無砟軌道大跨連續梁-拱組合橋長期變形影響因素分析

鄭宏利 郝學光 喬建崗 王新亮

(中鐵十六局集團路橋工程有限公司,北京 101500)

1 概述

高速鐵路廣泛鋪設無砟軌道[1],由于很難對其進行后期變形調節,故大跨混凝土梁橋的長期變形不僅影響高速列車旅客的舒適性,同時對其安全性也有較大影響[2]。已有許多學者進行相關研究,勾紅葉等認為軌道變形與主梁變形成正比,為保證行車平順,必須控制主梁豎向變形[3];徐慶元等通過建立車橋耦合模型研究主梁徐變對無砟軌道橋梁動力性能的影響[4];Yang發現徐變變形會在梁端引起較為明顯的沖擊,不利于高速行車[5]。

大跨混凝土連續梁-拱組合體系為上述問題提供了一種解決方案[6]。相較于連續梁橋,該體系具有承載能力大、剛度大等優點[7]。目前,這方面也有一些研究,張運波等從影響收縮徐變的主要因素出發,探究各因素對連續梁長期變形的影響[8];王琦等以無砟軌道矮塔斜拉橋為例,研究主梁高度、主塔高度及鋪軌時間對結構剛度和平順性的影響[9];陳克堅等以鐵路大跨度混凝土拱橋為研究對象,以工法的選取、加載齡期、鋪軌時間等因素為變量,分析影響混凝土拱橋徐變變形的主要因素[10]。不難看出,研究連續梁-拱組合結構體系長期變形的影響因素與規律,可為無砟軌道大跨連續梁橋的合理設計與安全運維提供科學依據。

2 工程背景

以跨越東江的贛州—深圳高速鐵路(76+160+76)m預應力混凝土連續梁拱組合橋為研究對象,根據TB10621—2014《高速鐵路設計規范》進行校核。主梁截面為單箱雙室變高度箱形截面,梁底按圓曲線過渡;拱肋截面為啞鈴形截面,理論計算跨徑為160m,計算矢高32m,矢跨比1/5,拱肋弦管及綴板內填充微膨脹混凝土;吊桿順橋向間距9m,全橋共設15組雙吊桿。主橋采用“先梁后拱”的施工方法,在成橋6個月后鋪設軌道。主橋立面布置及有限元模型如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置及有限元模型(單位:cm)

分別采用Midas/Clivil與橋梁博士4.0建立有限元模型。全橋共計610個節點,859個單元。采用空間梁單元模擬主梁、橫撐和拱肋,采用桁架單元模擬吊桿,全橋邊界條件按三跨連續梁約束條件布置,吊桿及拱肋通過剛臂與主梁進行連接,拱肋與橫撐之間采用彈性連接中的剛性連接進行連接。

3 大跨連續梁-拱組合體系的長期變形影響因素

目前,針對預應力混凝土連續梁結構長期變形問題,國內外學者開展了大量研究,研究表明,影響結構長期下撓的因素眾多[11-15],主要有收縮徐變、有效預應力損失及恒載增大等。

圖2 引起長期變形的主要因素

由于結構自重彎矩與跨徑三次方成正比,對于跨徑超過100m的梁橋,在設計時不僅需要確定合適的預應力度,還需設置恰當的預拱度。實際工程中,由于施工誤差,尤其是模板變形及橋面找平等引起的施工超重、有效預應力損失、二期鋪裝時間過早等因素,使設計預拱度與有效預應力不足以平衡外荷載產生的彎矩,不平衡彎矩引起梁體發生轉動主梁變形,在徐變作用下變形進一步加劇。而徐變變形又會引起預應力損失,不斷往復循環。

當有效預應力持續降低,截面受拉區拉應力超過限值后截面開裂,由于應力重分布,使混凝土截面壓應力增大,進一步加劇了徐變變形。同時,隨著裂縫的發展,梁段剛體位移使結構長期撓度顯著增大。

圖3 大跨徑梁橋長期撓度過大歷程

無砟軌道后期可調節量小,故對后期變形要求嚴格。根據TB10621—2014《高速鐵路設計規范》,預應力混凝土的豎向徐變變形應符合以下規定:主跨L≤50m時,豎向變形不大于10mm;L>50m,豎向變形不大于L/5000且不大于20mm。

根據已有研究,通過分析影響主梁長期變形的主要因素,從收縮徐變、預應力損失、鋪軌時間、梁體開裂和施工超重等方面研究對大跨度連續梁拱組合橋長期撓度的影響。

4 影響因素分析

4.1 收縮徐變

計算徐變模式采用JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》,在設計荷載作用下,主梁后期變形曲線如圖4所示。

由圖4可知,跨上撓前期發展較慢,后期上撓增大速率較快,邊跨下撓正好與之相反。按該徐變模式,計算出成橋10年后中跨長期變形值為3.81mm,滿足規范要求。

圖4 收縮徐變引起的變形

4.2 梁體開裂

梁體開裂后,不僅使截面剛度降低,開裂處截面還因應力重分布使混凝土截面壓應力增大,進一步加劇徐變變形。通過降低主梁混凝土彈性模量的方法來模擬主梁開裂,主梁剛度折減10%、20%、30%后主梁長期撓度變化規律見圖5和表1。

由圖5及表1可知,剛度折減后主梁邊跨跨中下撓和中跨跨中上撓均增大,由于中跨豎向吊桿的存在,主梁中跨豎向剛度遠大于邊跨,隨剛度損失增加,邊跨撓度變化比中跨更敏感。成橋10年后,剛度損失由20%增加到30%時,中跨豎向撓度增長率降低,邊跨豎向撓度增長率基本保持一致。上述結果表明,當主梁開裂后,豎向吊桿的存在對主梁跨中長期撓度變形有抑制作用。

圖5 剛度折減對主梁長期撓度的影響

表1 剛度折減后邊跨及主跨長期撓度值

4.3 預應力損失

對于預應力混凝土橋梁,其長期變形主要由與結構恒載引起的下撓及預應力產生的上拱共同作用引起。因此,結構有效預應力損失對長期變形有顯著影響[15]。為探究預應力損失對大跨RPC連續梁拱組合橋長期撓度的影響,考慮縱向預應力分別損失5%、10%、20%、30%后,計算從成橋到成橋10年不同階段主梁長期撓度的變化,結果見圖6。

圖6 預應力損失對主梁中跨跨中長期撓度的影響

由圖6可知,不同成橋階段都會受預應力損失的影響,隨著預應力損失的增大,跨中長期變形逐漸增大。成橋10年后,預應力損失由10%增大到30%時,跨中撓度增大幅度約為12%,而預應力損失由5%增加到10% 時,跨中長期變形增大17%。隨著預應力損失不斷增加,主梁跨中長期撓度變化速率降低,說明連續梁拱組合橋對預應力損失引起的長期撓度有抑制作用。

為分別探究頂、底板預應力損失對連續梁拱組合橋長期撓度的影響,分別計算頂板預應力和底板預應力損失10%、20%、30%下主梁長期變形,結果見圖7、圖8。

圖7 底板預應力損失對跨中長期撓度影響

由圖7、圖8可以看出,頂板和底板預應力損失在成橋各階段都會影響長期變形,這是由于墩頂負彎矩和跨中正彎矩對撓度變化很敏感,而連續梁拱組合橋大部分彎矩由主梁承擔,通過頂板束和底板束提供彎矩平衡自重。

圖8 頂板預應力損失對跨中長期撓度影響

底板和頂板預應力損失由5%增加到10%時,主梁跨中長期撓度值分別增大6%和16%;當底板和頂板預應力損失10%以后,預應力損失每增加10%,跨中長期撓度值分別增大2%和11%。由此可見,頂板預應力損失對主梁跨中豎向撓度影響更明顯,這是由于結構自身縱向剛度較大,實際底板束的變化不會對整體撓度有顯著影響,平衡彎矩、控制結構撓度主要由頂板束完成。

4.4 鋪軌時間

全橋合龍后,鋪設軌道的時間對后期徐變變形影響顯著,為此,將鋪軌時間設為成橋3個月、6個月、9個月、12個月,其邊跨跨中和中跨跨中豎向后期撓度如圖9、圖10所示。

圖9 鋪軌時間對中跨跨中長期撓度的影響

圖10 鋪軌時間對邊跨跨中長期撓度的影響

從圖9、10可知,在成橋6個月后,中跨跨中豎向撓度各階段撓度的增量幾乎相同,邊跨跨中豎向撓度在成橋后前期增量較大,后期撓度增量逐漸減小;成橋6個月后,鋪軌時間每延長3個月,中跨跨中撓度減少約7%,邊跨跨中撓度減少9%左右,相較于成橋6個月,成橋3個月鋪軌時中跨跨中撓度增大20%,邊跨跨中撓度增加14%左右。雖然隨著鋪軌時間的延長,邊跨跨中下撓和中跨跨中上撓均降低,但成橋6個月鋪軌對主梁長期撓度改善效果最明顯,故從減小后期撓度和節省施工時間綜合考慮,在成橋6個月后鋪軌較為合適。

4.5 自重集度

施工過程中,由于模板變形及橋面找平等都會引起施工超重,結構自重增大必會導致結構長期變形增大。增加自重1%～6%后,計算在成橋1年、5年、10年、20年、30年后主梁中跨跨中長期變形,結果見圖11、圖12。

圖11 自重集度對中跨跨中長期撓度的影響

由圖11、圖12可知,不同成橋階段中跨跨中豎向撓度與自重增大比例基本呈線性增加,成橋5年內長期撓度發展最快,后期速率逐漸降低。主梁中跨跨中長期變形的增長速率較結構自重增大的比例更快,對于成橋5年后,施工每超重1%,長期變形平均會增大5.2%。

圖12 自重集度增大比例與長期撓度增大比例關系

5 結論

(1)主梁中跨上撓前期發展較慢,后期上撓增大速率增快,邊跨下撓與之相反。

(2)改變鋪軌時間對邊跨和跨中都有不同程度的影響,其中對跨中的影響更明顯。由于徐變變形早期發展快,延長鋪軌時間能有效降低中跨和跨中長期變形,且成橋6個月后鋪軌對改善邊跨及跨中長期撓度的效果最明顯。

(3)隨著預應力損失的增加,主梁跨中豎向撓度變化速率降低,說明連續梁拱組合橋對預應力損失引起的長期撓度有抑制作用。由于結構自身縱向剛度大,底板束的變化不會對整體撓度有顯著影響,平衡彎矩、控制結構撓度主要是由頂板束完成,頂板預應力損失對結構影響顯著。

(4)剛度折減后主梁邊跨跨中下撓和中跨跨中上撓均增大,由于中跨豎向吊桿的存在,主梁中跨豎向剛度遠大于邊跨,隨剛度損失增加邊跨撓度變化比中跨更敏感。成橋10年后隨著剛度損失增大,邊跨豎向撓度增長率基本保持一致,但中跨豎向撓度增長率降低。上述結果表明當主梁開裂后,豎向吊桿的存在對主梁跨中長期撓度變形有抑制作用。

(5)主梁中跨跨中長期變形的增長速率較結構自重增大的比例更快,對于成橋5年后,施工每超重1%,長期變形平均會增大5.2%。