跨座式單軌PC 軌道梁線形影響因素分析

胡國華

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

跨座式單軌交通軌道梁兼具承重梁和導(dǎo)向軌的雙重功能。 這種“梁軌合一”的特性也使得其被譽(yù)為跨座式單軌交通系統(tǒng)的三大關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。

傳統(tǒng)的地鐵、輕軌等輪軌式軌道交通中，列車車輛運(yùn)行的軌道線形可通過軌道層(道砟和鋼軌)進(jìn)行調(diào)整，故其對(duì)結(jié)構(gòu)幾何尺寸或安裝精度的要求相對(duì)較寬松，且對(duì)結(jié)構(gòu)的線形精度沒有具體要求[3-4]。

跨座式單軌交通中，單軌車輛環(huán)抱軌道梁運(yùn)行，若梁寬誤差較大，將引起車輛運(yùn)行困難或不能運(yùn)行。 軌道梁上表面和兩個(gè)側(cè)面的不平整度超限，將會(huì)極大地增加單軌車輛輪胎的磨耗，導(dǎo)致其運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用增加，還會(huì)嚴(yán)重影響乘坐的舒適性和安全性。 因此，必須對(duì)軌道梁的水平及垂直線形做出嚴(yán)格要求。

已有部分學(xué)者對(duì)軌道梁的線性精度控制進(jìn)行了相關(guān)研究。 余洋對(duì)軌道梁的制造工藝、原材料、配合比、施工過程的質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了分析[5]，王貴明研究了PC 軌道梁線形控制的模板拼裝技術(shù)[6]，賽鐵兵等對(duì)PC 軌道架設(shè)過程中的線形調(diào)整方案進(jìn)行了探索，這些研究從不同方面對(duì)PC 軌道梁的線形控制進(jìn)行了分析[7-10]，但未對(duì)PC 軌道梁各變形因素進(jìn)行定量研究。 因此，對(duì)影響PC 軌道梁線形的各種因素進(jìn)行研究仍具有重要意義。

1 概述

線路不平順會(huì)使車輛在運(yùn)行過程中出現(xiàn)上下顛簸或左右搖晃等不平穩(wěn)狀況，嚴(yán)重影響行車質(zhì)量和旅客出行體驗(yàn)。 《跨座式單軌交通施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50614—2010)對(duì)軌道梁的制造和安裝精度有明確、嚴(yán)格的要求:走行面、導(dǎo)向面、穩(wěn)定面的線形精度為不大于L/2 000 mm(L 為梁長)[11]。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有剛度大，車輛沖擊、振動(dòng)效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn);其表面與車輛輪胎間有足夠的摩擦力，且混凝土材料耐久性好，不易受外部環(huán)境侵蝕，運(yùn)營期基本不需養(yǎng)護(hù)維修。 因此，跨座式單軌交通大多采用預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁(即PC 軌道梁)[12]。

PC 軌道梁是由混凝土、預(yù)應(yīng)力筋、普通鋼筋等組成的一種非勻質(zhì)彈塑性材料，其結(jié)構(gòu)變形與混凝土的收縮、徐變、應(yīng)力狀況、齡期及材料的均勻性等多種因素有關(guān)。 以25 m 簡支PC 軌道梁為例，對(duì)影響PC 軌道梁變形的各因素進(jìn)行分析。

2 線形影響因素

2.1 收縮徐變

混凝土收縮是指在混凝土凝結(jié)初期或硬化過程中出現(xiàn)的體積縮小現(xiàn)象，主要包括水泥水化凝結(jié)導(dǎo)致的自生收縮和環(huán)境干燥所產(chǎn)生的干燥收縮。

徐變是指在持續(xù)荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)變形隨時(shí)間不斷增加的現(xiàn)象。 隨著時(shí)間的延長，徐變?cè)絹碓酱螅话闱闆r下，徐變較瞬時(shí)彈性變形大1 ～3 倍。 對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土徐變還會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失。

混凝土的徐變形態(tài)較復(fù)雜，影響因素也很多。 通過多年的研究，建立了不同的混凝土徐變預(yù)測計(jì)算模型[13-14]。 一般認(rèn)為，混凝土徐變的影響因素有以下幾項(xiàng)[15-16]。

①水灰比:混凝土中水與水泥的用量是影響徐變的主要因素，一般而言，徐變隨混凝土水灰比的降低而減小。

②骨料:混凝土內(nèi)骨料對(duì)水泥的變形起約束作用，骨料的彈性模量越小，或骨料含量越小，則徐變?cè)酱蟆?/p>

③加載齡期:開始時(shí)徐變發(fā)展最快，以后逐漸減慢，結(jié)構(gòu)承受荷載后的齡期對(duì)徐變的影響很大，隨著加載齡期的增大，徐變將有顯著的降低。

④養(yǎng)護(hù)條件:養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度與濕度都會(huì)影響水泥的水化速度和水化程度。 水化程度愈高，水泥凝膠體的密度也愈高，混凝土的強(qiáng)度和彈性模量也愈高，徐變則愈低。

⑤構(gòu)件尺寸:構(gòu)件的形狀和尺寸對(duì)徐變也有影響，一般認(rèn)為試件的尺寸越小，徐變?cè)酱蟆?隨著構(gòu)件尺寸的增大，混凝土收縮徐變的效應(yīng)將有所降低。

⑥工作環(huán)境:工作環(huán)境的相對(duì)濕度是影響混凝土徐變的重要因素之一。 對(duì)于某種給定的混凝土來說，相對(duì)濕度越低，徐變就越大。

⑦應(yīng)力狀態(tài):混凝土的徐變與應(yīng)力水平有關(guān)。 當(dāng)混凝土應(yīng)力不大于0.5fc時(shí)為線性徐變，即徐變與應(yīng)力成正比。 大于0.5fc時(shí)為非線性徐變。

2.2 彈性模量

在彈性極限限度內(nèi)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變的比值被稱為彈性模量。 彈性模量是混凝土力學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)，可表征在外力作用下材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的難易程度，彈性模量值越大，變形就越小。 對(duì)于PC 軌道梁梁體混凝土來說，除了控制其強(qiáng)度外，還要對(duì)其彈性模量進(jìn)行特別規(guī)定。 為控制軌道梁的變形，提高結(jié)構(gòu)的剛度，設(shè)計(jì)中要求梁體C60 混凝土的彈性模量(Ec)應(yīng)不小于3.75×104MPa。

混凝土是一種非均勻的彈塑性材料，要得到滿足要求的混凝土，需在施工中采用優(yōu)質(zhì)的砂石與水泥、合適的外加劑以及合理的施工配合比。

2.3 預(yù)應(yīng)力

通過張拉預(yù)應(yīng)力筋可抵消結(jié)構(gòu)自重和梁上所承受的荷載，預(yù)應(yīng)力的作用使截面在受壓的同時(shí)產(chǎn)生偏心彎矩。 偏心彎矩會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撓曲變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上拱，若對(duì)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反拱變形預(yù)估不足(造成過分的反拱)，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)因變形過大而影響正常使用，甚至產(chǎn)生裂縫等不利情況[17]。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力筋，受多種因素的影響，在張拉、錨固和整個(gè)使用過程中，其預(yù)應(yīng)力值會(huì)不斷減小，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。 扣除預(yù)應(yīng)力損失之后的有效預(yù)應(yīng)力過大或過小對(duì)結(jié)構(gòu)都是不利的[18]。

預(yù)應(yīng)力損失與許多因素有關(guān)，在預(yù)應(yīng)力筋的計(jì)算時(shí)，一般應(yīng)考慮下列因素引起的預(yù)應(yīng)力損失:錨口、喇叭口摩擦;預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間摩擦;錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋回縮;混凝土彈性壓縮;預(yù)應(yīng)力筋松弛;混凝土收縮徐變等。

在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力筋的張拉應(yīng)力控制直接影響預(yù)應(yīng)力的使用效果。 因此，預(yù)應(yīng)力筋的張拉施工通常采取雙控措施，即預(yù)加應(yīng)力值以油表讀數(shù)為主，以預(yù)應(yīng)力筋伸長量作校核。

考慮材料、設(shè)備、管道摩阻等各項(xiàng)損失，實(shí)測伸長量與設(shè)計(jì)理論伸長量允許有不超過±6%的偏差。 這也使得實(shí)際的預(yù)應(yīng)力效果與理論計(jì)算有所不同。

2.4 施工影響

軌道梁預(yù)制施工中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的放樣誤差。 軌道梁截面為中空，需設(shè)置內(nèi)模，內(nèi)模加工誤差也會(huì)影響截面尺寸，由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)自重偏差會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響。 另外，不同材料和構(gòu)造的內(nèi)模也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生一定的影響。

預(yù)應(yīng)力管道一般采用波紋管，預(yù)應(yīng)力鋼筋穿入相應(yīng)孔洞后形成預(yù)應(yīng)力筋管道。 施工中可能產(chǎn)生定位偏差，進(jìn)而影響預(yù)應(yīng)力效果。

張拉:軌道梁預(yù)應(yīng)力筋分兩批進(jìn)行張拉，齡期4 d時(shí)張拉第一批，齡期14 d 時(shí)張拉第二批。

養(yǎng)護(hù):混凝土養(yǎng)護(hù)是指人為造成一定的濕度和溫度條件，使混凝土得以正常硬化和強(qiáng)度增加的過程。澆筑完成后的混凝土必須經(jīng)一定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間才能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和彈性模量。

2.5 可調(diào)式模板

為適應(yīng)各種復(fù)雜的梁體線形，采用了專用的高精度可調(diào)式模板及配套設(shè)備。 模板系統(tǒng)主要由側(cè)模、底模臺(tái)車、端模三大部分組成。

預(yù)制施工采用流水作業(yè)。 首先按照制作工法指導(dǎo)書的要求，進(jìn)行臺(tái)車放線、鋼筋綁扎，以及內(nèi)模及各種預(yù)埋管件的安裝。 待梁體鋼筋骨架成型后安裝端模。根據(jù)工法指導(dǎo)書的要求，進(jìn)行側(cè)模的拉、壓量調(diào)節(jié)及安裝。

模板系統(tǒng)及其調(diào)整精度對(duì)確保軌道梁的線形至關(guān)重要，尤其是側(cè)模調(diào)整對(duì)軌道梁工作面的線形更是有著直接影響。 《跨座式單軌交通施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50614—2010)中對(duì)模板系統(tǒng)的總裝精度、零調(diào)整、臺(tái)車放線、端模安裝、側(cè)模調(diào)整有著嚴(yán)格的要求。

2.6 安裝架設(shè)

預(yù)制好的PC 軌道梁必須經(jīng)過精確的線形調(diào)整，修正橋墩施工和軌道梁制造過程中產(chǎn)生的誤差，把單榀的軌道梁順序連接成圓順、連續(xù)的線路。

PC 軌道梁的鑄鋼拉力支座在順橋向、橫橋向、縱橋向均留有一定的調(diào)整量，通過支座凸輪板下的調(diào)整墊片可以調(diào)整軌面高程、橫坡。 縱向和橫向移動(dòng)PC軌道梁，可以調(diào)整梁縫、線間距及梁端連接處的平曲線和豎曲線矢高。

軌道梁的線形調(diào)整應(yīng)在架設(shè)一定數(shù)量的軌道梁以后進(jìn)行，平曲線段應(yīng)從圓曲線部分向兩端延伸調(diào)整，以消除橫坡累計(jì)誤差。

架設(shè)安裝過程中，可通過調(diào)整支座來調(diào)整線形，消除一定程度內(nèi)的施工誤差，使線路線形符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

3 變形影響分析

3.1 計(jì)算條件

選取25 m 簡支PC 軌道梁進(jìn)行理論計(jì)算分析。軌道梁為空心矩形截面，兩端及中間設(shè)橫隔板(見圖1)。

梁高1.600 m，梁寬0.69 m，單側(cè)梁縫取0.025 m，支點(diǎn)距梁端0.385 m，計(jì)算跨度為24.18 m。 梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，彈性模量Ec=3.75×104MPa。

采用強(qiáng)度級(jí)別為1 860 MPa 的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，2 列6 孔形式布置(見圖2)，分兩批進(jìn)行張拉。 齡期4 d 張拉第一批預(yù)應(yīng)力筋，要求的混凝土彈性模量為3.45×104MPa，齡期14 d 張拉第二批預(yù)應(yīng)力筋，要求的混凝土的彈性模量為3.75×104MPa。

圖1 軌道梁輪廓(單位：mm)

圖2 軌道梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置(單位：mm)

3.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)PC 軌道梁的線形影響因素進(jìn)行分析，考慮以下方面的偏差。

①結(jié)構(gòu)自重:因預(yù)拱度、線形、內(nèi)模加工誤差、尺寸放樣、模板調(diào)整偏差等引起的截面尺寸變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)自重偏差。

②預(yù)應(yīng)力管道:定位網(wǎng)偏差、管道安裝偏差引起的預(yù)應(yīng)力管道位置偏差。

③預(yù)應(yīng)力筋:材料、設(shè)備、管道摩阻等各項(xiàng)損失引起的有效預(yù)應(yīng)力偏差(可通過超張或少張來模擬)。

④彈性模量:原材料、配合比、施工工藝等波動(dòng)引起的彈性模量變化，按初張拉、終張拉兩個(gè)階段考慮。

⑤收縮徐變:水灰比、骨料與配合比密切相關(guān)，其影響并入彈性模量綜合考慮。 PC 軌道梁一般采用等截面，不同跨度的軌道梁截面尺寸相同;正常使用狀態(tài)下軌道梁處于彈性工作狀態(tài)。 構(gòu)件尺寸與應(yīng)力狀態(tài)對(duì)不同跨度PC 軌道梁的影響基本相同。 因此，應(yīng)考慮養(yǎng)護(hù)條件、工作環(huán)境、張拉加載齡期對(duì)收縮徐變的影響。

預(yù)應(yīng)力管道位置偏差按2 cm 考慮，其它各項(xiàng)因素取5%的偏差幅度。 表1 中數(shù)值正值表示相對(duì)設(shè)計(jì)值的正向偏差(高于或大于設(shè)計(jì)值)，負(fù)值表示相對(duì)設(shè)計(jì)值的負(fù)向偏差(低于或小于設(shè)計(jì)值)。

表1 變形計(jì)算結(jié)果 mm

3.3 結(jié)果分析

(1)當(dāng)結(jié)構(gòu)自重偏差達(dá)5%時(shí)，軌道梁線形約有2 mm 左右的偏差。 因設(shè)置預(yù)拱度、線形等引起的結(jié)構(gòu)自重偏差在1%左右，對(duì)軌道梁線形的實(shí)際影響不大，但應(yīng)予以注意。 重點(diǎn)在于控制內(nèi)模、外形尺寸的放樣精度，以免引起較大的偏差。

(2)預(yù)應(yīng)力管道位置偏差2 cm 時(shí)對(duì)軌道梁的線形影響較小。 根據(jù)《跨座式單軌交通施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50614—2010)，預(yù)應(yīng)力管道位置的允許偏差為0.2 cm，在滿足施工定位精度的前提下，預(yù)應(yīng)力管道位置偏差引起的線形影響很小。

(3)預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響較大，且初張拉的影響大于終張拉的影響。 通過計(jì)算可知，當(dāng)張拉應(yīng)力偏差5%時(shí)，對(duì)應(yīng)鋼束伸長量的偏差約為5.3%。 也就是說施工中若實(shí)測伸長量與理論伸長量偏差為±6%時(shí)，梁體變形將高達(dá)6 mm 左右，對(duì)軌道梁的線形影響較大。

(4)彈性模量對(duì)變形的影響不容忽視。 若實(shí)際彈性模量較設(shè)計(jì)值偏差10%時(shí)，將有2 mm 左右的偏差，對(duì)軌道梁線形有一定程度的影響。

4 結(jié)束語

(1)在跨座式單軌PC 軌道梁的施工過程中，必須加強(qiáng)施工精度控制和現(xiàn)場施工質(zhì)量管理，以消除各環(huán)節(jié)的偏差。

(2)預(yù)拱度的準(zhǔn)確設(shè)置事關(guān)PC 軌道梁線形控制的成敗，需根據(jù)本地氣候條件、原材料、制梁工藝、實(shí)測混凝土彈性模量以及變形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行核算調(diào)整。

(3)預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響很大，預(yù)應(yīng)力張拉施工中實(shí)測伸長量與理論伸長量的偏差建議按±3%控制;彈性模量的偏差應(yīng)控制在設(shè)計(jì)值的5%以內(nèi)。

(4)鑒于混凝土徐變的復(fù)雜性和軌道梁對(duì)線形的高精度要求，制梁前期應(yīng)選擇一定數(shù)量的梁進(jìn)行長期的變形觀測，以便對(duì)線形控制參數(shù)進(jìn)行校核調(diào)整。 應(yīng)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)選取合適的徐變預(yù)測模型，同時(shí)調(diào)整相關(guān)的參數(shù)，才能較好地與實(shí)際情況相符合。