大跨度鐵路預應力混凝土斜拉橋收縮徐變影響及控制措施研究

郭安娜

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.中國鐵建股份有限公司橋梁工程實驗室，武漢 430063)

收縮徐變會導致預應力混凝土構件的預應力損失，影響結構受力和變形[1-2]。大跨度鐵路混凝土斜拉橋作為一種超靜定結構[3]，在運營階段，橋梁結構的內力狀態和線形會隨著混凝土收縮徐變的發生不斷變化[4]，從而影響列車高速行車性能[5]。郭遠航[6]系統總結了收縮徐變效應對大跨度高速鐵路混凝土斜拉橋斜拉索索力.橋塔截面彎矩.變形等影響；葉梅新[7].曹建安等[8]提出對于鋪設無砟軌道的大跨度預應力混凝土橋，一般采用延長鋪軌時間的方法來減小后期變形；鄒紅等[9]建議通過適當降低預應力偏心距以減小截面上下緣應力差，從而提高考慮徐變效應的上拱變形可靠度；陳克堅等[10]提出工法和鋪軌時間對后期混凝土收縮徐變影響較大，可作為大跨度拱橋徐變變形控制技術的關鍵因素。

以杭溫鐵路楠溪江特大橋主橋為例，對運營階段收縮徐變影響下不同時期橋梁的內力狀態和線形進行研究[11]，找出其中變化趨勢并提出合理的控制措施，為同類型橋梁設計提供參考。

1 工程概況

新建杭州—溫州鐵路(義烏—溫州段)工程楠溪江特大橋主橋為(40.5+79.5+240+79.5+40.5)m混凝土斜拉橋，雙塔雙索面平行布置，半漂浮體系，橋面鋪設有砟軌道，主橋總體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位：m)

主梁采用預應力混凝土單箱單室截面，頂寬14.4 m，底寬12 m，中心處梁高4.0 m，頂板橫橋向設2%的“人”字橫坡。主梁橫截面分標準橫截面和加厚橫截面2種，標準橫截面頂板厚35 cm，底板厚35 cm，腹板厚110 cm；加厚橫截面頂板厚50 cm，底板厚50 cm，腹板厚110 cm。混凝土箱梁每7.5 m設置1道厚30 cm斜拉索橫隔梁，與斜拉索對應設置。主梁標準橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁截面構造(單位：cm)

橋塔采用H形橋塔，塔承臺以上平均高度85.5 m，上塔柱為兩分離式豎直塔柱，中塔柱和下塔柱為兩分離式傾斜塔柱，傾斜度為1∶7.125，為滿足景觀和受力要求，塔柱在主梁下方設分離式下橫梁[12]，如圖3所示。

圖3 橋塔構造(單位：m)

斜拉索采用φ7 mm熱擠聚乙烯低松弛鋅鋁合金鍍層平行鋼絲拉索，平行雙索面體系，扇形布置，全橋共60對斜拉索，橫向索距10.9 m，縱向間距為7.5 m，豎向間距2.0 m和2.2 m，索梁錨固構造如圖4所示。

圖4 索梁錨固開槽(單位：cm)

2 計算模型

主橋收縮徐變分析采用有限元方法計算[13]，通過Midas Civil空間有限元軟件建立梁單元模擬主塔和主梁，索單元模擬斜拉索，采用剛度矩陣模擬主塔樁基礎剛度。計算模型見圖5，模型計算節點662個，計算單元537個。計算中收縮徐變函數按TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》中相關規定辦理[14]，采用CEB-FIP(1978)模型，加載齡期3 d。

圖5 Midas有限元模型

按大橋實際施工順序模擬，成橋后分運營1年.3年.5年.10年.30年5個階段分析橋梁結構的收縮.徐變效應[15-16]。其中，成橋狀態[17]按照“塔偏梁拱”控制[18]，運營驗收時主梁跨中上拱351.6 mm，橋塔向邊跨偏移62.0 mm。

3 收縮徐變對結構的影響

混凝土收縮徐變會引起斜拉橋橋塔和主梁變形，帶來這種高次超靜定結構的內力重分布，對結構產生附加變形，導致結構內力變化[19]。

3.1 對主梁線形和內力影響

成橋運營30年，收縮徐變引起主梁豎向變形曲線如圖6所示。從圖6可知，混凝土收縮徐變引起主梁向下“松弛”，1年.3年.5年完成變形值分別占前10年徐變變形值的4%.41%.66%。

圖6 主梁豎向收縮徐變變形

在收縮徐變影響下，主梁縱向向跨中收縮，收縮變形值如圖7所示，1年.3年.5年完成變形值分別占前10年徐變變形值的33%.61%.78%。

圖7 主梁縱向收縮徐變變形

主梁上.下緣的應力變化值如圖8.圖9所示，圖中應力正值表示增加，負值表示減小，可以看出，隨著運營時間增長上緣壓應力在輔助墩和橋塔位置減小.在主跨跨中位置增加；下緣壓應力在輔助墩和橋塔位置增大.在主跨跨中位置減小。運營30年橋塔處上緣壓應力減少4.24 MPa，占成橋狀態儲備應力的35.9%，主跨跨中位置下緣壓應力減小3.86 MPa，占了成橋下緣儲備壓應力的35.4%。可以看出，主梁的應力狀態在收縮徐變效應的作用下變化顯著，考慮在結構設計中預留收縮徐變對主梁壓應力的影響。

圖8 主梁上緣應力變化值

圖9 主梁下緣應力變化值

3.2 對橋塔線形和內力影響

由圖10可知，混凝土收縮徐變引起橋塔向中跨“傾倒”，1年.3年.5年完成變形值分別占前10年徐變變形的23%.54%.74%。運營30年后，在收縮徐變效應的影響下，塔身基本呈現豎直狀態，抵消了成橋時橋塔向邊跨的預偏量。

圖10 橋塔縱向收縮徐變變形

由橋塔塔底軸力和順橋向彎矩值(表1)可以看出，收縮徐變對橋塔軸力影響很小，對索塔彎矩影響明顯，表現為，由成橋狀態的負彎矩(主跨側受拉為負)逐漸減小，到運營30年，橋塔塔底彎矩反向，說明橋塔塔底截面邊跨側由受壓變為受拉。橋塔彎矩變化趨勢與索塔縱向位移一致。成橋狀態下通過索力優化使得橋塔向邊跨“傾倒”，以抵消收縮徐變對橋塔的不利影響。

表1 橋塔塔底內力值

3.3 對斜拉索線形和內力影響

斜拉索的變形狀態和主梁.橋塔保持一致，在此不做贅述。

由于混凝土收縮徐變影響，斜拉索索力變化如圖11所示，隨著運營時間的增加，索力整體呈現減小趨勢，邊跨斜拉索較中跨斜拉索索力減小值更大，邊跨越靠近橋塔，這種減小趨勢越明顯，運營30年最大變化率達到了-8.0%。

圖11 斜拉索索力變化率曲線

4 收縮徐變控制措施

通過以上分析得出，混凝土收縮徐變對大跨度鐵路混凝土斜拉橋的主梁.橋塔.斜拉索線形及受力有不同程度的影響，表現為主梁下撓.橋塔向跨中傾斜.斜拉索索力減小等。

研究通過改變主梁中跨底板索和斜拉索索力兩種方式控制主梁后期徐變，工況1～工況4調整主梁中跨底板索面積，斜拉索索力不變；工況5.工況6在工況2基礎上增大斜拉索索力。對比主梁底板索和斜拉索索力對成橋線形.主梁上下緣應力和運營3年后期徐變值的影響，結果見表2.表3。

表2 主梁底板索對工后徐變影響

表3 斜拉索索力對工后徐變影響

從表2.表3可以看出，通過增大斜拉索索力，使主梁在成橋狀態產生上拱的位移，通過調整主梁線形和主梁跨中截面上下緣的應力狀態，可以降低后期收縮徐變變形；增加底板預應力鋼束也可以降低收縮徐變效應帶來的不利影響，但不如調整斜拉索索力有效。

通過斜拉索和混凝土主梁預應力索調整，本橋3年運營期，主跨跨中因混凝土收縮徐變產生的下撓值為16.9 mm，如圖12所示。

圖12 3年運營主梁混凝土下撓值(單位：mm)

5 結論

對新建杭溫鐵路跨楠溪江斜拉橋進行運營階段收縮徐變分析研究，得出以下結論。

(1)收縮徐變效應引起斜拉橋主梁向跨中“松弛”.橋塔向中跨“傾倒”，變化呈現運營前期發展快.后期慢的趨勢。

(2)收縮徐變導致斜拉索產生卸載，對邊跨斜拉索的影響更為明顯，引起橋塔塔柱底部彎矩大小和方向發生改變。

(3)收縮徐變引起橋塔處主梁上緣及跨中處主梁下緣的壓應力減小，30年運營期減小值占成橋狀態下主梁壓應力儲備數值的35.5%。

(4)楠溪江特大橋設計中通過調整成橋狀態斜拉索索力和增加主梁底板預應力鋼束面積，調整主梁線形和主梁跨中截面上.下緣的應力狀態，有效降低了后期收縮徐變變形，且增大斜拉索索力對控制變形效果更加明顯。