武汉轨道交通区间桥梁预应力简支梁上拱度的分析及质量控制

周左文，何祖亮，居淳丽

（1 武汉市建筑工程质量监督站，湖北 武汉 430010；2 武汉市市政工程质量监督站，湖北 武汉 430010；3 武汉市建筑市场管理站，湖北 武汉 430010）

武汉轨道交通区间桥梁预应力简支梁上拱度的分析及质量控制

周左文1，何祖亮2，居淳丽3

（1 武汉市建筑工程质量监督站，湖北 武汉 430010；2 武汉市市政工程质量监督站，湖北 武汉 430010；3 武汉市建筑市场管理站，湖北 武汉 430010）

从理论和工程实践两方面论述轨道交通区间桥梁预应力简支梁的上拱度问题，并对弹性上拱度和徐变上拱度进行分析和比较。针对上拱度影响桥梁运营的问题，提出一些解决的途径。本文对轨道交通区间桥梁预应力梁的设计、施工和运营以及进一步发展大跨度简支梁或无碴整体道床均有一定的参考价值。

简支梁；上拱度；控制

武汉市轨道交通一号线全长 28.67KM，设车站 26座，全线为区间桥梁，除跨越路口段为预应力连续箱梁、车站为小跨度预应力“T”梁结构形式外，主要采用 25M、30M跨的标准段预应力简支箱梁。一期工程总长10.28KM，车站10座，于2004年9月开始运营。二期工程自一期工程两端分别向东西延伸。2010年7月29日全线通车试运行。

武汉轨道交通一号线采用了无碴轨道结构。桥上无碴轨道的应用与隧道、路基不同，桥梁结构在活载作用下的弹性变形以及恒载作用下的徐变都会直接影响到桥上轨道结构的受力、平顺性及行车安全，由于无碴轨道设备在铺设后，不能象有碴轨道那样进行起道和拨道作业，而且轨道扣件的调高量有限。因此，无碴轨道要保证轨道的平顺性，就必须解决轨道铺设后预应力混凝土简支梁的上拱问题，即对预应力产生的上拱必须有严格的限制。

1 上拱度分析

1.1 弹性上拱度

后张法预应力简支梁由于张拉后梁各截面得到预加负弯矩的缘故，梁体在张拉时即产生上拱度，通常称之为张拉上拱度。与此同时，又因为梁体上拱的关系，梁底脱离底模，梁两端支座开始受力，使梁在自重作用下产生梁自重挠度。梁自重挠度一般比张拉上拱度小得多，因此在抵消挠度影响之后，梁的实际弯曲变形仍是向上拱的。通常将此实际存在的上拱度称为弹性上拱度，即弹性上拱度（fe）等于张拉上拱度（f）减去重力作用下产生的反向挠度（δ）：

用结构力学的一般方法进行分析

式中的l为计算跨径，My为控制应力扣除张拉时已完成的预应力损失对计算截面产生的弯矩值；为单位力作用在跨中时梁的计算截面处的弯矩值；E为混凝土的弹性模量；I为换算截面的惯性矩。

式中的Mg为自重产生的跨中弯矩。

在梁体混凝土张拉时的实际强度（或E值） 和设计强度（或E值）接近时，弹性上拱度的实测值一般均能与理论计算值接近吻合。

1.2 徐变上拱度

城市轨道交通区间桥梁均按全预应力设计，在使用阶段活载作用时截面下缘要求不能出现拉应力，为尽量发挥预应力筋作用，预应力筋重心尽量偏下，以抵抗荷载作用。于是，在实用阶段全部恒载的作用下，截面将长期处于偏心受压状态，由此产生徐变上拱。

徐变上拱度在张拉后的2～3年内随时间的进展而变化。初期增长很快，后期逐渐减慢，一般在2～3年后基本趋于稳定而不再增长。据相关资料的统计混凝土收缩和徐变的变形值在张拉后 10天为终极值的33%，30天为40%，60天为50%，半年为75%，1年为85%，3年为100%。梁体混凝土的收缩变形理论上是上下缘一致的，故纯收缩变形不会引起梁的上拱。

1.3 影响预应力混凝土梁徐变上拱的因素

有关研究表明，影响预应力混凝土梁徐变上拱的因素较多，有设计、施工、环境等因素。

设计方面主要因素有：梁在使用阶段时恒载作用下的梁截面下缘应力水平和梁的恒、活载设计弯矩比值。长期受压的混凝土徐变变形与其应力大小有直接关系，一般认为，当混凝土在长期荷载作用下的应力

在0.5Ra（Ra为混凝土轴心抗压强度)以内时，徐变随应力增大呈线性发展；超过0.5Ra时，便产生非线性徐变，会导致变形及上拱迅速增大。在设计过程中，一般采用较大的高跨比以加大梁的竖向刚度，来减小活载作用下的梁体下缘混凝土拉应力值；其次，通过调整预应力筋的布置使梁的截面上下缘应力在预应力筋及恒载的作用下尽量接近．从而将梁体徐变上拱值控制在规定的限值之内。

从理论上讲，预应力筋对梁体截面产生的预应力效应包括轴力和弯矩两部分，当预应力弯矩与恒载产生的截面弯矩充分接近时，梁体截面将长期处于均匀受压状态，梁体的徐变上拱很小，甚至接近于零。这种理想状态对全预应力梁而言，只有当主梁截面的恒、活载设计弯矩比符合以下条件时才能实现，即：

当M恒M活小于或大于A.e W下时，截面将长期处于偏心受压状态，必然出现徐变上拱或下挠，并随其差值的增大而增加：在梁体控制截面的设计弯矩中，当恒载弯矩所占的比例大时，徐变上拱较小。因此，当线路标准制定后，设计活载为定值，在梁跨相同情况下，对于不同线路设备等二期恒载设计值及梁高，二期恒载设计值较大及梁高较大者，恒活载弯矩比也相应增大，梁体徐变上拱值会相应降低。当荷载、主梁截面确定后，可通过调整预应力筋布置，使A.e W下值与M恒M活尽量接近，越接近者其徐变变形值越小。

式中M恒——梁自重及二期恒载产生的截面弯矩；

M活——梁设计活载产生的截面弯矩；

A——截面面积；

e——截面的预应力偏心距；

W下——截面的下缘弯曲抵抗矩。

水灰比和水泥用量对混凝土徐变变形有一定影响，在相同水灰比情况下，徐变变形随水泥用量增多而变大；当水泥用量一定时，又会随水灰比的增大而增加。另外，考虑到骨料在混凝土中主要是对水泥浆体徐变起约束作用，其程度取决于骨料的弹性模量和体积含量，因此，施工时应选用弹性模量较高的岩石和适宜的级配。最后还应考虑施加预应力时梁体的弹性模量的影响，偏低的弹性模量会引起较大的徐变上拱。在施加预应力前．除了检验混疑土强度外，还应同时检测其弹性模量，并保证混凝土在张拉时有足够的龄期。

徐变及徐变上拱度对环境湿度、温度相当敏感，其影响具有滞后性，温度升高，梁体上拱度增大；湿度加大，梁体上拱度会相应减小。

2 上拱度对桥梁运营的影响

预应力梁由徐变引起的预应力损失已在设计中考虑。但衡量结构是否满足正常的使用条件时，除了从应力、强度、抗裂等角度来考虑外，还得从结构的变形角度来考虑。

上拱度产生后，由于轨道线路标高不能随上拱度任意抬高，对无碴整体道床桥面的预应力梁而言，钢轨扣件能提供的钢轨调高量有限。以调高量较大的ωj-2扣件为例，其调高量仅为40mm。故上拱度势必影响正常的线路标高。

上拱度值一般与梁的跨度成正比，跨度进一步发展，则此问题将更突出。因此，预应力梁上拱度的问题如得不到解决，将会形成进一步发展大跨度无碴整体道床桥面简支梁的障碍。

3 解决上拱度问题的方法

3.1 预设下挠度（反拱度）

在制梁时预设下挠度以抵消部分或全部上拱度的影响。但须注意的是预设的下挠度不止是梁底有，主要是设在梁的顶面。梁底的下挠度可由底模标高来保证。梁顶的下挠度必须在梁顶面收浆完工时精心测量，按照规定的标高来施工。这样做法对施工来说是要增加一些麻烦，但其效果是可取的。

3.2 后浇桥面承轨台混凝土

桥面连接钢轨扣件部分的承轨台留在张拉后铺轨前尽可能延后的时间内进行灌注。此时因全部弹性上拱度及部分徐变上拱度已经形成，承轨台混凝土顶面的标高在灌注后不再受以上两部分上拱度的影响，但另一部分尚未完成的徐变上拱度仍将影响承轨台标高。对这部分的上拱度则仍可用在承轨台顶面预设下挠度的方法来解决。

武汉轨道交通一号线区间桥梁，每片简支梁在张拉完成后至少6个月后才进行轨道承轨台混凝土的施工。运营表明轨道较平稳。

3.3 适当降低梁下缘的预压应力

混凝土的徐变变形与长期荷载作用下的应力值有关。当应力小于0.5Ra时，徐变变形量与应力之间有线性比例关系，若应力大于0.5Ra时，徐变变形量的增长比应力的增长快。因此，以降低梁下缘的预压应力来谋求徐变上拱度的减小在理论上是完全可以成立的。凡是下缘设计预压应力较大的，其徐变上拱度也相应大些。

降低梁下缘预压应力不仅可以减少徐变上拱度，还可以按弹性比例关系降低弹性上拱度，故对全部上拱度的减少有比较显著的效果。

3.4 推迟张拉龄期

根据《结构设计原理》可知，由于张拉时的混凝土龄期越长，徐变就越小，所以适当地推迟混凝土张拉龄期，对减少徐变上拱度能起到积极的作用。此外，由于混凝土的E值随龄期增长，故对弹性上拱度也能减小。武汉市轨道交通一号线施工中严格按设计文件要求对预应力梁上拱度进行控制：箱梁混凝土的张拉时龄期不少于9d，混凝土的强度和弹性模量均达到设计值的90%，三个条件同时满足才能进行预应力筋张拉。对混凝土的弹性模量的控制应注意设计值与实际强度对应的E值是不同的。在实际施工中许多施工单位往往把混凝土配比强度提高很多，如C50的设计强度，有时实际强度可高达 C60～C70。这时以C60或C70的弹模增长来取代C50的弹模。显然不是实际混凝土弹模的增长值。应检查混凝土设计配合比检验报告，并要求不得任意提高混凝土强度。而控制张拉时的混凝土龄期是个有效的措施。

实际上推迟张拉龄期在某种意义上来说就是相对的降低下缘预压应力。因为混凝土龄期愈长，张拉时的Ra愈大，相对应力σRa愈小，因而徐变量 也愈小。因此，如果在降低预压应力的前提下，再采取推迟张拉龄期这个措施，对减少上拱度能收到双重效果。但也不能将张拉龄期推迟过长，因高强度混凝土脆性大，长时间不施加预压力，在梁的腹板上可能会产生竖向裂缝，尤其是在短时间内气温变化大的情况下。

3.5 采取适当的施工措施

影响徐变上拱度的因素很多。在制梁时应注意混凝土的材料、级配、水灰比、坍落度等。在骨料与水泥比例相同时，水灰比愈大，徐变也愈大，因为混凝土的徐变主要是由水泥浆引起的。除此之外，还要注意养生方法，混凝土的养生条件对徐变也有影响，一般在水中硬化的混凝土徐变要比在空气中硬化的小，因此应尽可能做到淋水养生。

4 结语

（1）市政桥梁中预应力简支梁（板）同样需要严格控制过大的上拱度出现，跨中上拱度控制不好将直接导致桥面铺装层的厚度小于设计值。另外，同一跨度上不同梁之间的上拱度应基本保持一致，否则会导致铺装层厚薄不均，造成桥面出现纵向裂缝。以上两个方面都会影响到桥面铺装层的寿命。

（2）桥梁建造是理论和实践之间互相结合的一个过程，质量的控制首先要把握基本原理，对具体问题进行具体分析。参建各方要实事求是，克服施工中急于求成的心理，保持平常心。要认清结构自身的客观规律，保证合理工期，才能使工程达到设计的合理使用年限。

[1] 叶见曙.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2] 甘军，杨超，季文洪. 桥梁预应力管道压浆施工质量控制技术及应用[J]. 四川理工学院学报（自然科学版），2010，（6）:627～629.

The analysis and quality control on the pre-camber of Wuhan Rail Transit range Prestressed simply supported beam

ZHOU Zuo-wen1, HE Zu-liang2, JU Chun-li3
（1 Wuhan Construction Engineering Quality Supervision Station, Wuhan Hubei 430010, China; 2 Wuhan Municipal Engineering Quality Supervision Station, Wuhan Hubei 430010, China; 3 Wuhan Construction Market Management Station, Wuhan Hubei 430010, China）

In this paper, both theory and engineering practice, discusses the range of rail bridge simply supported prestressed beam camber on the issue, and flexibility on the camber and camber on the creep analysis and comparison. Impact on the camber for the operation of the bridge problem, made a number of ways to solve. This range of rail bridge prestressed beam design, construction and operation and further development of large-span simply supported beam or non-ballast track bed as a whole there is a certain reference value.

Simple Beam; Pre-camber; Control

U448.13

A

1009－5160(2011)06－0075－04

周左文（1957-），男，研究方向：轨道交通质量控制.