武廣鐵路客運專線 32m單跨簡支梁的徐變上拱特征分析

許錫昌,周 偉,陳善雄

(中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室,武漢 430071)

1 概述

相對于普通鐵路,高速鐵路更強調列車運行的平順性和舒適性,同時,也給鋪設無砟軌道的橋梁帶來了新的課題。一般來說,影響橋面軌道不平順的因素主要包括:預應力混凝土橋梁的徐變上拱,荷載作用下梁端轉角、墩臺基礎的不均勻沉降,梁體上、下緣不均勻溫差等,其中,預應力混凝土橋梁的徐變上拱是影響橋面軌道平順性的主要因素。

針對混凝土箱梁徐變上拱問題,科技人員作了大量的工作。謝春暉[1]對適用于大跨度無砟軌道橋梁的高強度等級混凝土進行了徐變試驗研究。郭時安等[2]對預應力混凝土箱梁在施工階段的收縮徐變效應進行了研究,探討了適合節(jié)段施工橋梁結構施工階段收縮徐變的計算模型。宋津喜[3]對武廣鐵路客運專線 32m箱梁進行了預應力效果及長達 90 d的徐變上拱監(jiān)測,探討了預應力的發(fā)展規(guī)律,并提出了控制徐變上拱的具體措施。葉梅新等[4]根據(jù)預應力混凝土橋梁的徐變試驗成果,從設計、施工等方面研究了后期徐變變形的控制方法。

目前,鐵路客運專線大多采用無砟軌道,橋梁普遍采用雙線單箱單室整孔后張法預應力混凝土簡支箱梁。由于混凝土的徐變效應,預應力混凝土簡支箱梁橋的梁體在預應力荷載作用下的上拱變形緩慢發(fā)展,在運營階段梁體徐變變形的發(fā)展將會引起橋面的立面線形不平順,影響行車安全和旅客舒適度,上拱度過大甚至可造成梁體無法使用。這種影響在鐵路客運專線上顯得尤為突出,研究梁體的徐變上拱變化規(guī)律,對于保證列車運行的平順性和舒適性,具有重要的工程意義。本文以武廣鐵路客運專線耒陽制梁場 14片箱梁為研究對象,探討 32m單跨簡支梁的徐變上拱規(guī)律。

2 單跨簡支梁徐變上拱的彈性變形特征

武廣鐵路客運專線耒陽制梁場共需預制箱梁 154孔,均為雙線單箱單室整孔后張法預應力混凝土簡支箱梁,根據(jù)設計要求,需對其中 14孔梁進行徐變觀測。圖1給出了從終張拉至架梁完成后一段時間的典型變形上拱曲線,其他梁體變形上拱曲線情形類似。表1則給出了不同階段梁的變形數(shù)據(jù)。

圖1 典型梁體變形上拱曲線

從圖1和表1可以看出:

(1)梁體的彈性變形在終張拉結束后即可完成,彈性上拱度在 8.50～12.50mm,平均為 10.95mm,標準差 1.61mm,變異系數(shù)為 0.15;

(2)終張拉后 60 d的變形上拱量(含彈性變形)在17.00～20.00 mm,平均為 18.77 mm,標準差 1.02 mm,變異系數(shù)為 0.05。

可以看出,梁體的變形包括彈性變形和徐變變形兩個階段。彈性變形在終張拉結束時即可完成,由于混凝土徐變的時變特性,預應力混凝土橋梁的徐變效應貫穿于橋梁建造過程以至整個服務期。

3 終張拉后 60 d內(nèi)的徐變上拱特征

預應力混凝土橋梁的徐變效應主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)梁體中混凝土和鋼筋的應力、應變均隨時間而變化:無論預應力混凝土橋梁處于靜定體系還是超靜定體系,混凝土的自由徐變均受到鋼筋的約束,同一截面上的混凝土和鋼筋的應力必將發(fā)生重分布,混凝土、鋼筋的應力、應變隨時間而變化。

表1 梁體不同階段變形上拱數(shù)據(jù)

(2)梁體的撓度或上拱度隨時間而變化:預應力混凝土梁在自重、預應力以及二期恒載等其他臨時荷載作用下,截面通常承受不均勻受壓,混凝土的徐變導致截面曲率的絕對值依時而遞增,梁體的撓度或拱度亦隨時間而增長。

(3)在持續(xù)荷載作用下,徐變降低了相對于該持續(xù)荷載而言的梁體剛度:在持續(xù)恒載作用下,徐變使混凝土的應變隨時間而增加,從而導致了混凝土的應力與應變之比值隨時間而降低,梁體“有效剛度”亦隨時間而降低,從而導致梁體的時變上拱或下?lián)稀?/p>

(4)徐變影響梁體混凝土的開裂過程:在預應力鋼筋錨固部位附近的高應力區(qū)域或應力集中處,徐變極可能促使混凝土裂縫的提前出現(xiàn)或加速裂縫的擴展。

根據(jù)預應力混凝土梁徐變變形的發(fā)展規(guī)律,一般條件下,終張拉后 60 d梁體的徐變變形可完成約50%,因此,規(guī)定在梁體終張拉開始應進行變形觀測,同時終張拉后應進行為期 60 d的梁體徐變變形觀測。為便于研究終張拉后 60 d內(nèi)的變形特征,圖2給出了自終張拉完成至架梁完成后一段時間扣除彈性變形的徐變上拱曲線,觀測時間起點為終張拉結束當日。

圖2 梁體終張拉后徐變上拱曲線

從圖2可以看出:

(1)終張拉后 60 d的徐變變形量在 5.00～11.50 mm,平均為 7.82mm,標準差 1.74mm,變異系數(shù)為0.22,說明徐變離散性較大。

(2)從徐變曲線來看,終張拉結束后 15 d內(nèi)發(fā)展較快,5 d內(nèi)可完成 60 d徐變的 60%左右,15 d內(nèi)完成60 d徐變的 80%,到 30 d時發(fā)展已比較緩慢,基本達到最大值,此后速度越來越慢。

4 對目前徐變控制標準的思考

收縮徐變引起橋梁上拱變形的控制是一個既關鍵而又不容易解決的難題。混凝土收縮應變終值的預計,主要依據(jù)環(huán)境條件、混凝土成分及構件尺寸。雖然規(guī)范都有相應計算方法,但是混凝土的徐變、收縮及其對結構性能影響的預計和控制,是十分復雜又難以獲得精確答案的問題,幾乎所有影響徐變、收縮的因素,連同它們所產(chǎn)生的結果本身都是隨機變量,其變異系數(shù)最少也要達到 15%。因此,對于一些特別重要的工程,應通過模型試驗或實物測量的方法來校核計算中所用的參數(shù),以提高計算結果與實際接近的程度。而實際工程中,施工環(huán)境和工藝水平等往往差異較大,為了確保工程質量,在施工過程中對橋梁上拱變形進行監(jiān)控量測是非常有意義的。

目前,對施工過程中徐變的控制主要有以下規(guī)范。

(1)《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》(鐵建設[2006]158號)[5]

規(guī)定 1:終張拉完成時,梁體跨中彈性變形不宜大于設計值的 1.05倍。

本文所研究的梁體跨度為 32m,梁體跨中彈性變形設計值為 11.89mm,其 1.05倍為 12.48mm,其中有11片梁的彈性上拱度小于 12.48 mm,3片梁超過12.48mm,基本能夠滿足要求。

規(guī)定 2:扣除各項彈性變形、終張拉后 60 d,L≤50 m梁體跨中徐變上拱度實測值不應大于 7mm;跨度 L＞50m梁體跨中徐變上拱度實測值不應大于 L/7 000或14mm。

14片梁中,共有 9片梁的徐變上拱度超過 7mm,5片梁的徐變上拱度小于 7mm。多數(shù)梁體不滿足架梁要求。

目前,制梁場采用應力與變形雙控制的方法進行張拉施工,出現(xiàn)超張拉現(xiàn)象自然也就不可避免。當徐變上拱度超過 7mm時,文獻[5]建議采用延長放置時間的方法解決超張拉問題,并給出了估算放置時間的經(jīng)驗公式。但實際上,一些超張拉的梁并沒有延長放置時間,而是在終張拉后 60 d即開始架梁。

(2)客運專線鐵路變形觀測評估技術手冊[6]

規(guī)定:常用跨度簡支梁在軌道系統(tǒng)鋪設完成后,跨度小于 50m的簡支梁,徐變上拱度不應大于 10mm,當跨度大于 50m時,其徐變上拱度不應大于 L/5 000,且不得大于 20mm。

目前,32 m單跨簡支梁采用 900 t架橋機架設。運梁車的來回走動對梁體的徐變也會造成一定的影響。

從圖2可以看出,架梁后不少梁體徐變不僅沒有持續(xù)增大,反而出現(xiàn)了徐變減小的現(xiàn)象,說明在梁體運輸、架設、運梁車通過以及二次恒載的施加都會對其徐變產(chǎn)生一定的弱化影響。

軌道系統(tǒng)鋪設完成后,往往進行聯(lián)調聯(lián)試,進行 1～2年的持續(xù)觀測幾乎無法實現(xiàn),本規(guī)定實際執(zhí)行難度大。

(3)《新建時速 300～350 km客運專線鐵路設計暫行規(guī)定》(上、下)[7]

規(guī)定:無砟軌道的鋪設應在終張拉完成至少 60 d后完成。軌道鋪設后,無砟橋面梁的徐變上拱值不應大于 10mm。

從圖2可以看出,終張拉完成后 30 d的徐變變形基本接近 60 d時的變形,說明當工期較緊時,無砟軌道的鋪設也可在終張拉完成 30 d后完成。

對于鋪軌后的徐變控制,本規(guī)定同樣存在后續(xù)觀測難度大的問題。

從以上分析可以看出,對終張拉結束后 60 d的徐變上拱度實測值進行控制比較方便,而對鋪軌完成后的徐變控制不容易實現(xiàn)。

5 結論

(1)梁體的彈性變形在終張拉結束后即可完成,跨中彈性上拱度平均值不超過設計值的 1.05倍,離散性較小。

(2)梁體終張拉后 60 d的變形在初期發(fā)展較快,30 d內(nèi)基本達到 60 d時的變形量,徐變變形平均值超過 7mm,離散性較大。

(3)對于施工期的徐變控制,采用終張拉結束后60 d的徐變上拱度實測值進行控制比較方便,當工期較緊時,終張拉完成后 30d也可進行架梁工作。

(4)由于軌道鋪設后,后期的徐變監(jiān)測干擾因素太多,無砟橋面梁的徐變上拱值不應大于 10mm的控制標準不易實施,可實施性不強。

[1] 謝春暉.大跨度無砟軌道橋梁的混凝土徐變試驗研究[J].中國西部科技,2009,8(7):26- 27.

[2] 郭時安,馮 沛,邵旭東.預應力混凝土箱梁橋施工階段收縮徐變效應分析[J].中外公路,2009,29(3):101- 104.

[3] 宋津喜.武廣鐵路客運專線 32m箱梁預應力效果監(jiān)測及徐變上拱的控制措施[J].中國工程科學,2009,11(1):60- 65.

[4] 葉梅新,錢 淼,劉 杰.無砟軌道預應力混凝土橋梁徐變變形控制方法研究[J].鐵道標準設計,2009(2):92- 94.

[5] 鐵建設[2006]158號—2006,客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南[S].

[6] 工管技[2009]77號—2009,客運專線鐵路變形觀測評估技術手冊[S].

[7] 鐵建設[2007]47號—2007,新建時速 300～350km客運專線鐵路設計暫行規(guī)定[S].