许锡昌,周 伟,陈善雄

(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071)

1 概述

相对于普通铁路,高速铁路更强调列车运行的平顺性和舒适性,同时,也给铺设无砟轨道的桥梁带来了新的课题。一般来说,影响桥面轨道不平顺的因素主要包括:预应力混凝土桥梁的徐变上拱,荷载作用下梁端转角、墩台基础的不均匀沉降,梁体上、下缘不均匀温差等,其中,预应力混凝土桥梁的徐变上拱是影响桥面轨道平顺性的主要因素。

针对混凝土箱梁徐变上拱问题,科技人员作了大量的工作。谢春晖[1]对适用于大跨度无砟轨道桥梁的高强度等级混凝土进行了徐变试验研究。郭时安等[2]对预应力混凝土箱梁在施工阶段的收缩徐变效应进行了研究,探讨了适合节段施工桥梁结构施工阶段收缩徐变的计算模型。宋津喜[3]对武广铁路客运专线 32m箱梁进行了预应力效果及长达 90 d的徐变上拱监测,探讨了预应力的发展规律,并提出了控制徐变上拱的具体措施。叶梅新等[4]根据预应力混凝土桥梁的徐变试验成果,从设计、施工等方面研究了后期徐变变形的控制方法。

目前,铁路客运专线大多采用无砟轨道,桥梁普遍采用双线单箱单室整孔后张法预应力混凝土简支箱梁。由于混凝土的徐变效应,预应力混凝土简支箱梁桥的梁体在预应力荷载作用下的上拱变形缓慢发展,在运营阶段梁体徐变变形的发展将会引起桥面的立面线形不平顺,影响行车安全和旅客舒适度,上拱度过大甚至可造成梁体无法使用。这种影响在铁路客运专线上显得尤为突出,研究梁体的徐变上拱变化规律,对于保证列车运行的平顺性和舒适性,具有重要的工程意义。本文以武广铁路客运专线耒阳制梁场 14片箱梁为研究对象,探讨 32m单跨简支梁的徐变上拱规律。

2 单跨简支梁徐变上拱的弹性变形特征

武广铁路客运专线耒阳制梁场共需预制箱梁 154孔,均为双线单箱单室整孔后张法预应力混凝土简支箱梁,根据设计要求,需对其中 14孔梁进行徐变观测。图1给出了从终张拉至架梁完成后一段时间的典型变形上拱曲线,其他梁体变形上拱曲线情形类似。表1则给出了不同阶段梁的变形数据。

图1 典型梁体变形上拱曲线

从图1和表1可以看出:

(1)梁体的弹性变形在终张拉结束后即可完成,弹性上拱度在 8.50～12.50mm,平均为 10.95mm,标准差 1.61mm,变异系数为 0.15;

(2)终张拉后 60 d的变形上拱量(含弹性变形)在17.00～20.00 mm,平均为 18.77 mm,标准差 1.02 mm,变异系数为 0.05。

可以看出,梁体的变形包括弹性变形和徐变变形两个阶段。弹性变形在终张拉结束时即可完成,由于混凝土徐变的时变特性,预应力混凝土桥梁的徐变效应贯穿于桥梁建造过程以至整个服务期。

3 终张拉后 60 d内的徐变上拱特征

预应力混凝土桥梁的徐变效应主要体现在以下几个方面。

(1)梁体中混凝土和钢筋的应力、应变均随时间而变化:无论预应力混凝土桥梁处于静定体系还是超静定体系,混凝土的自由徐变均受到钢筋的约束,同一截面上的混凝土和钢筋的应力必将发生重分布,混凝土、钢筋的应力、应变随时间而变化。

表1 梁体不同阶段变形上拱数据

(2)梁体的挠度或上拱度随时间而变化:预应力混凝土梁在自重、预应力以及二期恒载等其他临时荷载作用下,截面通常承受不均匀受压,混凝土的徐变导致截面曲率的绝对值依时而递增,梁体的挠度或拱度亦随时间而增长。

(3)在持续荷载作用下,徐变降低了相对于该持续荷载而言的梁体刚度:在持续恒载作用下,徐变使混凝土的应变随时间而增加,从而导致了混凝土的应力与应变之比值随时间而降低,梁体“有效刚度”亦随时间而降低,从而导致梁体的时变上拱或下挠。

(4)徐变影响梁体混凝土的开裂过程:在预应力钢筋锚固部位附近的高应力区域或应力集中处,徐变极可能促使混凝土裂缝的提前出现或加速裂缝的扩展。

根据预应力混凝土梁徐变变形的发展规律,一般条件下,终张拉后 60 d梁体的徐变变形可完成约50%,因此,规定在梁体终张拉开始应进行变形观测,同时终张拉后应进行为期 60 d的梁体徐变变形观测。为便于研究终张拉后 60 d内的变形特征,图2给出了自终张拉完成至架梁完成后一段时间扣除弹性变形的徐变上拱曲线,观测时间起点为终张拉结束当日。

图2 梁体终张拉后徐变上拱曲线

从图2可以看出:

(1)终张拉后 60 d的徐变变形量在 5.00～11.50 mm,平均为 7.82mm,标准差 1.74mm,变异系数为0.22,说明徐变离散性较大。

(2)从徐变曲线来看,终张拉结束后 15 d内发展较快,5 d内可完成 60 d徐变的 60%左右,15 d内完成60 d徐变的 80%,到 30 d时发展已比较缓慢,基本达到最大值,此后速度越来越慢。

4 对目前徐变控制标准的思考

收缩徐变引起桥梁上拱变形的控制是一个既关键而又不容易解决的难题。混凝土收缩应变终值的预计,主要依据环境条件、混凝土成分及构件尺寸。虽然规范都有相应计算方法,但是混凝土的徐变、收缩及其对结构性能影响的预计和控制,是十分复杂又难以获得精确答案的问题,几乎所有影响徐变、收缩的因素,连同它们所产生的结果本身都是随机变量,其变异系数最少也要达到 15%。因此,对于一些特别重要的工程,应通过模型试验或实物测量的方法来校核计算中所用的参数,以提高计算结果与实际接近的程度。而实际工程中,施工环境和工艺水平等往往差异较大,为了确保工程质量,在施工过程中对桥梁上拱变形进行监控量测是非常有意义的。

目前,对施工过程中徐变的控制主要有以下规范。

(1)《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》(铁建设[2006]158号)[5]

规定 1:终张拉完成时,梁体跨中弹性变形不宜大于设计值的 1.05倍。

本文所研究的梁体跨度为 32m,梁体跨中弹性变形设计值为 11.89mm,其 1.05倍为 12.48mm,其中有11片梁的弹性上拱度小于 12.48 mm,3片梁超过12.48mm,基本能够满足要求。

规定 2:扣除各项弹性变形、终张拉后 60 d,L≤50 m梁体跨中徐变上拱度实测值不应大于 7mm;跨度 L＞50m梁体跨中徐变上拱度实测值不应大于 L/7 000或14mm。

14片梁中,共有 9片梁的徐变上拱度超过 7mm,5片梁的徐变上拱度小于 7mm。多数梁体不满足架梁要求。

目前,制梁场采用应力与变形双控制的方法进行张拉施工,出现超张拉现象自然也就不可避免。当徐变上拱度超过 7mm时,文献[5]建议采用延长放置时间的方法解决超张拉问题,并给出了估算放置时间的经验公式。但实际上,一些超张拉的梁并没有延长放置时间,而是在终张拉后 60 d即开始架梁。

(2)客运专线铁路变形观测评估技术手册[6]

规定:常用跨度简支梁在轨道系统铺设完成后,跨度小于 50m的简支梁,徐变上拱度不应大于 10mm,当跨度大于 50m时,其徐变上拱度不应大于 L/5 000,且不得大于 20mm。

目前,32 m单跨简支梁采用 900 t架桥机架设。运梁车的来回走动对梁体的徐变也会造成一定的影响。

从图2可以看出,架梁后不少梁体徐变不仅没有持续增大,反而出现了徐变减小的现象,说明在梁体运输、架设、运梁车通过以及二次恒载的施加都会对其徐变产生一定的弱化影响。

轨道系统铺设完成后,往往进行联调联试,进行 1～2年的持续观测几乎无法实现,本规定实际执行难度大。

(3)《新建时速 300～350 km客运专线铁路设计暂行规定》(上、下)[7]

规定:无砟轨道的铺设应在终张拉完成至少 60 d后完成。轨道铺设后,无砟桥面梁的徐变上拱值不应大于 10mm。

从图2可以看出,终张拉完成后 30 d的徐变变形基本接近 60 d时的变形,说明当工期较紧时,无砟轨道的铺设也可在终张拉完成 30 d后完成。

对于铺轨后的徐变控制,本规定同样存在后续观测难度大的问题。

从以上分析可以看出,对终张拉结束后 60 d的徐变上拱度实测值进行控制比较方便,而对铺轨完成后的徐变控制不容易实现。

5 结论

(1)梁体的弹性变形在终张拉结束后即可完成,跨中弹性上拱度平均值不超过设计值的 1.05倍,离散性较小。

(2)梁体终张拉后 60 d的变形在初期发展较快,30 d内基本达到 60 d时的变形量,徐变变形平均值超过 7mm,离散性较大。

(3)对于施工期的徐变控制,采用终张拉结束后60 d的徐变上拱度实测值进行控制比较方便,当工期较紧时,终张拉完成后 30d也可进行架梁工作。

(4)由于轨道铺设后,后期的徐变监测干扰因素太多,无砟桥面梁的徐变上拱值不应大于 10mm的控制标准不易实施,可实施性不强。

[1] 谢春晖.大跨度无砟轨道桥梁的混凝土徐变试验研究[J].中国西部科技,2009,8(7):26- 27.

[2] 郭时安,冯 沛,邵旭东.预应力混凝土箱梁桥施工阶段收缩徐变效应分析[J].中外公路,2009,29(3):101- 104.

[3] 宋津喜.武广铁路客运专线 32m箱梁预应力效果监测及徐变上拱的控制措施[J].中国工程科学,2009,11(1):60- 65.

[4] 叶梅新,钱 淼,刘 杰.无砟轨道预应力混凝土桥梁徐变变形控制方法研究[J].铁道标准设计,2009(2):92- 94.

[5] 铁建设[2006]158号—2006,客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南[S].

[6] 工管技[2009]77号—2009,客运专线铁路变形观测评估技术手册[S].

[7] 铁建设[2007]47号—2007,新建时速 300～350km客运专线铁路设计暂行规定[S].