鐵路大跨度連續剛構收縮徐變計算分析

姜海君

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 研究背景

連續剛構是T構和連續梁的結合體，既保持了T構主墩不設支座、抗震性能好的優點，又繼承了連續梁跨越能力強、行車舒適性好的特點；同時由于墩、梁和基礎結為一體共同受力，大大增強了結構順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度，保證了行車舒適性。連續剛構相比于T構和連續梁，優化了橋墩縱向尺寸和梁部高度，減小了溫度跨度。在大跨度混凝土橋梁中十分具有競爭力，尤其在山區鐵路跨越溝壑或河流時更受工程師們的青睞。但連續剛構為超靜定結構，受力復雜，混凝土收縮徐變、溫度變化、墩臺不均勻沉降和預應力作用等均會引起結構附加內力，并對結構受力產生較大影響[1－4]。大跨度預應力混凝土連續剛構，由于受混凝土收縮徐變的影響，成橋后可能出現較大的豎向變形，高速鐵路橋梁出于行車安全性和乘坐舒適性考慮，規范規定成橋后有砟軌道橋梁豎向殘余徐變變形不應大于20 mm；無砟軌道橋梁豎向殘余徐變變形跨度小于等于50 m時，不應大于10 mm，跨度大于50 m時，不應大于L/5 000且不應大于20 mm[5]。

近年來，伴隨著我國鐵路建設的蓬勃發展，橋梁建設迎來了快速發展的春天，而大跨度預應力混凝土連續剛構橋作為主要的橋型之一，在我國鐵路橋梁建設中被廣泛應用。但此類橋型在施工及運營階段出現了諸多問題，如施工期間應力和線形與設計不相符、運營后期主梁跨中下撓過大超過規范限值影響行車安全等，尤其主梁豎向變形過大問題已成為橋梁工程界在設計、施工、運營中不得不考慮的焦點問題。如何確保成橋后豎向殘余徐變變形滿足規范限值要求，是連續剛構設計的關鍵[6－8]。

2 收縮徐變計算方法

目前國內外關于混凝土收縮應變和徐變系數的計算方法眾多，常用的有 CEB-FIP1978模式、CEB-FIP1990模式、FIB MC2010模式、ACI 209-92模式、B3模式、GL2000模式等，其中FIB(國際結構混凝土協會)是CEB(歐洲混凝土委員會)和FIP(國際預應力混凝土協會)合并后的名稱。我國公路橋梁設計規范JTJ 023—85采用的模式是對CEB-FIP1978模式略作修改所得，而其后續規范JTG D62—2004和JTG 3362—2018均采用了CEB-FIP1990的修改模式；我國鐵路橋梁設計規范自TB 10002.3—99起，經歷TB 10002.3—2005、TB 10002—2017 及 Q/CR 9300—2018(極限狀態法)版本，均采用了對CEB-FIP1978的修改模式。

3 主橋設計

本文以漢巴南鐵路恩陽河特大橋(72＋136＋72)m連續剛構為工程背景，采用BSAS和Midas Civil有限元軟件建立全橋計算模型，對六種(TB 10002.3—2005、TB 10002—2017、JTJ 023—1985、JTG 3362—2018、CEB-FIP1978、CEB-FIP1990)不同規范的收縮徐變變形結果進行對比分析。

漢巴南鐵路恩陽河特大橋為時速250 km雙線(線間距4.6 m)有砟橋梁，主橋采用(72＋136＋72)m連續剛構，為跨越恩陽河而設，引橋采用64 m節段膠拼簡支箱梁。

(72＋136＋72)m連續剛構主梁全長281.6 m，計算跨度(72＋136＋72)m，邊支點梁高5.2 m，中支點梁高9.2 m，邊支座中心線至梁端0.8 m；梁體為單箱單室、變高度、變截面結構；箱梁頂寬12.2 m，箱梁底寬7.0 m，頂板厚度50～75 cm，底板厚度55～118.1 cm，按折線變化至中支點梁根部，中支點處加厚到200.0 cm，腹板厚60～90～110～130 cm，按折線變化。中支點和跨中橫斷面見圖1。5～8號橋墩高度依次為73.5 m、80.5 m、87.5 m和73.5 m，均采用圓端型空心墩。

圖1 (72＋136＋72)m連續剛構橫斷面(單位:cm)

4 計算對比分析

目前國內各鐵路設計單位連續剛構設計采用的計算軟件主要有BSAS、Midas Civil和橋梁博士三種，但由于Midas Civil和橋梁博士計算軟件以服務公路橋梁為主，鐵路橋梁相關規范更新較慢，且梁部結果后處理不太全面，故各鐵路設計單位連續剛構設計時基本都是以BSAS軟件計算為主，Midas Civil和橋梁博士軟件為輔進行設計。

4.1 BSAS軟件三種不同規范豎向殘余變形對比分析

西南交通大學開發的BSAS Pro 2019軟件中包含TB 10002.3—2005、TB 10002—2017 和 JTG 3362—2018三種不同規范收縮徐變模型供設計者進行選擇。本文采用BSAS Pro 2019軟件對(72＋136＋72)m連續剛構在三種不同規范下收縮徐變變形結果進行對比分析，得出三種規范下隨時間變化的豎向殘余變形曲線(見圖2～圖4)、三種規范豎向殘余變形對比曲線(見圖5)和三種規范不同時間段豎向殘余變形占比(見表1)。

表1 三種規范不同時間段豎向殘余變形占比

圖2 TB 10002.3—2005規范時間—豎向殘余變形曲線

圖3 TB 10002—2017規范時間—豎向殘余變形曲線

圖4 JTG 3362—2018規范時間—豎向殘余變形曲線

圖5 三種規范豎向殘余變形曲線對比

分別提取三種規范支點和跨中豎向殘余變形值，見表2。由于橋墩存在豎向變形，提取三種規范扣除橋墩豎向變形后梁體跨中相對豎向殘余變形值，見表3。

式中，Ti(i=1, 2, 3, 4)為各衛星的時間，T為用戶接收機的時間，c為光速，(X, Y, Z)為用戶接收機的坐標。各衛星的時間Ti和坐標(Xi,Yi, Zi)通過解析接收到的衛星報文獲得[3-4]。

表2 三種規范支點和跨中豎向殘余變形 mm

表3 三種規范跨中相對豎向殘余變形 mm

由圖2～圖5和表1～表3可知:

(1)TB 10002.3—2005和 JTG 3362—2018規范計算結果相差不大；TB 10002—2017規范豎向殘余變形值與前兩種規范相差較大，約為前兩種規范的1.5倍。

(2)收縮徐變第1年占比最大，TB 10002.3—2005規范第1年占比達49%；第2～5年三種規范占比相差不多；TB 10002.3—2005和TB 10002—2017規范10年時收縮徐變變形基本完成；JTG 3362—2018規范10年時收縮徐變變形僅完成74%。

(3)(72＋136＋72)m連續剛構為有砟軌道，根據規范要求豎向殘余變形不應大于20 mm，如豎向殘余變形結果不扣除橋墩豎向變形，不滿足規范要求；規范中規定的豎向變形限值應為扣除橋墩豎向變形后的相對變形，否則橋墩較高時，橋墩變形就已經超過規范限值，扣除橋墩豎向變形后TB 10002.3—2005和JTG 3362—2018規范結果可滿足規范要求。

(4)本橋主墩豎向變形值占總變形值40%左右；扣除橋墩豎向變形后可發現梁體豎向收縮徐變變形為中跨下撓、邊跨上拱。

4.2 BSAS和Midas Civil軟件五種不同規范豎向殘余變形對比分析

JTJ 023—1985和TB 10002—2017規范收縮徐變模型采用CEB-FIP1978的修改模式；JTG 3362—2018規范收縮徐變模型采用CEB-FIP1990的修改模式。采用 Midas Civil軟件對 CEB-FIP1978、JTJ 023—1985、TB 10002—2017、CEB-FIP1990 和 JTG 3362—2018五種規范收縮徐變變形結果進行對比分析，見圖6～圖8；并將BSAS和Midas Civil軟件JTG 3362—2018規范收縮徐變變形結果進行比對。分別提取五種規范支點和跨中豎向殘余變形值，見表4。由于橋墩存在豎向變形，提取五種規范扣除橋墩豎向變形后梁體跨中相對豎向殘余變形值，見表5。

表4 不同規范支點和跨中豎向殘余變形統計 mm

表5 不同規范跨中相對豎向殘余變形統計 mm

圖6 CEB-FIP1990模型系列豎向殘余變形曲線對比

圖7 CEB-FIP1978模型系列豎向殘余變形曲線對比

圖8 不同規范豎向殘余變形曲線對比

由圖6～圖8和表4、表5可知:

(1)JTJ 023—1985、TB 10002—2017 和 CEBFIP1978規范計算結果相差不多；JTG 3362—2018和CEB-FIP1990規范計算結果相差不多；CEBFIP1978系列模型結果大于CEB-FIP1990系列模型結果，前者為后者1.5倍左右。

(2)BSAS和Midas Civil軟件采用JTG 3362—2018規范計算結果相差不多，相對變形結果均滿足規范要求，但BSAS和Midas Civil軟件橋墩豎向變形結果相差較大，前者為后者的1.5倍左右。

5 研究總結

本文以恩陽河特大橋(72＋136＋72)m連續剛構為背景，采用BSAS和Midas Civil軟件對六種不同規范收縮徐變變形結果進行對比分析，得出以下結論:

(1)CEB-FIP1978模型系列收縮徐變變形結果遠大于CEB-FIP1990模型系列結果，前者為后者1.5倍左右，采用CEB-FIP1978模型系列豎向殘余變形很難滿足規范限值要求。多篇文獻結果證明CEBFIP1990系列模型結果與實際值更接近[10－12]，且BSAS軟件也推薦采用JTG 3362—2018規范模型。故建議后續鐵路橋梁收縮徐變計算采用JTG 3362—2018規范模型。

(2)梁體收縮徐變變形第一年占比最大，延遲鋪軌時間可有效減小梁體豎向殘余變形。

(3)鐵路規范收縮徐變變形10年內變形基本完成，公路規范收縮徐變變形10年時間僅完成74%，建議收縮徐變計算時間統一按30年考慮。

(4)規范中規定的豎向變形限值應為扣除橋墩豎向變形后的相對變形，否則橋墩較高時，橋墩豎向變形就已經超過規范限值。橋墩豎向變形占比較大，為保證計算結果的準確性，建模時一定要含橋墩(包括邊墩)。

(5)BSAS和Midas Civil軟件采用JTG 3362—2018規范計算結果相差不多，但BSAS和Midas Civil軟件橋墩豎向變形結果相差較大，前者為后者1.5倍左右。

6 存在問題

(1)梁體收縮徐變豎向變形可通過設置預拱度的方式解決，但橋墩收縮徐變變形較大且隨時間變化較為明顯，預拱度該如何設置，需進一步研究探討。

(2)橋墩高差相差較大時，收縮徐變變形相差較大，對于梁體來說，相當于梁體存在一個較大的不均勻沉降差，對梁體受力影響較大，設計時需注意。

(3)規范中僅對梁體豎向殘余徐變變形限值進行了規定，但是軟件計算時，收縮和徐變變形根本無法區分開來，可以進一步研究探討規范限值可否改為梁體豎向收縮徐變變形限值。

7 結束語

本文通過對恩陽河特大橋(72＋136＋72)m連續剛構在六種不同規范模式下的收縮徐變變形結果對比分析，提出了一些鐵路連續剛構收縮徐變計算存在的問題及設計注意事項，對后續類似工程具有一定的借鑒意義。