二期恒载对高速铁路连续箱梁变形影响分析

钟昌卫

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

我国高速铁路设计时速都在200 km以上,最高设计时速达到350 km,部分线路试运行速度达到了400 km以上,要保证如此高速度运行列车的安全性、舒适性,其运行线路必须具备很高的平顺性、稳定性[1]。当今我国高速铁路主要采用无砟轨道,其具有平顺性高、刚度均匀、后期养护维修工作量少等优点,但由于其运营期间线路平顺性只能通过轨道扣件进行调整,且调整量有限,因此在高速铁路线路中占据绝对比例且承载无砟轨道的桥梁结构的变形控制就显得尤为重要[2,3]。预应力混凝土梁的变形主要由混凝土收缩变形、徐变变形、温度变形等组成,其中徐变变形影响最大。我国《高速铁路设计规范(试行)》对铺设无砟轨道的桥梁结构徐变变形提出了严格的要求：“L≤50 m 时,竖向变形不得大于10 mm；L>50 m 时,竖向变形不得大于L/5 000或20 mm”[4-5]。

影响预应力混凝土箱梁徐变的因素众多,其中内部因素包括骨料种类、水泥品种、配合比、水灰比、外加剂、构件外形尺寸、搅拌捣固、养护时间、湿度、温度,外部因素有环境湿度、温度、环境介质、加载或干燥龄期、荷载持续时间、荷载循环次数、卸荷时间、应力分布、应力大小、加荷速度等[6]。各国规范中在徐变系数选用时多以加载龄期、相对环境平均湿度和构件理论厚度为主要参数。高速铁路桥梁设计及施工过程中较为关注的是桥上轨道结构(即二期恒载)铺设后梁体的竖向变形,即残余变形,该残余变形直接影响到轨道的平顺性。预应力混凝土梁残余变形包括：混凝土徐变变形、混凝土收缩变形、预应力长期损失引起的弹性变形恢复,其中混凝土徐变变形为其竖向残余变形的主要部分。

2 连续箱梁变形随时间变化发展趋势

以沪杭高速铁路(60+100+60) m悬臂浇筑施工连续梁为例,该梁为单箱单室、变高度、变截面结构。箱梁顶宽12.0 m,底宽6.7 m。各控制截面梁高分别为：端支座处及边跨直线段和跨中处为4.85 m,中支点处梁高7.85 m,梁底下缘按圆曲线变化,顶板厚40 cm,腹板厚分别为60 cm、80 cm、100 cm,底板按40 cm至120 cm线性变化；全桥共设5道横隔梁,分别设于中支点、端支点和中间跨跨中截面,悬臂浇筑节段长度4～5 m。在自身恒载作用下,其跨中变形随时间变化趋势如图1所示。

图1 梁体变形发展趋势曲线

从图1可以看出：随着计算龄期的增加,连续梁合龙后中跨跨中上拱,且变形随着时间的增长呈增大的趋势,先期变形发展较快,而在后期变形发展趋于缓慢[7]。

3 二期恒载对连续箱梁变形的影响

3.1 二期恒载对连续梁变形影响定性分析

以往研究表明：恒载作用下截面应力水平以及梁体恒、活载设计弯矩比值是影响梁体竖向徐变变形的关键因素。二期恒载作用前后各截面的应力状态发生较大变化；为了解它对梁体长期变形的影响,仍以沪杭高速铁路(60+100+60) m 悬臂浇筑施工连续箱梁为例,自桥梁中跨合龙(终张拉)起,分别就考虑和不考虑二期恒载情况下梁体长期变形进行分析。本设计二期恒载P=157 kN/m,上桥时间按预加应力后60 d计算,理论计算残余徐变拱度值10年后上拱4.3 mm。如图2所示。

图2 梁体长期变形对比

从梁体长期变形对比图2可以看出：

(1)在二期恒载作用下,连续梁中跨长期变形量明显降低,中跨跨中截面变形降低75.4%,具有显著降低梁体跨中徐变上拱的作用,其原因为二期恒载引起的中跨徐变等变形与底板预应力束效应反向；

(2)二期恒载对于边跨的变形影响相对较小。

3.2 二期恒载大小对梁体变形的影响

本文前面提到：恒载作用下截面应力水平以及梁体恒、活载设计弯矩比值是影响梁体竖向徐变变形的关键因素。二期恒载作用前后各截面的应力状态发生较大变化,不同大小二期恒载作用后连续箱梁各截面应力状态不同,其梁体残余变形也不同,二期恒载分别为135、145、157、165 kN/m时，(60+100+60) m预应力混凝土连续箱梁跨中理论计算残余变形详见表1。

表1 不同二期恒载作用下梁体变形对比

从表1中可以看出,理论计算残余徐变在一定范围内随二期恒载的变大逐渐减小,这是因为二期恒载产生的跨中变形与连续箱梁底板束产生徐变上拱方向相反。因此,在二期恒载确定的情况下,设计中如何合理的配置连续箱梁的预应力束使梁体截面上、下缘应力在预应力及恒载作用下尽量接近是控制连续箱梁后期残余变形的关键[8]。

3.3 二期恒载上桥时间对梁体变形的影响

影响高速无砟轨道桥梁平顺性的是轨道铺设后梁体变形,即残余长期变形；由于后期徐变变形与弹性变形是密切相关的,产生弹性变形的外荷载包括先期自重、预应力及后期二期恒载等。随着二期恒载上桥时间的推移,前期徐变变形完成量不断增加,而由于二期恒载作用时混凝土龄期已足够长,不同上桥时间对该部分荷载本身引起的徐变变形影响相对较小。二期恒载不同上桥时间对梁体残余变形影响对比如图3所示。

图3 二期恒载不同上桥时间梁体变形

从图3可以看出：二期恒载的上桥时间对于中跨变形影响较大。随着二期恒载上桥时间的推移,中跨的残余变形逐渐变小,因此,合理确定二期恒载上桥时间对于控制梁体残余变形至关重要,目前设计中一般情况下均按终张拉完成后60 d加载二期恒载设计。设计实践表明,通过严格控制阶段混凝土质量和各阶段预应力束张拉,按照终张拉完成后60 d开始施工桥面二期恒载,其梁体长期残余变形可以控制在规范要求范围内[9]。

3.4 二期恒载施工时间对梁体变形的影响

在设计计算中考虑二期恒载上桥时间时,一般为在桥梁合龙后某时刻一次性作用的情况,实际施工中桥上二期恒载施工具有一定的时间(过程)[10]。以(60+100+60) m 连续箱梁为例,分别按合龙后60 d一次作用和1～60 d分阶段作用的情况,对梁体残余变形进行计算,结果对比详见图4。

图4 二期恒载不同加载时间梁体变形对比

从图4可以明显看出,二期恒载的施工时间对连续箱梁残余变形有影响,相当于二期恒载上桥时间提前,导致梁体残余变形增大。在实际施工中,应按设计所要求的上桥时间施工二期恒载部分工程,以确保梁体的变形满足相关要求。

3.5 二期恒载施工顺序对梁体变形的影响

对于铺设无砟轨道的高速铁路桥梁,其残余变形定义为自无砟轨道精调后发生的桥梁长期变形；一般情况下主要考虑由于混凝土徐变等因素引起的。实际施工中,由于在轨道板精调后仍有部分二期恒载(如声屏障、钢轨、接触网支柱及电缆等)施工,该部分荷载引起的弹性变形也应视为残余变形的一部分。

以(60+100+60) m 连续梁为例,对比在桥梁合龙后60 d铺设二期恒载后梁体残余变形与后续二期恒载(按36.2 kN/m 计)产生的弹性变形(图5),可以看出,后续二期恒载引起的弹性变形大于梁体的残余变形。因此,对于铺设无砟轨道的高速铁路桥梁,在轨道系统精调前应尽可能完成全部桥面设施施工,以减小梁体残余变形,确保无砟轨道线路的平顺性。

图5 二期恒载不同施工顺序梁体变形对比

3.6 二期恒载对梁体温度变形的影响

二期恒载上桥前,整个梁部均直接暴露在自然大气环境下。二期恒载施工后,无砟轨道桥面防护墙外侧被电缆槽遮盖,防护墙内侧被无砟轨道底座板及防水层遮盖。我国铁路桥梁设计规范规定：对于无砟轨道桥梁需同时考虑沿梁高和梁宽方向的温度梯度影响。以(60+100+60) m连续箱梁为例,其二期恒载上桥前后温度变形计算结果详见表2。

表2 二期恒载上桥前后梁体温度变形对比 mm

从表2可以看出,二期恒载上桥后,梁体温度变形明显减小,边跨温度变形减低约32.7%,中跨温度变形降低约36.9%。由此可以得出,二期恒载尤其是无砟轨道结构的铺设能够有效地降低梁体温度变形。

4 研究结论

(1)影响高速铁路平顺性的预应力混凝土连续箱梁长期竖向变形主要发生在中跨,其变形随着时间的推移逐渐增大。

(2)二期恒载对预应力混凝土连续箱梁跨中残余变形影响较大,其产生的梁体变形与连续箱梁中跨底板束张拉引起的徐变上拱方向相反,能够有效地降低中跨梁体徐变上拱量,且能有效降低梁体温度变形,因此设计过程中如何合理地布置梁部预应力束对于控制梁体残余变形非常关键。

(3)二期恒载上桥时间、施工时间、施工顺序对连续箱梁的残余变形也会产生影响。设计中如何确定二期恒载上桥时间非常重要,在现有客运专线连续梁刚度和预应力配束条件下,通过严格控制阶段混凝土质量和各阶段预应力束张拉,按照终张拉完成后60 d开始施工桥面二期恒载,其梁体长期残余变形可以控制在规范要求范围内。在工期允许的条件下,应尽量推迟二期恒载上桥时间,以减小梁体残余变形。

(4)对于铺设无砟轨道的高速铁路桥梁,无砟轨道精调应在二期恒载施工全部完成后进行,特别对于设有非轻质型声屏障的连续梁,应首先完成声屏障安装。

参考文献：

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[2] 乔健,陈良江.铁路预应力混凝土桥粱收缩徐变控制技术探索[J].铁道标准设计,2007(6)：1-4.

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[5] 中华人民共和国铁道部.TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005.

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[8] 薛照钧.高铁特大跨混凝土连续梁徐变设计应用研究[J].桥梁建设,2010(4):23-26.

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[10] 叶梅新,钱淼,刘杰.无碴轨道预应力混凝土桥梁徐变变形控制方法研究[J],铁道标准设计,2009(9):92-94.