城際鐵路無砟軌道大跨度預應力混凝土連續(xù)梁設計研究

柳學發(fā),楊海洋

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

莞惠城際軌道交通(以下簡稱“莞惠城際”) 設計時速200 km，采用跨區(qū)間無砟無縫線路，布置了(80+150+80) m混凝土連續(xù)梁(以下簡稱“三跨連續(xù)梁”)、(80+150+150+80) m混凝土連續(xù)梁(以下簡稱“四跨連續(xù)梁”)各一聯(lián)。主跨150 m混凝土連續(xù)梁為已通車鐵路最大跨度混凝土連續(xù)梁[1]。無砟軌道對混凝土梁徐變要求極高，且徐變受眾多因素影響，不易控制，對大跨度混凝土連續(xù)梁難度更大[2]。通過對主跨150 m無砟軌道鐵路混凝土連續(xù)梁徐變控制、關鍵施工方案的計算對比分析，提出了大跨度混凝土連續(xù)梁徐變控制的綜合措施、合理施工方案和關鍵施工要點，并對三跨、四跨混凝土連續(xù)梁進行了對比。

1 大跨度混凝土連續(xù)梁徐變控制研究

影響預應力混凝土收縮徐變的工程因素眾多，且是隨機的，收縮徐變是十分復雜而難以準確計算的非線性問題[3-5]。

現(xiàn)代橋梁結構尺寸越來越小，混凝土強度越來越高，預應力越來越大，因此收縮徐變的問題更突出。多座公路大跨度預應力混凝土橋出現(xiàn)下?lián)线^大、腹板開裂等現(xiàn)象[6]說明對混凝土收縮徐變要格外引起重視[7-8]。

1.1 影響收縮徐變因素分析

1.1.1 梁體截面偏心受壓

在預應力和自重(包括線路設備等重力)的作用下，鐵路預應力混凝土梁各截面長期處于偏心受壓狀態(tài)，且上下翼緣壓應力不同，因此上下翼緣會產生不同的徐變，引起向下或向上的徐變彎曲變形。截面上下緣應力差越小，截面受力就越均衡，徐變就越小[9]。

1.1.2 加載齡期

混凝土收縮徐變隨加載齡期的增長而減小。對鐵路預應力混凝土梁，與28 d加載齡期徐變相比，按理論厚度200 mm計，3 d齡期加載約為1.7倍，7 d齡期加載約為1.8倍，10 d齡期加載約為1.4倍[10]。

1.1.3 應力水平

關于應力水平與徐變的關系，不少學者進行了試驗，得出的結論不完全一致。但一般認為當混凝土正應力不超過強度的0.4倍時，徐變與應力成正比。

1.1.4 持荷時間

混凝土徐變隨持荷時間的增長而增加，但徐變速率隨持荷時間的增長而降低。鐵路預應力混凝土梁收縮徐變可近似認為在3年內完成，60 d完成50%，90 d完成60%[10]。

1.1.5 相對濕度

橋梁暴露在野外，風吹日曬會加速水分蒸發(fā)，引起相對濕度的降低和快速干燥，從而使徐變增大。但在2年以后，與相對濕度基本無關[9]。

1.1.6 溫度

溫度提高，混凝土的黏性降低，彈性模量降低，變形加大。但加荷前，低壓蒸養(yǎng)能使徐變減少，例如加荷前蒸汽(65 ℃)養(yǎng)護13 h，可使徐變降低30%～50%[9]。

1.1.7 結構尺寸、形狀

(1)梁體尺寸越小，徐變越大。當結構尺寸超過90 cm時，其對徐變的影響可以忽略不計[9]。但鐵路混凝土箱梁頂板、底板、腹板厚度一般小于90 cm，因此需考慮梁體尺寸對徐變的影響。

(2)梁體體積比與表面積比影響梁體濕度的分布，進而影響收縮徐變。徐變系數(shù)隨體積和表面積比的增加而減小[10]。

1.1.8 施工因素

(1)原材料、配合比的變化，混凝土彈性模量與理論值有出入。

(2)模板定位及混凝土澆筑方量偏差，結構截面尺寸、混凝土體積與理論值有出入。

(3)預應力管道的實際位置與設計位置有偏差，預應力產生的彎矩與理論值有偏差。

(4) 由于受張拉設備精度、管道不平順等多種因素影響，張拉預應力、預應力損失與理論值有出入。

1.2 收縮徐變控制技術路線

橋位處的溫度、濕度不能改變；結構尺寸和形狀要滿足功能和構造要求，也不易改變；持荷是橋梁的功能，橋梁建成后就會承受荷載。從上述影響收縮徐變的因素分析可知，以下措施和方案可以用于工程中控制徐變。

(1)適當增加梁高

混凝土徐變是以彈性變形為基礎，減少彈性變形則可減少徐變。減小彈性變形的有效手段是加大剛度值，彈性模量可以通過提高混凝土強度等級及延長加載齡期來實現(xiàn)，梁體截面慣性矩則由梁體截面尺寸決定，增加梁高可以明顯提高結構剛度。此外，增加梁高，可以減少預應力，從而有利于徐變控制；減少梁高，則需要配置較多的預應力筋，預應力越大，混凝土徐變就越大。

(2)控制梁體截面上下緣應力差

通過調整預應力束布置和張拉力，可以控制恒載作用下梁體截面上、下緣應力差在4～5 MPa以內[11]。

(3)控制截面正應力水平

通過調整截面尺寸、預應力布置等手段控制恒載作用下截面應力不超0.4fc(fc為棱柱體抗壓強度)[12-13]，避免收縮徐變與應力成非線性增長。

(4)選擇合適的預應力張拉齡期

加載齡期的增加，一方面可減少徐變終極值，另一方面隨著混凝土彈性模量的提高，也可減少彈性變形值，從而有利于減少工后徐變。在滿足施工組織和工期的前提下，盡量加大預應力張拉齡期。

(5)選擇合適的線路設備鋪設時間

在軌道板澆筑前梁體的徐變不影響軌道線形。早鋪軌，有利于減少總的收縮徐變，但工后收縮徐變更大；晚鋪軌總的收縮徐變會增大，但有利于減少工后徐變。因此要結合工期和施工組織，合理確定鋪軌時間。

(6)精心施工

好的設計只有通過好的施工才能實現(xiàn)，徐變控制一方面要從設計源頭解決，另一方面也要求施工預以保障。

①選好混凝土骨料，做好混凝土配比，保證混凝土彈性模量。

②控制好模板，減少截面尺寸誤差。

③保證預應力管道位置和平順度，測試管道摩阻和錨口摩阻，保證張拉設備狀態(tài)合格，并按“雙控”要求張拉預應力，避免預應力偏差。

④做好混凝土振搗和養(yǎng)護。

⑤按設計要求的混凝土齡期張拉預應力束。

1.3 控制收縮徐變措施研究

1.3.1 梁高對收縮徐變的影響

梁高決定橋梁豎向剛度，也影響徐變值。大跨度連續(xù)梁采用懸臂澆筑法施工，為適應懸臂澆筑法的受力，梁體需要采用變高度。根據(jù)國內外鐵路橋梁的統(tǒng)計，支點處梁高與梁跨的比值一般為112～116，跨中梁高與支點處梁高的比值為1/1.3～1/2。

主跨150 m連續(xù)梁中支點處梁高取11.5 m，為跨度的1/13；中跨跨中及邊跨支點梁高取6.5 m，為中跨支點處梁高的1/1.77。對三跨連續(xù)梁，梁高增大0.5 m時中跨跨中工后徐變減小了3.369 mm(-38.5%)，梁高減小0.5 m時中跨工后徐變增大了4.448 mm (50.8%)；對四跨連續(xù)梁，梁高增大0.5 m時中跨跨中工后徐變減小了2.121 mm(-45.6%)，梁高減小0.5 m時中跨工后徐變增大了2.901 mm(62.4%)(表1、表2)。對三跨連續(xù)梁，當梁高減小0.5 m時跨中工后徐變?yōu)?3.2 mm，大于限值10 mm，不滿足無砟軌道的要求；設計梁高的最大工后徐變?yōu)?.753 mm，說明設計梁高取值合理。

表1 梁高對工后徐變影響(三跨連續(xù)梁)

表2 梁高對工后徐變影響(四跨連續(xù)梁)

1.3.2 鋪軌時間對收縮徐變的影響

從表3、表4可知，不同時間鋪軌，對工后徐變影響較大，各鋪軌時間均可滿足無砟軌道要求。鋪軌時間推遲，工后徐變減少，如90 d鋪軌比30 d鋪軌三跨連續(xù)梁中跨工后徐變減少1.15 mm，四跨連續(xù)梁減少0.567 mm。由圖1、圖2可見,小于60 d鋪軌工后徐變成非線性增大，大于60 d鋪軌徐變成線性減小，因此鋪軌時間不宜早于2個月。在工期許可時，推遲鋪軌對控制工后徐變有利。

表3 鋪軌時間對工后徐變影響(三跨連續(xù)梁)

表4 鋪軌時間對工后徐變影響(四跨連續(xù)梁)

圖1 不同鋪軌時間與60 d鋪軌工后徐變比值曲線(三跨連續(xù)梁)

圖2 不同鋪軌時間與60 d鋪軌工后徐變比值曲線(四跨連續(xù)梁)

1.3.3 張拉時混凝土齡期對收縮徐變的影響

從3、5、7、10 d四種張拉齡期的對比計算分析(表5、表6)可以發(fā)現(xiàn)，工后徐變隨張拉齡期的增加而減小，但影響不大，與其它跨度混凝土連續(xù)梁規(guī)律相同[14]。各齡期張拉預應力工后徐變均可滿足要求。

表5 齡期對工后徐變影響(三跨連續(xù)梁)

表6 齡期對工后徐變影響(四跨連續(xù)梁)

對三跨連續(xù)梁，不同齡期的中跨跨中豎向工后徐變與齡期7 d相比，10 d減小了0.314 mm(-3.6%)、5 d增加了0.223 mm(2.6%)、3d增加0.503 mm(5.8%)。對四跨連續(xù)梁，不同齡期的中跨跨中豎向工后徐變與齡期7 d相比，10 d減小了0.188 mm(-4.0%)、5 d增加了0.136 mm(2.9%)、3 d增加0.316 mm(6.8%)。

一般地，采用5 d齡期張拉預應力，考慮到跨度150 m為無砟軌道最大跨度預應力混凝土梁，增加張拉齡期有利于徐變控制，且能滿足工期要求，莞惠城際采用7 d齡期張拉預應力。

1.3.4 合龍順序對收縮徐變的影響

由表7可知，不同合龍順序對中跨、邊跨最大工后徐變影響不大，對中跨的影響大于邊跨。

先中跨后邊跨的合龍順序比先邊跨后中跨的合龍順序中跨跨中工后徐變，三跨連續(xù)梁減小了0.497 mm(約5.7%)，四跨連續(xù)梁增大了0.191 mm(約4.1%)。

雖然合龍順序對梁體應力、后期徐變影響不大，但先邊跨后中跨合龍順序穩(wěn)定性更好控制且梁體線形更平順，因此應采用先邊跨后中跨合龍方案。

表7 合龍順序對工后徐變影響

2 三跨、四跨連續(xù)梁徐變影響對比分析

梁高對三跨、四跨連續(xù)梁徐變影響對比分析見表8。 從表8可知，不同梁高下，四跨連續(xù)梁的工后徐變較三跨連續(xù)梁小，且梁高越大，影響越大。說明相同梁高時，四跨連續(xù)梁比三跨連續(xù)梁具有更大的剛度。

表8 梁高對工后徐變影響對比

鋪軌時間對三跨、四跨連續(xù)梁徐變影響對比分析見表9。由表9可見，不同鋪軌時間四跨連續(xù)梁的工后徐變較三跨連續(xù)梁小， 四跨連續(xù)梁的中跨工后徐變約為三跨連續(xù)梁的1/2；不同鋪軌時間對三跨、四跨連續(xù)梁徐變的影響相當。

表9 鋪軌時間對工后徐變影響對比

預應力張拉齡期對三跨、四跨連續(xù)梁徐變影響對比分析見表10。由表10可見，不同預應力張拉齡期四跨連續(xù)梁的工后徐變較三跨連續(xù)梁小，四跨連續(xù)梁的中跨工后徐變約為三跨連續(xù)梁的一半；預應力張拉齡期不同對三跨、四跨連續(xù)梁的徐變影響相當。

表10 張拉齡期對工后徐變影響對比

合龍順序對三跨、四跨連續(xù)梁徐變影響對比分析見表11。由表11可知，不同合龍順序，四跨連續(xù)梁的工后徐變比三跨連續(xù)梁小。對三跨連續(xù)梁，先邊跨后中跨合龍順序后期徐變略大，對四跨連續(xù)梁，先中跨后邊跨合龍順序后期徐變略大。

表11 不同合龍順序對工后徐變影響對比

3 包絡設計[15]

預應力不足是預應力混凝土梁下?lián)虾透拱彘_裂的主要因素[16]，對特別重要的橋梁，應進行預應力敏感性分析，必要時可按某一指定的有效預應力不足比例進行補償配束。

規(guī)范容許預應力有±6%的施工誤差，結構尺寸有±5%的施工誤差，因此設計時要考慮規(guī)范允許的施工誤差對橋梁的不利影響。此外應充分考慮收縮徐變的偏差對結構受力和變形的不利影響，對大跨度混凝土橋梁更應如此。

莞惠城際在主跨超過100 m混凝土連續(xù)梁設計時，除頂板、底板預留一定量的備用束作為施工階段應急措施外，還采用了體外預應力作為應急措施[17]，進一步提高了大跨度橋梁的抗風險能力。

4 關鍵施工方案研究

大跨度鐵路混凝土連續(xù)梁，結構尺寸大，各節(jié)段混凝土數(shù)量大，施工時不平衡彎矩大，徐變控制難度大，因此施工方案尤其是關鍵施工方案要認真研究，并精心施工。

4.1 梁體臨時固結方案

臨時固結是采用懸臂澆筑施工時保持梁體穩(wěn)定的一種措施，待合龍后，再拆除。目前臨時固結設計并無統(tǒng)一標準或規(guī)范[18]。一般有以下幾種方案:硫磺砂漿塊、鋼筋混凝土塊、砂筒、臨時墩以及組合方案，各方案工藝和優(yōu)缺點比較如表12所示。

表12 梁體臨時固結方案比較

莞惠城際鐵路主跨150 m，為當時最大跨度鐵路混凝土連續(xù)梁，墩身不高，且珠三角位于臺風地區(qū)，施工期間需經多次臺風，為確保懸臂施工安全，采用方案4與方案1或方案4與方案2的組合方案，即墩側設鋼管混凝土或鋼筋混凝土臨時墩+硫磺砂漿塊或混凝土塊作為梁體臨時固結方案。

4.2 不平衡彎矩

不平衡彎矩關系到梁體臨時固結結構的設計，關系到懸臂澆筑施工的安全，但其設計荷載的取值，不論是相關設計規(guī)范還是相關施工技術規(guī)范，沒有作出明確規(guī)定[19]。不平衡彎矩需考慮以下荷載效應，并取其最不利工況。

(1)施工機具：梁體上的不平衡機具、材料和施工人員。

(2)施工誤差：施工誤差引起的不平衡梁體自重。

(3)機具沖擊：機具吊裝作業(yè)時對梁體的沖擊。

(4)不同步澆筑：T構兩端梁段澆筑混凝土不同步引起的偏差。

(5)風力：T構兩端所受風力。

(6)預應力：預應力引起的不平衡效應。

(7)梁體構造：T構兩端由于梁體結構構造(如鋸齒塊的布置與類型不同)引起的不平衡。

(8)掛籃墜落：掛籃連同未凝固的混凝土意外墜落。

施工機具不平衡、風力作用等不可避免，施工不同步、施工誤差是可以控制的，應嚴格控制結構尺寸，對稱、平衡澆筑。掛籃墜落引起不平衡彎矩大且影響大，應加強掛籃錨固，杜絕發(fā)生掛籃突然墜落的事故，遇大風天氣應退至0號塊錨固。

莞惠城際 (80+150+80) m、(80+150+150+80) m混凝土連續(xù)梁不平衡彎矩計算參數(shù)取值如下：①施工機具一側取0.48 kN/m，另一側取0.24 kN/m；②施工誤差取±2.5%已施工梁重；③機具沖擊作用系數(shù)取機具重的±20%；④澆筑不同步可取最后一個梁段底板重、節(jié)段±20%或一個合理噸位如200 kN；⑤風力取1 250 Pa。未計掛籃突然墜落，按①+②+③+④和①+②+③+⑤最不利組合最大不平衡彎矩為111 794 kN·m，豎向支反力為93 568 kN。為安全起見，也可考慮掛籃底籃系統(tǒng)突然墜落引起的不平衡彎矩[18]，設計臨時固結。

4.3 支架預壓及高程控制

支架預壓的目的是消除支架及掛籃(包括模板)的塑性變形，同時得到支架及掛籃較真實的彈性變形值，以此作為立模高程的依據(jù)，從而保證梁體線形。

支架拼裝或掛籃安裝完畢后進行預壓，預壓重力為梁段自重的1.2倍，分60%、90%、120%三級或50%、75%、100%、120%四級加載，可用砂袋等堆載。堆載時要按照單位橫斷面荷載分布情況進行堆放，從中間向兩側對稱均勻堆載，以便能真正模擬混凝土荷載，達到預壓的目的。如采用砂袋預壓，雨天應注意防水，避免砂袋吸水超出支架承載能力而壓垮支架。

每個截面設5個沉降觀測點，分別位于左翼緣、左腹板中、底板中、右腹板中和右翼緣板。觀測時間定在預壓加載前、各級加載24 h后、卸載50%后、卸載完后，隨即繪制荷載與沉降量曲線，以此計算支架或掛籃彈性變形值和塑性變形值。通過預壓，可以得出支架或掛籃的非彈性值(消除非彈性變形)及彈性變形值；卸載后，根據(jù)觀測到的彈性變形值，結合設計給定的預拱值確定梁體施工的底模高程，調整模板和檢查支架。

4.4 混凝土澆筑

主跨150 m連續(xù)梁各節(jié)段混凝土方量都較大，尤其是0號塊達660多m3。應選擇一天中溫度最低時澆筑，并控制澆筑速度，并在混凝土初凝前全部澆筑完成。

橋墩兩側混凝土應對稱、平衡澆筑，不平衡重不應大于設計允許值。

由于梁體變高度，底板為曲線線形，因此要注意底板預應力筋防崩，加強底板上下鋼筋網(wǎng)間聯(lián)系筋，聯(lián)系筋要鉤住上下鋼筋網(wǎng)，必要時用箍筋代替拉筋；加強底板預應力管道定位，避免預應力管道上浮，尤其是要避免兩相鄰節(jié)段處管道的不平順。

(1)0號塊混凝土澆筑

0號塊混凝土按施工規(guī)程要求應一次澆筑[19]，但大跨度連續(xù)梁0號塊混凝土數(shù)量大，有時一次澆筑有困難，需采用二次澆筑。

如0號塊混凝土采用一次澆筑，應采取緩凝措施，保證梁體混凝土在最先澆筑的混凝土初凝前全部澆完。

如0號塊混凝土采用豎向分二次澆筑時，應采取以下措施：①接縫位置宜位于上梗脅20～50 cm、橫隔板橫向預應力管道以上并避開縱向預應力管道；②應盡量縮短兩次澆筑時間間隔，不宜超過10 d；③防止分層處產生收縮裂紋，可在混凝土接縫表面布置φ8 mm護面鋼筋網(wǎng)或φ16 mm接茬鋼筋；④提高接縫面鑿毛質量，鑿毛時混凝土強度不低于2.5 MPa(人工)、10 MPa(機械)，接縫表面松弱層應鑿除、清理干凈，露出不少于75%的新鮮混凝土面，澆筑混凝土前應將接縫面混凝土充分潤濕但不能有積水；⑤0號塊鋼筋、預應力管道密集，結構復雜，應加強振搗。

(2)合龍段混凝土澆筑

合龍段混凝土澆筑前，應在合龍口兩端懸臂壓重穩(wěn)定懸臂。每一懸臂端預壓重力可取合龍段現(xiàn)澆混凝土重力之半，并在澆筑過程中按混凝土等重方式逐步撤除。

合龍段混凝土應采用補償收縮混凝土，混凝土強度等級宜較梁體提高一個等級。

4.5 預應力張拉

對主跨150 m連續(xù)梁，除滿足常規(guī)要求外，還有以下特殊要求。

(1)張拉齡期增加至7 d，即在混凝土強度達到28 d強度的95%、彈性模量達到設計值的100%，且齡期大于7 d后方可進行鋼絞線的張拉工作。

(2)豎向預應力對主拉應力影響很大[8,20]。豎向預應力筋采用兩次張拉，即豎向預應力筋在第一次張拉完成1 d后進行第二次張拉，以保證豎向預應力。

(3)每一梁段懸臂端的最后一根橫向預應力筋，應在下一梁段橫向預應力筋張拉時進行張拉。

(4)橫、豎向預應力筋張拉滯后縱向預應力筋張拉不宜大于3個懸臂段。

4.6 臨時鎖定和合龍

(1)莞惠城際設計要求的合龍順序為先合龍邊跨后合龍中跨。施工時應按設計要求的合龍順序進行，以確保結構全體系轉換后梁體內力及變形符合設計要求。

(2)合龍口臨時鎖定力，必須大于解除合龍口任何一側梁體臨時固結后各墩全部活動支座的摩擦力，以保證合龍梁段混凝土從開始澆筑至完成縱向預應力張拉時不承受任何拉力，避免合龍段混凝土開裂。

(3)合龍口應在合龍口最大、懸臂端高程符合要求時鎖定。由于梁體收縮變形滯后于最低環(huán)境溫度2～3 h，故一般宜在一日之晨鎖定。

(4)合龍口臨時鎖定后，應立即將合龍口一側的梁體固結及支座臨時鎖固約束解除，使梁的一側能在合龍口臨時鎖定裝置連接下沿支座自由伸縮。

4.7 結構體系轉換

利用連續(xù)梁成橋負彎矩預應力筋是連續(xù)梁懸臂澆筑施工的特點。懸澆過程中各獨立T構的梁體處于負彎矩受力狀態(tài)，隨著T構的依次合龍，梁體也依次轉化為不同的受力狀態(tài)。

結構體系轉換施工時應注意以下幾點。

(1)結構由雙懸臂狀態(tài)轉換成單懸臂受力狀態(tài)時，梁體有些部位的彎矩方向發(fā)生轉換。所以在拆除梁體錨固前，應按設計要求，張拉一部分或全部張拉布置在梁體下部的正彎矩預應力束。對活動支座還需保證解除臨時固結后的結構穩(wěn)定，采取措施限制單懸臂梁發(fā)生過大縱向水平位移。

(2)梁體臨時錨固的放松，應均衡對稱進行，確保逐漸均勻地釋放。在放松前應測量各梁段高程，在放松過程中，注意各梁段的高程變化，如有異常情況，應立即停止作業(yè)，找出原因，以確保施工安全。

(3)在結構體系轉換中，臨時固結解除后，將梁落于正式支座上，并按高程調整支座高度及反力。調整以高程控制為主，反力作為校核。

5 結論

(1)通過對主跨150 m連續(xù)梁梁高、鋪軌時間、張拉時混凝土齡期、合龍順序的對比計算分析表明，梁高對徐變影響大，增大梁高是控制工后徐變的最有效措施。鋪軌時間對工后徐變影響較大，成橋后不少于60 d鋪軌較合理。張拉齡期對工后徐變影響不大，合龍順序對工后徐變影響很小，但延長預應力張拉齡期對工后徐變控制有利，合龍順序影響梁體線形，宜先邊跨后中跨。

(2)通過對主跨150 m三跨、四跨連續(xù)梁徐變計算對比分析表明，四跨連續(xù)梁比三跨連續(xù)梁剛度大，相同條件下四跨連續(xù)梁工后徐變比三跨連續(xù)梁更小。

(3)大跨度連續(xù)梁宜預留體外預應力條件，進行包絡設計，以增加大跨度橋梁的應急能力和抗風險能力。

(4)大跨度連續(xù)梁懸臂澆筑時臨時固結宜采用組合方案以提高安全性。當采取二次澆筑時，要合理選擇接縫位置并采取防裂措施。

本文研究成果應用于莞惠城際中，莞惠城際全線已于2017年12月正式運營。多年的運營證明，主跨150 m無砟軌道混凝土連續(xù)梁，通過采取適當增加梁高，控制截面應力水平及其應力差，選擇合理鋪軌時間等措施，可以滿足無砟軌道工后徐變毫米級要求。工程應用實例證明，設計研究取得了成功。