高速鐵路混凝土橋梁徐變變形計算分析及控制措施研究

周東衛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

無砟軌道能適應高速鐵路高平順性和高穩定性的要求，但可調性很小，其結構的永久變形只能通過扣件進行調整以恢復其設計幾何形狀[1-3]。對于混凝土橋梁而言，如果后期徐變變形超出無砟軌道扣件調節范圍，將對橋上線路的平順性造成嚴重危害，甚至可導致軌道扣件破壞失效，對行車安全造成巨大隱患。因此，必須了解并控制鋪軌后混凝土收縮徐變引起的橋梁線形和軌道結構的改變，將其限制在無砟軌道扣件可調量程范圍內。基于上述工程背景，在分析研究橋梁后期徐變變形對無砟軌道平順性影響的基礎上，提出如下徐變變形工程控制措施：首先通過模擬實際的施工方法與施工過程對結構進行分析，以計算出混凝土橋梁各截面點總的變形量以及每一個時期的變形量，然后采用實物變形測量得到的徐變實測數據修正理論變形量的偏差，最后根據軌道工程各施工階段的具體情況，在計算底座板、加密基標和道床板斷面點坐標時將剩余徐變效應引起的垂直位移量提前預留，從而大大減少橋梁后期徐變變形對無砟軌道鋪設后平順性的影響。本文的研究成果可為我國客運專線無砟軌道混凝土橋梁的工程實踐提供參考和技術儲備。

1 無砟軌道混凝土橋梁徐變效應的計算方法

1.1 徐變效應的計算方法

為了盡可能減少混凝土徐變變形對軌道鋪設后的影響，施工單位進行各工序施工作業的不同階段，均需由設計單位提供其在綜合考慮梁型、梁長、橋梁的施工方法、混凝土的齡期、施加二期荷載的時間、預應力的張拉時間等因素的情況下，計算出由徐變引起的總變形量以及每一時期的變形量的理論值。徐變計算根據加載齡期與徐變系數關系的不同假定，主要有如下幾種計算模型[4]：有效模量法、徐變率法、疊加法、流動率法、繼效流動理論及按齡期調整的有效模量法等。這些方法都假定徐變與應力關系是線性的，并服從疊加原理。

無砟軌道混凝土橋梁的徐變效應計算過程如下：①將橋梁理想化為在節點處互相連接的平面梁單元的組合，每個單元的齡期、收縮徐變特性、材料特性及截面特性需根據結構尺寸和施工方案具體確定，假設每個單元溫度分布相同。②將結構經受收縮徐變的過程劃分為與施工過程相適應的時段(如建造新單元、張拉預應力筋、體系轉換、施加施工荷載等)。③在每一時段，都對當時已形成的結構進行一次全面的分析，求出該時段內產生的全部節點位移增量和節點力增量(即結構內力和變形的增量)，上述增量與本時段開始時的節點位移、節點力相加，即可得出本時段結束時的節點位移和節點力的狀態。按照這一方法，即可得出任意施工階段結構的內力和變形狀態，從而實現對混凝土橋梁從開始施工到成橋以及收縮徐變完成這一整個過程中任意時刻的內力和變形狀態的跟蹤分析。④計算出各施工放樣斷面點在相應梁跨的局部坐標系中的位置，然后根據計算出的理論徐變變形分布數據進行內插，即可計算出各施工放樣斷面點的理論徐變變形值。⑤計算出徐變效應在各施工放樣斷面點處引起的變形量后，對應施工斷面點的放樣高程采用該變形量進行改正，即完成了考慮徐變效應的施工斷面計算，從而在施工過程中對后期徐變變形的影響提前進行了預留。圖1為國內某客運專線32.6 m預制梁終張拉后各節點徐變理論變形值。

圖1 某客運專線32.6 m預制梁徐變理論變形值

1.2 徐變修正系數的計算方法

由于徐變變形的復雜性和計算理論的局限性，通過理論計算的徐變變形值與實際觀測存在一定的偏差，實際作業中往往需要借助實物變形測量的方法來修正計算中所得到的數值，提高理論計算結果與實際變形的接近程度。

在無砟軌道不同施工階段的斷面數據計算中，橋梁底座板斷面數據、軌道基準點、加密基標數據以及軌道板精調數據和道床板斷面數據的計算中，均需考慮剩余徐變效應對上述施工數據的影響。計算時首先需要確定出橋梁各截面點在終張拉后各時間節點的“實際徐變變形值”，然后在計算施工數據時考慮“采用比例”。由于徐變理論變形值計算并非十分準確，因此在實際操作中需要對理論計算值進行修正，通過對橋梁終張拉后各截面點進行定期徐變觀測求得其在各時間節點的實測變形值，將實測變形值除以理論變形值即求得修正系數，即實際徐變變形值=理論計算值×修正系數，而實際最終采用值=實際徐變變形值×采用比例。如修正系數=實測值/理論值，即求得該梁在終張拉后60、90 d和180 d的理論變形修正系數。采用比例依據理論徐變計算的準確程度、實測數據的觀測頻次和精度情況等因素綜合確定。

為了保證求取的修正系數具有較高的準確性和可靠性，計算修正系數需遵守如下原則：①應以梁場為單元計算各種梁型的修正系數；②一類梁型的觀測數據少于5片梁時，不做分析；③徐變觀測時間短于180 d時，不做分析；④觀測數據明顯不合理時，不做分析；⑤梁型定義不清楚的，不做分析。待修正系數正確求解后，即可將修正系數用于修正該梁場生產的該種梁型理論計算值的偏差，從而可根據不同的施工階段將剩余徐變變形在軌道鋪設后的變化量提前預留，以充分滿足軌道扣件可調整量的要求，保證軌道的平順性和行車安全。圖2為某梁場生產的32.6 m預制梁終張拉后60 d理論徐變變形值修正前后各截面點的差異圖。

圖2 某梁場32.6 m預制梁徐變理論變形值修正前后

2 徐變變形計算分析

為了分析混凝土橋梁后期徐變變形對無砟軌道底座板斷面、軌道基準點數據以及軌道板精調放樣的影響，以京滬高速鐵路為例，按本文闡述的徐變效應計算方法，在綜合考慮了梁型、梁長、橋梁施工方法、混凝土齡期、施加二期荷載的時間、預應力張拉時間等因素的基礎上，對各種橋梁徐變變形引起的垂直位移變化以及部分梁場混凝土預制梁的修正系數進行了計算與分析。

2.1 理論徐變變形值計算分析

本文對京滬高速鐵路部分梁型的理論徐變值進行了計算分析。徐變計算考慮了橋梁終張拉后的時間、混凝土的齡期，但未包括墩臺變形、變位及溫度變化產生的撓度。時間節點分別為終張拉后0、30、60、90、120、150、180、300、1 000 d(按10 d終張拉、終張拉后90 d二期恒載一期上橋、終張拉后180 d二期恒載二期上橋、終張拉后210 d二期恒載三期上橋考慮，混凝土徐變按1 500 d考慮)，表1統計了每種梁型從終張拉后60 d到180 d的徐變變化最大值。

表1 京滬高鐵部分橋梁終張拉后60～180 d理論徐變變化值

從表1可以看出，60～180d的理論徐變變化量的最大值達7.70 mm，且大跨連續梁的徐變變形值通常要大于預制梁，說明橋梁結構剩余徐變量對軌道工程會造成較大的影響，終張拉60 d后無砟軌道不同的施工階段計算底座板斷面、軌道基準點數據和軌道板精調斷面時，必須顧及橋梁結構剩余徐變量對軌道工程的影響，同時還需考慮未上橋二期恒荷載引起的彈性變形(對已上橋的二期恒荷載的影響不再考慮)。通過對京滬高速鐵路徐變變形數據統計分析后發現，70%的徐變變形在終張拉后180d之內發生，因此為了簡化計算，一般在終張拉后180d就可不再考慮剩余徐變變形的影響。

2.2 梁場修正系數計算分析

本文以梁場為單位計算了各梁場生產的32.6 m預制梁的理論徐變變形值的修正系數。由于京滬高速鐵路全線的預制梁計算修正系數時都已超過2個月，因此，0、30 d的變形采用理論值，不做修正，觀測值對理論值的修正時間節點為60、90 d和180 d，即確定該三時間點的修正系數。表2統計了部分梁場的32 m梁的徐變修正系數。表3為采用表2修正系數對32.6 m預制梁終張拉后60～180 d進行修正前后的跨中變形值。

表2 京滬高鐵部分梁場32.6 m梁修正系數(無量綱)

表3 京滬高鐵部分梁場32.6 m預制梁修正前后徐變變化值統計 mm

從表2、表3可以看出，京滬高速鐵路3個預制梁場的32.6 m直線預制梁終張拉后60～180 d某些時間節點的徐變修正系數僅為0.5，變形量差異最大達4.6 mm，這是由于影響徐變效應的因素較多，理論模擬計算值具有一定的誤差，因此理論變形值必須經過實測數據修正后才能用于對無砟軌道鋪設后剩余徐變變形量的估計，確保后期徐變變形估計的準確可靠。通過在各施工斷面點坐標計算時對其提前預留，從而有效控制后期剩余徐變變形對施工或運營期間軌道平順性的影響。

3 結論

(1)預應力混凝土橋梁的后期徐變變形是個復雜問題，混凝土的收縮徐變與預應力的損失相互關聯，選取與實際施工過程相符合的計算參數，采用正確的計算方法與計算模型，對估計橋梁后期變形至關重要。

(2)在施工的不同階段，經綜合考慮梁型、梁長、施工方法、混凝土的齡期、施加二期荷載的時間、預應

力張拉時間等因素，模擬計算出徐變的總變形量及每一時期變形量的理論值，然后通過借助實物變形測量數據求取理論計算與實際變形值之間的修正系數來改正計算中所用參數的方法，可提高徐變理論計算值與實際變形的接近程度，從而有效確保后期徐變變形估計的準確可靠。

(3)通過跟蹤模擬橋梁在整個施工過程中任意時刻的結構變形，采用在施工不同階段計算各斷面點坐標時將剩余徐變效應引起的垂直位移量提前預留的工程控制措施，可有效控制橋梁后期徐變變形對無砟軌道鋪設后平順性的影響。

(4)影響混凝土徐變的因素較多，在計算混凝土徐變時不可能將所有的因素都考慮進去，只能考慮幾種對混凝土徐變影響較大的因素進行理論計算，由于高速鐵路對軌道靜、動態變形的要求較為嚴格，因此對于如何更加準確地考慮混凝土的徐變效應還需做更進一步的研究。

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