有非輕質(zhì)型聲屏障的連續(xù)梁,應(yīng)首先完成聲屏障安裝。

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