跨座式單軌PC 軌道梁線形影響因素分析

胡國華

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

跨座式單軌交通軌道梁兼具承重梁和導向軌的雙重功能。 這種“梁軌合一”的特性也使得其被譽為跨座式單軌交通系統的三大關鍵技術之一[1-2]。

傳統的地鐵、輕軌等輪軌式軌道交通中，列車車輛運行的軌道線形可通過軌道層(道砟和鋼軌)進行調整，故其對結構幾何尺寸或安裝精度的要求相對較寬松，且對結構的線形精度沒有具體要求[3-4]。

跨座式單軌交通中，單軌車輛環抱軌道梁運行，若梁寬誤差較大，將引起車輛運行困難或不能運行。 軌道梁上表面和兩個側面的不平整度超限，將會極大地增加單軌車輛輪胎的磨耗，導致其運營維護費用增加，還會嚴重影響乘坐的舒適性和安全性。 因此，必須對軌道梁的水平及垂直線形做出嚴格要求。

已有部分學者對軌道梁的線性精度控制進行了相關研究。 余洋對軌道梁的制造工藝、原材料、配合比、施工過程的質量控制等方面進行了分析[5]，王貴明研究了PC 軌道梁線形控制的模板拼裝技術[6]，賽鐵兵等對PC 軌道架設過程中的線形調整方案進行了探索，這些研究從不同方面對PC 軌道梁的線形控制進行了分析[7-10]，但未對PC 軌道梁各變形因素進行定量研究。 因此，對影響PC 軌道梁線形的各種因素進行研究仍具有重要意義。

1 概述

線路不平順會使車輛在運行過程中出現上下顛簸或左右搖晃等不平穩狀況，嚴重影響行車質量和旅客出行體驗。 《跨座式單軌交通施工及驗收規范》(GB50614—2010)對軌道梁的制造和安裝精度有明確、嚴格的要求:走行面、導向面、穩定面的線形精度為不大于L/2 000 mm(L 為梁長)[11]。

預應力混凝土結構具有剛度大，車輛沖擊、振動效應小等優點;其表面與車輛輪胎間有足夠的摩擦力，且混凝土材料耐久性好，不易受外部環境侵蝕，運營期基本不需養護維修。 因此，跨座式單軌交通大多采用預應力混凝土軌道梁(即PC 軌道梁)[12]。

PC 軌道梁是由混凝土、預應力筋、普通鋼筋等組成的一種非勻質彈塑性材料，其結構變形與混凝土的收縮、徐變、應力狀況、齡期及材料的均勻性等多種因素有關。 以25 m 簡支PC 軌道梁為例，對影響PC 軌道梁變形的各因素進行分析。

2 線形影響因素

2.1 收縮徐變

混凝土收縮是指在混凝土凝結初期或硬化過程中出現的體積縮小現象，主要包括水泥水化凝結導致的自生收縮和環境干燥所產生的干燥收縮。

徐變是指在持續荷載作用下，混凝土結構變形隨時間不斷增加的現象。 隨著時間的延長，徐變越來越大，一般情況下，徐變較瞬時彈性變形大1 ～3 倍。 對于預應力混凝土結構，混凝土徐變還會引起預應力損失。

混凝土的徐變形態較復雜，影響因素也很多。 通過多年的研究，建立了不同的混凝土徐變預測計算模型[13-14]。 一般認為，混凝土徐變的影響因素有以下幾項[15-16]。

①水灰比:混凝土中水與水泥的用量是影響徐變的主要因素，一般而言，徐變隨混凝土水灰比的降低而減小。

②骨料:混凝土內骨料對水泥的變形起約束作用，骨料的彈性模量越小，或骨料含量越小，則徐變越大。

③加載齡期:開始時徐變發展最快，以后逐漸減慢，結構承受荷載后的齡期對徐變的影響很大，隨著加載齡期的增大，徐變將有顯著的降低。

④養護條件:養護時的溫度與濕度都會影響水泥的水化速度和水化程度。 水化程度愈高，水泥凝膠體的密度也愈高，混凝土的強度和彈性模量也愈高，徐變則愈低。

⑤構件尺寸:構件的形狀和尺寸對徐變也有影響，一般認為試件的尺寸越小，徐變越大。 隨著構件尺寸的增大，混凝土收縮徐變的效應將有所降低。

⑥工作環境:工作環境的相對濕度是影響混凝土徐變的重要因素之一。 對于某種給定的混凝土來說，相對濕度越低，徐變就越大。

⑦應力狀態:混凝土的徐變與應力水平有關。 當混凝土應力不大于0.5fc時為線性徐變，即徐變與應力成正比。 大于0.5fc時為非線性徐變。

2.2 彈性模量

在彈性極限限度內，材料的應力與應變的比值被稱為彈性模量。 彈性模量是混凝土力學性能的一個重要參數，可表征在外力作用下材料結構產生變形的難易程度，彈性模量值越大，變形就越小。 對于PC 軌道梁梁體混凝土來說，除了控制其強度外，還要對其彈性模量進行特別規定。 為控制軌道梁的變形，提高結構的剛度，設計中要求梁體C60 混凝土的彈性模量(Ec)應不小于3.75×104MPa。

混凝土是一種非均勻的彈塑性材料，要得到滿足要求的混凝土，需在施工中采用優質的砂石與水泥、合適的外加劑以及合理的施工配合比。

2.3 預應力

通過張拉預應力筋可抵消結構自重和梁上所承受的荷載，預應力的作用使截面在受壓的同時產生偏心彎矩。 偏心彎矩會使結構產生撓曲變形，導致結構上拱，若對預應力產生的反拱變形預估不足(造成過分的反拱)，可能導致結構因變形過大而影響正常使用，甚至產生裂縫等不利情況[17]。

對于預應力筋，受多種因素的影響，在張拉、錨固和整個使用過程中，其預應力值會不斷減小，產生預應力損失，設計時應予以考慮。 扣除預應力損失之后的有效預應力過大或過小對結構都是不利的[18]。

預應力損失與許多因素有關，在預應力筋的計算時，一般應考慮下列因素引起的預應力損失:錨口、喇叭口摩擦;預應力筋與孔道壁之間摩擦;錨具變形、預應力筋回縮;混凝土彈性壓縮;預應力筋松弛;混凝土收縮徐變等。

在預應力混凝土結構中，預應力筋的張拉應力控制直接影響預應力的使用效果。 因此，預應力筋的張拉施工通常采取雙控措施，即預加應力值以油表讀數為主，以預應力筋伸長量作校核。

考慮材料、設備、管道摩阻等各項損失，實測伸長量與設計理論伸長量允許有不超過±6%的偏差。 這也使得實際的預應力效果與理論計算有所不同。

2.4 施工影響

軌道梁預制施工中，不可避免地會產生一定的放樣誤差。 軌道梁截面為中空，需設置內模，內模加工誤差也會影響截面尺寸，由此產生的結構自重偏差會對結構變形產生影響。 另外，不同材料和構造的內模也會對結構自重產生一定的影響。

預應力管道一般采用波紋管，預應力鋼筋穿入相應孔洞后形成預應力筋管道。 施工中可能產生定位偏差，進而影響預應力效果。

張拉:軌道梁預應力筋分兩批進行張拉，齡期4 d時張拉第一批，齡期14 d 時張拉第二批。

養護:混凝土養護是指人為造成一定的濕度和溫度條件，使混凝土得以正常硬化和強度增加的過程。澆筑完成后的混凝土必須經一定的養護時間才能達到設計強度和彈性模量。

2.5 可調式模板

為適應各種復雜的梁體線形，采用了專用的高精度可調式模板及配套設備。 模板系統主要由側模、底模臺車、端模三大部分組成。

預制施工采用流水作業。 首先按照制作工法指導書的要求，進行臺車放線、鋼筋綁扎，以及內模及各種預埋管件的安裝。 待梁體鋼筋骨架成型后安裝端模。根據工法指導書的要求，進行側模的拉、壓量調節及安裝。

模板系統及其調整精度對確保軌道梁的線形至關重要，尤其是側模調整對軌道梁工作面的線形更是有著直接影響。 《跨座式單軌交通施工及驗收規范》(GB50614—2010)中對模板系統的總裝精度、零調整、臺車放線、端模安裝、側模調整有著嚴格的要求。

2.6 安裝架設

預制好的PC 軌道梁必須經過精確的線形調整，修正橋墩施工和軌道梁制造過程中產生的誤差，把單榀的軌道梁順序連接成圓順、連續的線路。

PC 軌道梁的鑄鋼拉力支座在順橋向、橫橋向、縱橋向均留有一定的調整量，通過支座凸輪板下的調整墊片可以調整軌面高程、橫坡。 縱向和橫向移動PC軌道梁，可以調整梁縫、線間距及梁端連接處的平曲線和豎曲線矢高。

軌道梁的線形調整應在架設一定數量的軌道梁以后進行，平曲線段應從圓曲線部分向兩端延伸調整，以消除橫坡累計誤差。

架設安裝過程中，可通過調整支座來調整線形，消除一定程度內的施工誤差，使線路線形符合設計技術要求。

3 變形影響分析

3.1 計算條件

選取25 m 簡支PC 軌道梁進行理論計算分析。軌道梁為空心矩形截面，兩端及中間設橫隔板(見圖1)。

梁高1.600 m，梁寬0.69 m，單側梁縫取0.025 m，支點距梁端0.385 m，計算跨度為24.18 m。 梁體混凝土強度等級為C60，彈性模量Ec=3.75×104MPa。

采用強度級別為1 860 MPa 的低松弛預應力鋼絞線，2 列6 孔形式布置(見圖2)，分兩批進行張拉。 齡期4 d 張拉第一批預應力筋，要求的混凝土彈性模量為3.45×104MPa，齡期14 d 張拉第二批預應力筋，要求的混凝土的彈性模量為3.75×104MPa。

圖1 軌道梁輪廓(單位：mm)

圖2 軌道梁預應力鋼束布置(單位：mm)

3.2 計算結果

對PC 軌道梁的線形影響因素進行分析，考慮以下方面的偏差。

①結構自重:因預拱度、線形、內模加工誤差、尺寸放樣、模板調整偏差等引起的截面尺寸變化導致的結構自重偏差。

②預應力管道:定位網偏差、管道安裝偏差引起的預應力管道位置偏差。

③預應力筋:材料、設備、管道摩阻等各項損失引起的有效預應力偏差(可通過超張或少張來模擬)。

④彈性模量:原材料、配合比、施工工藝等波動引起的彈性模量變化，按初張拉、終張拉兩個階段考慮。

⑤收縮徐變:水灰比、骨料與配合比密切相關，其影響并入彈性模量綜合考慮。 PC 軌道梁一般采用等截面，不同跨度的軌道梁截面尺寸相同;正常使用狀態下軌道梁處于彈性工作狀態。 構件尺寸與應力狀態對不同跨度PC 軌道梁的影響基本相同。 因此，應考慮養護條件、工作環境、張拉加載齡期對收縮徐變的影響。

預應力管道位置偏差按2 cm 考慮，其它各項因素取5%的偏差幅度。 表1 中數值正值表示相對設計值的正向偏差(高于或大于設計值)，負值表示相對設計值的負向偏差(低于或小于設計值)。

表1 變形計算結果 mm

3.3 結果分析

(1)當結構自重偏差達5%時，軌道梁線形約有2 mm 左右的偏差。 因設置預拱度、線形等引起的結構自重偏差在1%左右，對軌道梁線形的實際影響不大，但應予以注意。 重點在于控制內模、外形尺寸的放樣精度，以免引起較大的偏差。

(2)預應力管道位置偏差2 cm 時對軌道梁的線形影響較小。 根據《跨座式單軌交通施工及驗收規范》(GB50614—2010)，預應力管道位置的允許偏差為0.2 cm，在滿足施工定位精度的前提下，預應力管道位置偏差引起的線形影響很小。

(3)預應力對結構變形影響較大，且初張拉的影響大于終張拉的影響。 通過計算可知，當張拉應力偏差5%時，對應鋼束伸長量的偏差約為5.3%。 也就是說施工中若實測伸長量與理論伸長量偏差為±6%時，梁體變形將高達6 mm 左右，對軌道梁的線形影響較大。

(4)彈性模量對變形的影響不容忽視。 若實際彈性模量較設計值偏差10%時，將有2 mm 左右的偏差，對軌道梁線形有一定程度的影響。

4 結束語

(1)在跨座式單軌PC 軌道梁的施工過程中，必須加強施工精度控制和現場施工質量管理，以消除各環節的偏差。

(2)預拱度的準確設置事關PC 軌道梁線形控制的成敗，需根據本地氣候條件、原材料、制梁工藝、實測混凝土彈性模量以及變形觀測數據進行核算調整。

(3)預應力對結構變形影響很大，預應力張拉施工中實測伸長量與理論伸長量的偏差建議按±3%控制;彈性模量的偏差應控制在設計值的5%以內。

(4)鑒于混凝土徐變的復雜性和軌道梁對線形的高精度要求，制梁前期應選擇一定數量的梁進行長期的變形觀測，以便對線形控制參數進行校核調整。 應根據實測數據選取合適的徐變預測模型，同時調整相關的參數，才能較好地與實際情況相符合。