高速鐵路連續梁橋徐變特性及施工控制要點分析

陳 麟

(中鐵五局集團有限公司，貴陽 550002)

1 概述

由于高速鐵路對預應力混凝土連續梁橋長期豎向變形有嚴格的要求，特別是豎向殘余徐變變形。在施工過程中，征地拆遷、工期調整、氣象、材料供應、施工設備、連續梁前后的簡支梁制、架進展，沉降評估，CPⅢ測設，無砟軌道施工等相關因素的變化，均會直接或間接對連續梁橋的施工產生影響;另外，連續梁在懸臂澆筑周期、二期恒載上橋時間等方面，也會因種種因素影響而有較大的差異，從而使連續梁橋結構有不同的變形差異及殘余徐變變形。這一情況既使在同一項目中的不同連續梁也普遍存在，如哈大客運專線鐵路DK185+275～DK233+011段內的5座連續梁橋，計有(32+48+32)m、(40+56+40)m、2×(40+64+40)m、(60+100+60)m 4種跨徑組合布置，分別位于西海特大橋(橋長25.6 km)和營海特大橋(橋長26.9 km)內，而這些連續梁前后均配有多跨簡支箱梁。5座連續梁分別于2009年6～9月完成體系轉換，并分別于2010年5～8月先后完成無砟軌道的施工，連續梁合龍后至二期恒載上橋平均有8～10個月的時間。

2 連續梁橋徐變特性及階段變形分析

2.1 數值分析模型

以營海特大橋跨營盤高速公路匝道(60+100+60)m連續梁橋為例，其跨徑布置、主梁截面及分析模型如圖1、圖2所示，橋梁位于7‰縱坡上。由于本文以橋梁縱向分析為主，所以主梁及橋墩均以梁單元進行模擬。為如實反映結構實際情況，橋面縱坡、橋墩等均按實際情況建模，T構懸臂澆筑期間墩梁臨時固結，體系轉換后橋梁支座(固定、縱向、橫向、多向)上、下座板分別與主梁底、橋墩頂剛結，支座上下座板間則按廠商提供的各方向剛度以彈性連接考慮，現澆段支架、合龍段臨時鎖定等按施工組織設計要求指定，二期恒載按120 kN/m、施工掛籃及其附屬荷載按800 kN計。

圖1 (60+100+60)m連續梁布置示意(單位:cm)

圖2 全橋分析模型

主梁按截面變化、支點及隔板位置、懸臂澆筑梁段長等因素共劃分為90個單元，而橋墩則按截面變化劃分。

2.2 按設計圖條件計算的靜力分析

按照國內平均施工水平，主梁0號塊35 d，節段施工周期12 d/節段，邊跨現澆段因可與T構并行施工，故只考慮其合龍段施工1 d(但計入實際加載齡期)，中跨合龍段15 d，所有主梁的預應力加載齡期按設計要求≥5 d考慮，T構間不考慮時間差，全橋合龍后60 d加載二期恒載，按此參數計算后所得結果如表1所示［1]。

表1 連續梁部分計算結果［注1]

由圖3可知，中跨中截面60 d徐變拱度增量為6.8 mm，二期恒載前后的拱度增量為-15.2 mm，殘余徐變拱度為6.1 mm。

圖3 按平均周期計算的中跨中拱度時程

2.3 按實際工況的分析

在實際工況分析中，為了與實測情況進行對照，考慮了該連續梁的實際施工周期，即當168號主墩施工完2號梁段、169號主墩施工完1號梁段時，已經進入冬休期，因種種因素無法提供完善的冬季施工條件而停工，直至冬休結束才繼續進行主梁的懸臂澆筑施工。因此在這2個梁段后考慮了3個月(冬休期)的徐變時間;2個T構實際完成的時間差在3 d以內，故未考慮T構間的時間差;由于該橋橋梁全長約26.9 km，又分屬2個單位施工，因簡支梁部分的施工進度、征地拆遷等因素影響，故其中許多連續梁二期恒載上橋時間均遠大于60 d的最小要求，而該連續梁是時隔259 d才開始施工二期恒載;環境相對濕度按當地氣象部門統計的年平均值采用;C50混凝土強度及彈性模量發展則按工地試驗室統計出的5～56 d各級平均強度、彈性模量擬合后采用。

由圖4可知，中跨跨中截面從全橋合龍至徐變259 d，其徐變拱度增量為13.0 mm;二期恒載完成前后的拱度增量為-14.8 mm;殘余徐變拱度為3.3 mm。

圖4 按實際周期計算中跨中拱度時程

圖5則是徐變259 d時間內，從2009-06-28～2009-11-29約5個月時間，中跨跨中截面徐變拱度計算值與實測值的比較，其后期差異主要是無砟軌道施工前連續梁橋上堆放部分材料所致。

圖5 二恒上橋前中跨中拱度實測變化

2.4 主要影響因素分析

2.4.1 環境溫、濕度

在東北地區施工主要受冬休期的影響，特別是營口地處渤海灣，冬季橋梁高處寒風凜冽，無法提供冬季施工條件。如果剛好處于懸臂施工期間，一般均停工以待開春達到施工條件時才繼續施工，這樣已施工梁段的徐變以及后續施工梁段的拱度與正常周期施工的拱度就有差異，并最終影響主梁拱度。標準設計與具體施工的差異，通過圖3、圖4對比可知，這種影響主要是量值上的差異，而拱度變化規律則是相同的。

所以，對于東北地區而言，一般情況下，主梁懸臂澆筑應盡量安排在2個冬季之間完成體系轉換。而一個不容忽視的較為普遍的現實是，在合同的執行過程中，業主通常以合同乙方是有經驗的承包商為由，要求這些控制工期的工程必須在規定時限內完成。

2.4.2 預應力加載齡期

圖6為加載齡期分別為3、5、7 d時徐變發展系數的對比［注2](相對濕度70%，相對尺寸≥0.6 m)。由圖中可知，3 d加載預應力與5 d、7 d加載預應力相比較，其終極徐變值將分別增大5.3%、11.1%。

圖6 不同加載齡期徐變系數比較

針對因各種因素而普遍加快工期的情況，連續梁的節段施工周期勢必縮短才能滿足要求。一個主梁節段的主要施工工序大體上可分為:掛籃移動→立模、扎筋→澆筑混凝土→預應力張拉。例如，當設計要求預應力加載的齡期為7 d時，最小的懸臂施工周期是:1對梁段/12 d，扣除7 d齡期后僅有5 d時間來完成上述4個工序(每天24 h作業)。當這些工序都優化調整到位后，縮短混凝土的預應力加載齡期就成了縮短施工周期的一個無奈的選項。由分析可知，雖然3 d與7 d加載齡期相比可以節約4 d時間，且對殘余徐變拱度值影響甚小，但徐變完成時僅徐變拱度一項將會增大11.1%。

按目前國內客運專線連續梁橋設計圖紙一般要求，預加應力時須滿足混凝土強度和彈性模量達到設計值的95%以上，同時混凝土齡期必須大于5 d(如哈大客運專線沈大段)，或7 d(如滬昆客運專線長杭段)的條件。隨著混凝土施工水平的提高，經過精心的配比設計、完善的施工保障以及良好的現場養護條件，高性能混凝土一般可以在3 d齡期時達到設計要求預加應力時的強度和彈性模量條件，現場施工人員雖然對這2個條件較為重視，卻往往無意或被動地忽視預應力加載齡期這一條件。

另一方面，由于混凝土的強度和彈性模量要在3 d齡期達到95%的設計值，需要良好、持續的施工條件保障(混凝土配制、運輸、澆筑、環境溫濕度、養護等)，而現實的情況是:現場的施工條件往往不可能持續具有100%的保證率。這也意味著，可能有部分節段混凝土在3 d齡期加載預應力時達不到95%設計強度和彈性模量的要求，因而會造成較大的初期彈性變形以及徐變收縮變形。從圖6可知，在相同條件下，7、5、3 d預應力加載齡期的終極徐變系數分別為1.733 1、1.829 4、1.925 7。所以，對于工程技術人員而言，認識到這3個條件的相互關系及其重要性是必要的。

2.4.3 二期恒載上橋時間

分析表明，隨著二期恒載上橋時間的后延，殘余徐變變形呈減小之勢。而現場施工二期恒載前，必須通過無砟軌道鋪設條件評估，其二期恒載上橋時間必定大于設計要求，所以這一條件均能得到滿足。

就本案例來說，由于橋梁全長26.9 km，其中連續梁上的無砟軌道施工有一個較長的等待時間，實際連續梁二期恒載上橋時間為全橋合龍后259 d。

分析同時也表明，二期恒載上橋時間不同，橋梁的最終豎向變形和殘余徐變變形均會隨之變化，預拱度的設置應考慮這種變化。但由于橋梁的線形控制是在懸臂澆筑階段實現的，對于以后二期恒載什么時間上橋并不能確定，這樣就給橋梁線形控制帶來了不確定性。

2.5 施工控制要點

2.5.1 保持正常的施工節奏

保證了正常的施工節奏，也就保證了橋梁線形控制有良好的質量。盡管這個道理盡人皆知，但越是淺顯易明的事實越是容易遭遇忽視。我們從來不缺乏設計規范、施工規范、質量驗收標準、實施性施工組織方案以及相應的監理程序;但往往缺乏的是，與工程實施密切相關的單位在執行這些規定過程中的嚴謹、認真和始終如一。

2.5.2 環境溫、濕度的影響

我國幅員廣闊，各地氣候差異極大，所以，合理避免與極端氣候條件產生不利組合是必要的。收集當地歷年氣象資料并進行必要的整理分析，然后及時與獲取的當地短期氣象資料進行綜合研判后制定相應的施工組織方案和橋梁線形監控程序，必要時尚應考慮應對偶然事件的預案，這對橋梁線形控制及殘余徐變變形能否達到設計目標來說，是非常重要的。

圖7以濕度變化為例，經理論計算，對同一主梁截面，當環境年平均相對濕度分別為RH=80%與RH=65%時，主梁的徐變發展系數及其終極值均發生了變化。雖然徐變系數終極值僅相差0.9%，但在主梁施工期間(相當于圖7(b)中時間坐標的0～573 d，約1年半時間)，2種徐變發展系數在同一時刻相差5.5%～8.0%，平均達到了7.2%。

圖7 不同相對濕度徐變系數比較

2.5.3 嚴格控制預應力加載齡期

這一點主要針對連續梁橋預應力加載中最容易忽視加載齡期的現象而提出。從圖6可以知道，不同的加載齡期將會給橋梁豎向變形帶來很大的影響。

2.5.4 盡量準確掌握二期恒載上橋時間

在控制好以上因素的基礎上，準確控制二期恒載上橋時間就成了橋梁線形控制以及殘余徐變拱度能否達到設計要求的關鍵所在。下面分兩方面敘述:

首先，雖然鐵道部已明確提出“任何單位和個人不得隨意壓縮工期”，但基本建設領域中，在各相關方利益的驅動下，壓縮工期的動力依然存在。而橋梁實施的主體是承包商，所以要求實施主體來確定不由自己掌控的事項是有困難的。在這樣的條件下，工程技術人員只能在橋梁線形控制實施前，盡量了解二期恒載上橋的可能時間，從而制定出有條件的合理施工組織安排和橋梁線形控制方案。

其次，二期恒載的實施并非一次完成。這里牽涉到土木建筑、軌道鋪設、電力、通信信號等諸專業、不同合同主體在橋上狹長通道內的交叉作業。在鋪軌后，一部分橋梁欄桿、接觸網支柱、聲屏障等仍在持續進行安裝的現象是存在的，特別對于數十千米的長大橋梁，則更是如此。鑒于無砟軌道扣件調整量十分有限的事實，從理論上來說，應考慮軌道鋪設后仍在實施的恒荷載對橋梁豎向變形的影響。與此同時，在工程實踐中也不能完全杜絕少部分二期恒載的內容持續到軌道鋪設以后，這些少數恒載因項目條件的不同而具有較大的隨機性，很難作出一個較為準確的評估。因此，盡量將二期恒載實施的內容安排在軌道鋪設前完成就成了較佳的選擇;或者考慮將部分必定在軌道鋪設后發生的恒載作為后期恒載計算，從設計上來解決這一問題。

3 結語和建議

基于高速鐵路對軌道靜、動態變形的嚴格要求，只有在施工中嚴格遵照設計圖紙、規范、驗收及評估標準的每一步要求，結合具體施工條件制定合理的施工組織并認真執行的基礎上所完成的結構工程才能達到設計要求。因此，對于在連續梁橋工程中上述容易被忽視的這些影響因素，則更應引起警覺。

目前高速鐵路連續梁橋在主梁線形控制中，是否考慮靜活載反拱的問題并無統一規定，這樣就使得實際線形控制因人而異。據了解，有的項目在成橋預拱度中考慮1/2靜活載反拱，而有的則考慮2/3靜活載反拱。這些作法基本上參照了公路橋涵設計規范的規定，但實際應用中則又有不小的差別。按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2004)第6.5.5條之規定，“1 鋼筋混凝土受彎構件…;2)當不符合上述規定時應設預拱度，且其值應按結構自重和1/2可變荷載頻遇值計算的長期撓度值之和采用。2 預應力混凝土受彎構件 …;2)當預加應力的長期反拱值小于按荷載短期效應組合計算的長期撓度時應設預拱度，其值應按該項荷載的撓度值與預加應力長期反拱值之差采用。”顯然，目前高速鐵路連續梁橋的預拱度設置是自主性地部分參照了JTG D62—2004的相應規定。

為避免這種無序狀態，建議在《高速鐵路設計規范(試行)》(TB 10621—2009)中增加預拱度設置的相應條款。

［1]中華人民共和國鐵道部.TB 10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S].北京:中國鐵道出版社，2009.

［2]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S].北京:中國鐵道出版社，2005.

［3]中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2007]47號 新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定［S].北京:中國鐵道出版社，2007.

［4]中華人民共和國交通部.JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S].北京:人民交通出版社，2004.

［5]中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2006]158號 客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南［S].北京:中國鐵道出版社，2006.

［6]鐵道部經濟規劃研究院.通橋(2008)2368A-Ⅴ、HD 無砟軌道現澆預應力混凝土連續梁(雙線)60+100+60 m［S].北京:鐵道部經濟規劃研究院，2008.

［7]喬 健，陳良江.鐵路預應力混凝土橋梁收縮徐變控制技術探索［J].鐵道標準設計，2007(6):1-5.

［8]陳 麟.哈大客運專線TJ-1標6、7號梁場簡支箱梁徐變特性研究［J].鐵道標準設計，2010(5):43-46.

［9]范立礎.預應力混凝土連續梁橋［M].北京:人民交通出版社，1988.

［注1]懸臂澆筑計算中，假定沿前一梁段的切線方向新增下一梁段。因此，梁段在未加載任何荷載的情況下就已經產生了假想位移。本文中所有位移計算均扣除了假想位移，故位移量值與設計圖紙略有不同。

［注2]因《高速鐵路設計規范(試行)》(TB10621—2009)沒有關于徐變發展系數的計算規定，故按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)和鐵建設［2007]47號《新建時速300～350公里客運專線鐵路設計暫行規定》推薦的公式計算。