高速鐵路剛構(gòu)矮塔斜拉橋徐變影響因素分析

王鴻飛

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070)

近年來(lái)，矮塔斜拉橋以其剛度大，施工方便、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，在高速鐵路領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。目前，建成或在建的高速鐵路矮塔斜拉橋主要有商合杭鐵路(94.2 m+220 m+94.2 m)穎上特大橋、黃岡至黃梅鐵路(108 m+200 m+200 m+108 m)巴河特大橋、贛深客專(136 m+260 m+136 m)劍譚東江特大橋、池黃高速鐵路(48 m+118 m+2×228 m+118 m+48 m)太平湖特大橋[3-4]等。

高速鐵路對(duì)線路的平順性要求遠(yuǎn)高于普通鐵路，對(duì)于無(wú)砟軌道，沒(méi)有道砟來(lái)調(diào)節(jié)軌道高度，后期只能通過(guò)扣件調(diào)整，由于扣件可調(diào)節(jié)量有限，后期調(diào)軌困難，所以必須嚴(yán)格控制鐵路后期變形[5-6]。因而大跨度無(wú)砟軌道橋梁的工后徐變成為計(jì)算過(guò)程中的主要控制因素之一，在規(guī)范中對(duì)工后徐變的數(shù)值進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。

1 工程背景

1.1 工程概況

本文依托工程為新建淮北-宿州-蚌埠城際鐵路淮河特大橋主橋，為剛構(gòu)體系矮塔斜拉橋，計(jì)算跨徑為(124 m+248 m+124 m)，全長(zhǎng)497.5 m，為塔梁墩固結(jié)體系。橋面板寬14.3 m，塔梁墩固結(jié)處局部加寬至18.3 m。

主墩采用雙薄壁實(shí)體截面，順橋向?qū)挾?.7 m，雙薄壁間距3.6 m，橫向?qū)挾?5.5 m。主墩承臺(tái)順橋向×橫橋向×厚度為21.6 m×21.6 m×6 m，樁基礎(chǔ)采用16根直徑2.8 m鉆孔灌注樁，按柱樁設(shè)計(jì)。

邊墩采用圓端形實(shí)體橋墩，墩底截面尺寸4.0 m×14.2 m(順橋向×橫橋向)，承臺(tái)尺寸8.4 m×18.8 m×4.0 m(順橋向×橫橋向×厚)，基樁采用8根直徑2.0 m 的鉆孔灌注樁，按柱樁設(shè)計(jì)。橋型布置圖見圖1。

圖1 淮河特大橋主橋橋型布置圖(單位：cm)

1.2 主橋截面設(shè)計(jì)

梁體截面為單箱雙室、變高度、變截面箱梁，頂板、底板、腹板局部向內(nèi)側(cè)加厚，按線性變化。中支點(diǎn)截面梁高為13.0 m，跨中直線段及邊跨直線段梁高6.0 m，梁底下緣按二次拋物線變化。橋面以上塔高47.1 m，最上排斜拉索理論錨固點(diǎn)距離橋面44 m，塔梁高跨比為1/5.636。主橋箱梁截面見圖2和圖3。

圖2 箱梁跨中等截面圖(單位:cm)

圖3 箱梁變截面圖(單位:cm)

1.3 有限元模型

采用有限元軟件midas Civil建立空間桿系計(jì)算模型。主梁、橋塔、橋墩和承臺(tái)、樁均采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元模擬，有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型

2 徐變系數(shù)及延續(xù)期選取

橋梁徐變系數(shù)取值，國(guó)內(nèi)主要規(guī)范依據(jù)有TB 10092-2017 《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下稱《TB 10092規(guī)范》)和JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下稱《JTG 3362規(guī)范》)。

《TB 10092規(guī)范》中規(guī)定徐變系數(shù)計(jì)算方法如式(1)。

φ(t,τ)=βa(t)+0.4βd(t-τ)+φf(shuō)[βf(t)-βf(τ)]

(1)

式中：φ(t,τ)為徐變系數(shù)；βd(t-τ)為隨時(shí)間增長(zhǎng)的滯后彈性應(yīng)變；φf(shuō)為流塑系數(shù)；βf(t)、βf(τ)為隨混凝土齡期增長(zhǎng)的滯后塑性應(yīng)變，與理論厚度有關(guān)。

其中，βa(t)計(jì)算方法見式(2)。

(2)

式中：fτ為混凝土齡期為τ的強(qiáng)度；f∞為最終強(qiáng)度。

計(jì)算齡期與加載齡期差值大于1 000 d后，混凝土強(qiáng)度變化引起應(yīng)變和滯后彈性應(yīng)變?yōu)槌Ａ浚苄詰?yīng)變隨著時(shí)間的增加繼續(xù)增大。

《JTG 3362規(guī)范》中規(guī)定徐變系數(shù)計(jì)算方法見式(3)。

φ(t,t0)=φ0·βc(t-τ)

(3)

式中：φ(t,t0)為加載齡期為t0時(shí)，計(jì)算考慮齡期為t時(shí)的混凝土徐變系數(shù)；φ0為名義徐變系數(shù)；βc(t-τ)為加載后徐變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)。

《JTG 3362規(guī)范》規(guī)定延續(xù)期為10年。根據(jù)熊志朋等[5]的研究，實(shí)測(cè)跨中徐變與規(guī)范值吻合較好。

針對(duì)(124 m+248 m+124 m)矮塔斜拉橋徐變系數(shù)及延續(xù)期，分別按3種方案進(jìn)行計(jì)算。

方案一：采用公路《JTG 3362規(guī)范》延續(xù)期10年。

方案二：采用鐵路《TB 10092規(guī)范》延續(xù)期1 000 d。

方案三：采用鐵路《TB 10092規(guī)范》延續(xù)期10年。

計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 不同規(guī)范及延續(xù)期徐變

由圖5可以得到以下結(jié)論：

①鐵路規(guī)范延續(xù)期10年工后徐變最大，為跨中-19.4 mm(負(fù)號(hào)表示方向向下，后同)；②鐵路規(guī)范延續(xù)期1 000 d與公路規(guī)范延續(xù)期10年跨中工后徐變接近，分別為-14.1 mm和-14.7 mm。

3 徐變影響因素分析

矮塔斜拉橋塔高、索力、無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度，以及預(yù)應(yīng)力均會(huì)影響結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的徐變。

3.1 塔高對(duì)徐變影響

隨著橋塔高度增加，拉索的傾角增大，其豎向支承能力提高。針對(duì)本橋最外排斜拉索理論錨固點(diǎn)距離橋面不同，設(shè)計(jì)比較了4種方案。

方案一：索塔高度40.0 m。

方案二：索塔高度42.0 m。

方案三：索塔高度44.0 m。

方案四：索塔高度46.0 m。

徐變計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 塔高-徐變影響圖

由圖6可以得到以下結(jié)論。

①矮塔斜拉橋索塔高度的變化對(duì)跨中徐變影響明顯，在索塔40～46 m范圍內(nèi)，隨著矮塔斜拉橋塔高度增加，跨中彎矩減小，上翼緣應(yīng)力減小，下翼緣應(yīng)力增加，跨中工后徐變變小。塔高增加15%，徐變減少52.7%。

②索塔高度的變化對(duì)邊跨徐變影響不明顯。

③在滿足拉索疲勞性能要求和橋塔受力合理的前提下，可以通過(guò)增加矮塔斜拉橋塔高減小跨中工后徐變。

3.2 索力對(duì)徐變影響

隨著斜拉索索力增加，拉索承擔(dān)的豎向荷載比例隨之增大。保持斜拉索根數(shù)及面積不變，改變斜拉索索力，設(shè)計(jì)了3種方案進(jìn)行比較。

方案一：90%斜拉索索力。

方案二：1.0倍斜拉索索力。

方案三：1.1倍斜拉索索力。

徐變計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 斜拉索索力-徐變影響圖

由圖7可知，矮塔斜拉橋索力對(duì)跨中工后徐變影響明顯。隨著斜拉索索力的增加，跨中彎矩減小，上翼緣應(yīng)力減小，下翼緣應(yīng)力增加，徐變降低。索力增加22.2%，工后徐變減少73.5%。當(dāng)索力增加到一定數(shù)值時(shí)，跨中工后徐變由下?lián)献優(yōu)樯瞎啊?/p>

3.3 無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度對(duì)徐變影響

矮塔斜拉橋無(wú)索區(qū)比一般斜拉橋要長(zhǎng)，主梁有3處無(wú)索區(qū)，即邊跨無(wú)索區(qū)、塔旁無(wú)索區(qū)和跨中無(wú)索區(qū)。針對(duì)本橋無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度，保持斜拉索根數(shù)及索力不變，設(shè)計(jì)比較以下3種方案。

方案一：塔旁無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度50.2 m，邊跨無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度26.9 m，跨中無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度53.8 m。

方案二：塔旁無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度66.2 m，邊跨無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度18.9 m，跨中無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度37.8 m。

方案三：塔旁無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度82.2 m，邊跨無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度10.9 m，跨中無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度21.8 m。

徐變計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖8 跨中無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度-徐變影響圖

由圖8可知，矮塔斜拉橋跨中無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度對(duì)中跨工后徐變影響明顯。跨中工后徐變隨跨中無(wú)索區(qū)的長(zhǎng)度縮短而減小。當(dāng)跨中無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度減小到一定數(shù)值時(shí)，跨中工后徐變由下?lián)献優(yōu)樯瞎啊？缰袩o(wú)索區(qū)長(zhǎng)度減少40.5%，跨中工后徐變減少77.6%。

3.4 預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)徐變影響

預(yù)應(yīng)力鋼束通過(guò)改變截面應(yīng)力分布影響徐變。預(yù)應(yīng)力鋼束分為腹板鋼束、邊跨底板鋼束、中跨底板鋼束、中支點(diǎn)頂板鋼束及邊跨頂板鋼束。

3.4.1腹板預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)徐變影響

保持張拉應(yīng)力不變，修改腹板預(yù)應(yīng)力鋼束的面積。對(duì)以下3種方案進(jìn)行比較。

方案一：采用80%腹板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

方案二：采用實(shí)際腹板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

方案三：采用1.2倍腹板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

計(jì)算結(jié)果見圖9。

由圖9可知，腹板束的變化對(duì)跨中徐變影響不明顯，隨著腹板預(yù)應(yīng)力鋼束面積增加，梁體跨中徐變略有減小。

3.4.2邊跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)徐變影響

保持張拉應(yīng)力不變，改變邊跨底板鋼束的面積。對(duì)以下3種方案進(jìn)行研究。

方案一：采用80%邊跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

方案二：采用實(shí)際邊跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

方案三：采用1.2倍邊跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

計(jì)算結(jié)果見圖10。

圖10 邊跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束-徐變影響圖

由圖10可知，邊跨底板束的變化對(duì)跨中徐變幾乎無(wú)影響。

3.4.3中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)徐變影響

保持張拉應(yīng)力不變，修改中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束的面積。按以下3種方案進(jìn)行比較。

方案一：采用80%中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

方案二：采用實(shí)際中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

方案三：采用1.2倍中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

計(jì)算結(jié)果見圖11。

圖11 中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束-徐變影響圖

由圖11可知，中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束的變化對(duì)跨中工后徐變影響明顯。跨中工后徐變隨中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束面積增加而減小。中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束面積增加50%，跨中工后徐變減少38.7%。

3.4.4中支點(diǎn)頂板預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)徐變影響

保持張拉應(yīng)力不變，修改中支點(diǎn)位置頂板預(yù)應(yīng)力鋼束的面積。按以下3種方案進(jìn)行比較。

方案一：采用80%中支點(diǎn)頂板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

方案二：采用實(shí)際中支點(diǎn)頂板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

方案三：采用1.2倍中支點(diǎn)頂板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

計(jì)算結(jié)果見圖12。

圖12 中支點(diǎn)頂板預(yù)應(yīng)力鋼束-徐變影響圖

由圖12可知，中支點(diǎn)頂板預(yù)應(yīng)力鋼束的變化對(duì)跨中工后徐變影響明顯。跨中工后徐變隨頂板預(yù)應(yīng)力鋼束面積增加而減小。中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束面積增加50%，跨中工后徐變減少41.7%。

3.4.5邊跨頂板預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)徐變影響

保持張拉應(yīng)力不變，修改邊跨頂板預(yù)應(yīng)力鋼束的面積。設(shè)計(jì)比較了3種方案。

方案一：采用80%邊跨頂板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

方案二：采用實(shí)際邊跨頂板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

方案三：采用1.2倍邊跨頂板預(yù)應(yīng)力鋼束面積。

計(jì)算結(jié)果見圖13。

圖13 邊跨頂板預(yù)應(yīng)力鋼束-徐變影響圖

由圖13可知，邊跨頂板預(yù)應(yīng)力鋼束面積的變化對(duì)跨中工后徐變影響甚微。

4 結(jié)語(yǔ)

高速鐵路無(wú)砟軌道對(duì)工后徐變有著嚴(yán)格的要求，大跨度橋梁的工后徐變控制對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的擬定和設(shè)計(jì)影響甚大。本文通過(guò)分析得到了針對(duì)剛構(gòu)矮塔斜拉橋的如下結(jié)論。

1) 鐵路規(guī)范采用1 000 d延續(xù)期與公路規(guī)范采用10年延續(xù)期計(jì)算所得跨中徐變接近，鐵路橋涵計(jì)算采用1 000 d延續(xù)期計(jì)算較為合理。

2) 在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的條件下，可以增加斜拉橋塔高、提高索力和減小跨中無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度，改善結(jié)構(gòu)跨中的受力狀態(tài)，增加下翼緣應(yīng)力，進(jìn)而減小矮塔斜拉橋跨中徐變。

3) 適當(dāng)增加中支點(diǎn)頂板預(yù)應(yīng)力鋼束和跨中底板預(yù)應(yīng)力鋼束，可以改善矮塔斜拉橋跨中截面應(yīng)力，進(jìn)而達(dá)到減小跨中徐變的目的。