时速250 km客运专线铁路无砟轨道简支调跨箱梁通用图设计与研究

乔晋飞

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

客运专线、高速铁路建设中，桥梁所占比重越来越大，跨越的复杂工点越来越多，经常遇到需要24～32 m可任意调整跨度的简支梁，以满足孔跨布置需要和施工变更需求。时速250 km客运专线无砟轨道简支调跨箱梁通用图设计就为满足客运专线跨越困难工点处调跨需要而设计。在京沪高速铁路设计中曾进行过“调跨梁”设计，但京沪高速铁路“调跨梁”梁高为3.05 m，而时速250 km客运专线无砟轨道简支调跨箱梁梁高为2.6 m，由于两者竖向刚度差异较大，照搬京沪高速铁路调跨梁设计方法，残余徐变变形将超出规范限值。所以对时速250 km客运专线无砟轨道简支调跨箱梁进行了深入研究。

1 调跨梁结构设计

时速250 km客运专线无砟轨道调跨箱梁通用图，梁高采用2.6 m，桥面宽采用12.2 m。梁端距支点均为0.55 m。考虑城际客运专线景观需要，截面类型采用了斜腹板、大圆弧倒角箱形截面，线形顺畅，具有较好的景观效果。截面形式如图1所示。

梁端顶板、底板及腹板局部向内侧加厚，跨中顶底板厚度分别为30 cm和28 cm，支点处顶底板厚度分别为55 cm和60 cm，跨中斜腹板厚度为45 cm，支点处斜腹板厚度为100 cm。

调跨梁通用图设计的实际意义就在于，这种梁型可以根据现场实际需要，在一定范围内任意调整跨度，不必重新进行设计计算。为满足通用性，同时兼顾经济性。经技术经济比较，24～32 m范围内的调跨梁跨度分级方案采用跨度差2 m为一级，同一级调跨梁采用完全相同的配束方式及张拉控制应力。同一级调跨梁(如梁长30.6～32.6 m)，实际施工时可根据现场需要，跨中任意截短，钢束布置形式及张拉控制应力不变。钢束布置图参数化，立面布置形式如图2所示。

图1 调跨梁横截面构造(单位:mm)

图2 预应力钢束布置(单位:cm)

腹板束弯起角度均为7°，底板束弯起角度均为4°。腹板内均并列布置双排钢束，底板束尽量靠近腹板布置。梁长根据实际需要缩短现浇时，所有纵向预应力钢束只是水平段长度缩短，钢束伸长量只需简单内插计算进行修正即可。

调跨梁结构分析时，考虑了截面有效宽度的影响，并考虑架桥机、运梁车荷载。由于客运专线采用无砟轨道，故纵向计算时考虑了日照正温差的影响。日照正温差产生的温度自应力将使截面下缘受拉，上缘受压。30.6～32.6 m调跨梁主要计算结果如表1所示。

2 调跨梁关键技术研究

2.1 调跨梁设计难点

以梁长变化范围在30.6～32.6 m之间，计算跨度变化范围在29.5～31.5 m的调跨梁为例，其配束数量应由计算跨度增大至31.5 m时控制。跨中截面强度控制配束数量，本设计强度安全系数采用2.2，刚刚满足规范要求，比较经济。为提高下缘压应力储备，梁长为32.6 m，计算跨度为31.5 m时，张拉控制应力采用1 265 MPa比较合适。各项指标均满足规范要求。若将该梁跨中截短2 m，梁长变为30.6 m计算跨度变为29.5 m时，相同钢束布置，相同张拉控制应力下，跨中下缘压应力储备将增大，残余徐变位移将超出设计容许值。对于跨度较大梁高较矮的预应力混凝土低高度调跨梁，由于跨度较大，梁高较矮，竖向刚度较小，徐变变形比较敏感。其跨度增大时的下缘压应力储备和跨度减小时的残余徐变位移是1对难以克服的矛盾。若再缩小调跨梁跨度差，增加调跨梁类型，减小梁伸长缩短时的跨中下缘压应力储备差值，可以解决此矛盾，但这将使通用图设计接近个别工点设计，失去了通用图设计的意义。有没有更好的办法来解决这对矛盾，是本次通用图设计研究的重点。

表1 计算跨度29.5～31.5 m(二期恒载100～120 kN/m)调跨梁主要计算结果

2.2 徐变变形控制理论分析

要控制残余徐变，需从研究徐变机理出发。徐变是在长期荷载作用下混凝土体内水泥凝胶体中游离水从毛细管中挤出并蒸发，产生水泥胶体缩小的现象。徐变是随持续时间的增长而增加的，但其增加的速度又是随时间递减的。应力越大，徐变应变越大。混凝土徐变可持续非常长的时间，一般在5～20年后其增长逐渐达到一个极限值，但大部分徐变在1～2年内完成。混凝土徐变是一项复杂的物理力学过程，多年来，国内外研究人员进行了大量试验，提出许多理论，实际选用何种形式则因不同国家或地区而异，这些理论都是建立在试验资料基础之上的经验公式。常用的徐变计算理论主要有:有效模量法、老化理论、弹性徐变理论、弹性老化理论、继效、流动理论及按龄期调整的有效模量法等。我国铁路规范采用徐变计算方法为CEB-FIP模式，是欧洲混凝土协会(CEB)和国际预应力混凝土协会(FIP)1978年的建议公式。本通用图设计根据京津城际高速铁路设计经验，依然采用现行铁路规范收缩徐变计算公式。混凝土作为一种复合多相的人工建筑材料，影响收缩徐变性能的因素众多，几乎在混凝土产品设计制造整个过程中所涉及的各种因素都会对其产生影响。基于混凝土收缩徐变的物理机理，混凝土的收缩、徐变中的大部分是由一些共同的基本因素决定，如水泥水化浆的物理结构、混凝土失水等。综合国内外徐变研究报告，混凝土徐变主要影响因素有:水泥品种、骨料、水灰比、养护条件、工作环境温度与湿度、掺和料、构件尺寸、加载龄期、多轴应力。这里特别指明，加载龄期对混凝土徐变有非常显著的影响。加载龄期愈短，水泥的水化愈不充分，混凝土的强度愈低，混凝土的徐变也愈大。大部分徐变变形在早期发生。

混凝土残余徐变变形为铺设二期恒载后的徐变变形，若想降低结构残余徐变变形，根据以上分析可采取以下两种方法:一是通过晚上二期恒载控制残余徐变值，二是通过早施加产生不利徐变变形的荷载，尽可能降低混凝土加载龄期，加快前期徐变发生，达到降低后期残余徐变的目的。

由于徐变主要在前期发生，故晚上二期恒载必然可以降低残余徐变。降低混凝土加载龄期，加快加大早期徐变变形也可达到降低残余徐变的目的。降低混凝土加载龄期，必然使总徐变位移增大，但当二期恒载加载时间不变时，残余徐变必然降低。原因是残余徐变=总徐变-前期徐变。加载龄期减小总徐变增加，但前期徐变也增大，而前期徐变增幅比总徐变增幅要大。故可以通过提高前期徐变来降低后期残余徐变。由此可见，总徐变位移大与残余徐变小是不矛盾的。表2为钢束张拉控制应力为1 265 MPa时，加载龄期不同时，29.5～31.5 m范围内调跨梁残余徐变计算结果。

表2 计算跨度29.5～31.5 m(二期恒载100～120 kN/m)调跨梁残余徐变计算结果

由表2可以看出，采取有效措施缩短加载龄期，可以降低残余徐变变形。

2.3 技术措施

如果在混凝土强度还未达到设计值，便施加一定的预应力，既可提前转移现浇梁的支架，提高施工临时设施的利用率，同时也实现了缩短混凝土加载龄期，加快前期徐变位移的目的。

预应力钢束初张拉是在梁体混凝土达到设计强度前施加预应力的方法，所有钢束均进行初张拉，以便实现使梁下缘混凝土压应力储备较大时，各根钢束初张拉的张拉控制应力尽可能小，同时使梁截面应力扩散均匀，并降低混凝土强度达到设计值前的锚下局部应力，满足局部承压要求。但钢束初张拉时也有不利之处，主要有以下两点:一是施工操作麻烦，每根钢束均需张拉2次。二是钢束被夹片夹持后会有一定的损伤，再次张拉锚固时若钢束伸长量增幅较小，可能影响终张拉锚固质量。且初张拉过的钢束，由于锚固损伤，再次张拉时容易断丝。为避免钢束因初次张拉锚固造成损伤，采取了让简支梁所有钢束均进行低应力初张的措施。这样可使每根钢束初张拉时的张拉控制应力降低至651 MPa，终张拉前跨中截面下缘混凝土压应力储备达到3.3 MPa。降低钢束初张拉时的张拉控制应力可使钢束初次锚固几乎没有损伤，加大初张拉和终张拉之间的应力差，从而增大钢束两侧张拉时的伸长量差值，可避免初张拉锚固对终张拉锚固产生不利影响。

混凝土强度和弹模达到设计值后，马上进行终张拉，既可缩短施工周期，同时也降低了混凝土加载龄期，实现了加大前期徐变变形，降低残余徐变变形的目的。尽早终张拉还可为晚上二期恒载，延长存梁时间，创造条件。

初张拉和终张拉时的张拉顺序均采用底板束与腹板束交替张拉，靠近腹部的钢束优先张拉原则。以便传力最直接的钢束先发挥作用，使梁体受力均匀，防止产生施工裂缝。

降低混凝土加载龄期虽然加大了调跨梁的总徐变值，但总徐变位移是可以通过预设拱度和施工轨道板前进行适当调整的。对于无砟轨道，我们关心的是残余徐变位移值，所以采取尽早初张拉、终张拉预应力钢束，晚上二期恒载的方法来控制残余徐变变形值是可行的。

3 结论

经以上分析研究，得出以下主要结论:

(1)跨度较大的调跨梁，在保证跨度最大时跨中下缘压应力储备满足设计要求的前提下，通过初张拉早脱架的施工方法，可以达到降低不利的残余徐变变形的目的，使跨度缩小时残余徐变变形仍能满足设计要求;

(2)对于无砟轨道调跨梁来说，总徐变位移值增大并不可怕，可以通过预设拱度的方法消除，残余徐变才是我们关心的问题。尽早初张拉及终张拉，虽然加大了结构的总徐变变形，但可以降低结构的残余徐变变形，并能提高施工临时设施的利用率，加快施工进度，缩短施工周期。

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