二期恒載對高速鐵路連續箱梁變形影響分析

鐘昌衛

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

我國高速鐵路設計時速都在200 km以上,最高設計時速達到350 km,部分線路試運行速度達到了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、穩定性[1]。當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、后期養護維修工作量少等優點,但由于其運營期間線路平順性只能通過軌道扣件進行調整,且調整量有限,因此在高速鐵路線路中占據絕對比例且承載無砟軌道的橋梁結構的變形控制就顯得尤為重要[2,3]。預應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《高速鐵路設計規范(試行)》對鋪設無砟軌道的橋梁結構徐變變形提出了嚴格的要求：“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]。

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

2 連續箱梁變形隨時間變化發展趨勢

以滬杭高速鐵路(60+100+60) m懸臂澆筑施工連續梁為例,該梁為單箱單室、變高度、變截面結構。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5道橫隔梁,分別設于中支點、端支點和中間跨跨中截面,懸臂澆筑節段長度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 梁體變形發展趨勢曲線

從圖1可以看出：隨著計算齡期的增加,連續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,先期變形發展較快,而在后期變形發展趨于緩慢[7]。

3 二期恒載對連續箱梁變形的影響

3.1 二期恒載對連續梁變形影響定性分析

以往研究表明：恒載作用下截面應力水平以及梁體恒、活載設計彎矩比值是影響梁體豎向徐變變形的關鍵因素。二期恒載作用前后各截面的應力狀態發生較大變化；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。本設計二期恒載P=157 kN/m,上橋時間按預加應力后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應力束效應反向；

(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：恒載作用下截面應力水平以及梁體恒、活載設計彎矩比值是影響梁體豎向徐變變形的關鍵因素。二期恒載作用前后各截面的應力狀態發生較大變化,不同大小二期恒載作用后連續箱梁各截面應力狀態不同,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預應力混凝土連續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隨二期恒載的變大逐漸減小,這是因為二期恒載產生的跨中變形與連續箱梁底板束產生徐變上拱方向相反。因此,在二期恒載確定的情況下,設計中如何合理的配置連續箱梁的預應力束使梁體截面上、下緣應力在預應力及恒載作用下盡量接近是控制連續箱梁后期殘余變形的關鍵[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的,產生彈性變形的外荷載包括先期自重、預應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重要,目前設計中一般情況下均按終張拉完成后60 d加載二期恒載設計。設計實踐表明,通過嚴格控制階段混凝土質量和各階段預應力束張拉,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范要求范圍內[9]。

3.4 二期恒載施工時間對梁體變形的影響

在設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箱梁殘余變形有影響,相當于二期恒載上橋時間提前,導致梁體殘余變形增大。在實際施工中,應按設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要求。

3.5 二期恒載施工順序對梁體變形的影響

對于鋪設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后發生的橋梁長期變形；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,由于在軌道板精調后仍有部分二期恒載(如聲屏障、鋼軌、接觸網支柱及電纜等)施工,該部分荷載引起的彈性變形也應視為殘余變形的一部分。

以(60+100+60) m 連續梁為例,對比在橋梁合龍后60 d鋪設二期恒載后梁體殘余變形與后續二期恒載(按36.2 kN/m 計)產生的彈性變形(圖5),可以看出,后續二期恒載引起的彈性變形大于梁體的殘余變形。因此,對于鋪設無砟軌道的高速鐵路橋梁,在軌道系統精調前應盡可能完成全部橋面設施施工,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境下。二期恒載施工后,無砟軌道橋面防護墻外側被電纜槽遮蓋,防護墻內側被無砟軌道底座板及防水層遮蓋。我國鐵路橋梁設計規范規定：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連續箱梁為例,其二期恒載上橋前后溫度變形計算結果詳見表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構的鋪設能夠有效地降低梁體溫度變形。

4 研究結論

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

(2)二期恒載對預應力混凝土連續箱梁跨中殘余變形影響較大,其產生的梁體變形與連續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,因此設計過程中如何合理地布置梁部預應力束對于控制梁體殘余變形非常關鍵。

(3)二期恒載上橋時間、施工時間、施工順序對連續箱梁的殘余變形也會產生影響。設計中如何確定二期恒載上橋時間非常重要,在現有客運專線連續梁剛度和預應力配束條件下,通過嚴格控制階段混凝土質量和各階段預應力束張拉,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范要求范圍內。在工期允許的條件下,應盡量推遲二期恒載上橋時間,以減小梁體殘余變形。

(4)對于鋪設無砟軌道的高速鐵路橋梁,無砟軌道精調應在二期恒載施工全部完成后進行,特別對于設有非輕質型聲屏障的連續梁,應首先完成聲屏障安裝。

參考文獻：

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