广深港客运专线连续刚构后期变形预估研究

王存国,李海泉,向 渊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

广深港客运专线连续刚构后期变形预估研究

王存国,李海泉,向 渊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

无砟轨道预应力混凝土梁受收缩徐变的影响,会产生后期徐变变形,引起桥梁的上拱和下挠,并且随着时间的延续这种变形增大,导致轨道的不平顺。对广深港客运专线跨沙湾水道(112+2×168+104)m连续刚构模拟计算施工过程,研究成桥后不同的铺轨时间对主梁徐变变形的影响,分析得知铺轨时间对徐变变形影响较大。考虑徐变及温度引起的主梁初始变形对该桥进行车桥耦合振动分析,结果表明动力性能满足要求。

无砟轨道;连续刚构;徐变变形;车桥耦合

1 概述

无砟轨道与有砟轨道相比,具有轨道稳定性、刚度均匀性和耐久性好、平顺性高、维修工作量显著减少等突出优点[1],由于没有道砟来调节轨道的高程,无砟轨道的后期变形只能通过扣件进行调整以恢复其正常的轨道几何形状,其可调节量非常有限,因此要保证轨道的平顺性,就必须解决轨道铺设后混凝土桥梁的后期收缩徐变变形问题,特别是大跨度刚构预应力混凝土桥后期徐变变形比较大,后期徐变变形对无砟轨道的平顺性和列车的平稳性影响比较大,所以对无砟轨道后期徐变变形的控制十分关键[2]。本文研究的沙湾水道特大桥主跨168 m,通过研究各种措施以减小后期徐变变形,同时预估梁体的后期变形,对无砟轨道后期变形的控制有着重要的意义[3]。

2 工程概况

广深港客运专线沙湾水道特大桥为(112+2×168+ 104)m预应力混凝土连续刚构结构,箱梁各控制截面的梁高分别为:端支座处及边跨直线段和跨中处均为6.0m,中支点处梁高11.0m,墩顶平段长8.5m,梁高按1.8次抛物线变化;箱梁墩顶处为单箱单室直腹板。全桥箱梁顶宽13.4 m,底宽8.0 m,0号块顶板厚1.0m,其他位置厚0.45 m;腹板厚分别为0.5、0.7、0.9m和1.1m;底板厚由跨中的0.5m按1.8次抛物线变化至墩顶梁根部的1.1 m,墩顶梁底板厚1.5 m,全梁共设10道横隔梁,边主墩处设置厚度为2.2m的横隔板,边支点处设置厚为1.6m的端横梁,跨中合龙段设置厚0.6 m的中横隔板。中间墩采用圆形墩,两侧边主墩采用双薄壁墩,两薄壁中心间距6.5 m。边墩采用薄壁空心墩。主梁采用三向预应力体系,成桥后6个月铺轨。主桥立面布置见图1。

图1 全桥立面布置(单位:m)

3 后期徐变变形研究

由于后期无砟轨道的可调量较小,无砟轨道的后期变形控制显得尤为重要[4]。根据《高速铁路设计规范》(试行),预应力混凝土梁的竖向徐变变形应符合以下规定:梁部主跨L≤50 m时,竖向变形不大于10mm;L＞50 m,竖向变形不大于L/5 000且不大于20mm[5]。

3.1 梁体后期收缩徐变随时间变化

在成桥后3个月铺轨的情况下,以铺轨后桥梁的线形为基准,分别选取铺轨后半年、1 000 d、1 500 d、10年时由收缩、徐变、预应力损失等引起的桥梁的后期徐变变形(主梁计算时刻的位移减去主梁铺轨时的竖向位移)作为研究对象,计算结果如图2所示。

图2 由收缩、徐变共同引起的变形(成桥后3个月铺轨)

由图2可知铺轨后随着时间的推移,由混凝土徐变引起的主梁上拱和下挠不断增大,铺轨后前几年由徐变引起的桥梁线形随时间变化较快,后几年随时间变化逐渐减慢,铺轨后10年,主梁的最大下挠发生在距14号墩右侧97 m处,大小为-21.4 mm＜L/5 000= 32mm,满足规范要求,最大上拱发生在距15号墩右侧67m处,值为9.6mm。后期徐变变形偏大,还需要采取其他后期徐变变形控制措施来减小后期徐变变形。

影响收缩徐变的因素比较多,有限元软件的模拟分析难免和实际情况有出入,特别是徐变系数的收缩应变的取值很难把握,就连规范的取值相差也很大。所以对后期变形的控制必须结合现场实际测试结果[6]。该桥在成桥3个月后铺轨,铺轨后3个月主梁的变形测试值与理论值的比较见表1[7]。

表1 沙湾水道特大桥主梁变形测试值与理论值比较

由表1可知,实测值与理论值趋势一致,数值大小基本吻合,徐变变形计算值能够反映该桥成桥后的后期徐变变形,能够达到预估该桥后期徐变变形的目的。

3.2 改变铺轨时间

改变铺设时间为成桥后6个月、9个月、12个月,其后期收缩徐变变形计算分别如图3～图5所示。

图3 由收缩、徐变共同引起的变形(成桥后6个月铺轨)

图4 由收缩、徐变共同引起的变形(成桥后9个月铺轨)

图5 由收缩、徐变共同引起的变形(成桥后12个月铺轨)

延长铺轨时间是很有效的方法,不管后期徐变变形是上拱还是下挠,都能够减小后期徐变变形,延长的时间越长减小的越多,但延长铺轨时间必定会影响铁路的运营时间,所以对大跨度预应力混凝土无砟轨道桥梁要找到一个比较合适的铺轨时间。不同的铺轨时间对应徐变变形值大小如表2所示。

表2 不同铺轨时间对应的主梁后期徐变变形值

由表2可知延长铺轨时间到12个月对边跨跨中和中跨跨中的后期徐变变形均有较明显的减小,与成桥后3个月铺轨相比,成桥后10年变形减小值分别为3.4mm和1.3mm。

3.3 改变主梁梁高

加大梁高,即高跨比增大,这样可以提高桥梁的设计刚度,又可以优化梁体上下缘截面的应力差值。通过加大梁高的方式,可以有效地控制徐变变形。将原支点设计梁高增大至11.5m和减小至10.5m,与原设计梁高11.0m的计算结果比较见图6及表3。

图6 沙湾水道特大桥不同梁高对应主梁后期徐变变形

由图6及表3可知,梁高越大,对应边跨上拱值越大,中跨下挠值越小,梁高增大0.5m,成桥10年后跨中挠度减小1.3 mm,边跨跨中上拱值增加0.2 mm。在设计中应该优化梁高尺寸。

3.4 采用后张索

后张索是在铺完轨道后张拉的预应力钢束。为了控制无砟轨道的后期徐变变形,根据无砟轨道的后期徐变变形情况预留后张索,在张拉预留后张索前后必须保证桥梁的刚度和强度满足要求。采用预留后张索的后期徐变变形见表4及图7。

表3 不同梁高对应的主梁后期徐变变形值

图7 预留后张索对应主梁后期徐变变形

表4 采用后张束前后对应主梁徐变变形

由图7及表4可知,成桥10年后边跨上拱8.1 mm,中跨下挠15.0 mm。因为预留的后张索都在中跨,所以预留后张索对边跨上拱基本没有影响,中跨下挠减小了7mm。

4 温度引起变形

对沙湾水道特大桥分别分析在整体升温、整体降温、顶板升温、顶板降温效应作用下的主梁竖向变形。各种不同的温度效应对主梁的竖向挠曲变形见图8及表5。

图8 不同温度效应对应主梁的竖向变形

表5 不同温度效应对应主梁变形

各种温度效应的组合引起的变形见图9及表6。

图9 不同温度效应的最大及最小组合

表6 不同温度效应组合的最大及最小值

由图8～图9及表5～表6可以明显得知整体升温、顶板降温效应组合对应主跨跨中上拱值最大,相应边跨下挠值最大;整体降温、顶板升温效应的组合对应主跨跨中下挠值最大,相应边跨上拱值最大。

成桥3个月后铺轨,铺轨后半年、1 000 d、1 500 d, 10年对应的总徐变变形与温度效应组合引起的主梁变形见图10及表7。

图10 后期徐变变形与温度效应产生的主梁变形组合

表7 后期徐变变形与温度效应产生的主梁变形的组合值

最不利温度效应与成桥3个月铺轨,成桥后10年收缩徐变变形组合,沙湾水道特大桥边跨最大上拱值为11.4mm,中跨最大下挠值为-43.9mm;

计算得到的后期徐变变形偏大,还需要采取其他后期徐变变形控制措施来减小后期徐变变形。

5 车桥动力仿真分析

桥梁成桥后在温度与混凝土收缩徐变影响下,会引起桥梁结构产生初始变形,该初始变形在列车上桥之前便存在,在列车上桥运行过程中将影响桥梁和列车的动力响应[8]。为此,需要进行温度和收缩徐变初始变形影响下的车桥耦合振动分析,运用桥梁动力学与车辆动力学的研究方法,将车桥作为联合动力体系,建立车辆桥梁的空间耦合振动分析模型,对不同列车、不同速度以及不同轨道条件下的各种工况进行动力响应分析[9]。

为简便见,将该桥面初始变形作为附加线路不平顺叠加到轨道不平顺中进行常规车桥耦合振动分析,以此来考虑温度和收缩徐变初始变形影响下的车桥耦合振动分析。得到如下结果[10]。

(1)在所分析的列车类型与相应速度范围内,桥梁的各项动力参数满足指标要求;在日本500系动力分散式车组、法国TGV动力分散式车组、德国ICE3高速列车、国产300动力分散式车组作用下,高速列车运行的横向舒适性在速度250～350 km/h能达到“良”以上,速度375～420 km/h达到“合格”;竖向舒适性在速度250～300 km/h能达到“良”以上,速度325～420 km/h达到“合格”。在国产先锋号动力分散式动车组、中华之星动力集中式车组作用下,列车运行的横向舒适性在速度160～220 km/h能达到“良”以上,速度240～270 km/h为“良”或“合格”;其竖向舒适性在速度160～200 km/h能达到“良”以上,速度220～270 km/h“良”或“合格”。

(2)由温度与混凝土收缩徐变引起的桥梁结构初始变形,相当于轨道结构附加的长波不平顺,该初始变形主要影响列车运行的竖向舒适性,对横向舒适性和行车安全性指标影响不大。在成桥3个月后铺轨,成桥后10年,(112+2×168+104)m连续刚构的动力性能满足要求。

6 结论

(1)成桥后主梁线形的改变主要是由混凝土收缩徐变和预应力损失引起的。并且随着时间的推移,由混凝土徐变引起的主梁上拱和下挠不断增大;主梁后期变形实测值与理论值趋势一致,数值大小基本吻合,徐变变形计算值能够反映该桥成桥后的后期徐变变形,能够达到预估该桥后期变形的目的。

(2)延长铺轨时间越长,边跨上拱和中跨下挠均减小,对边跨上拱值的减小更明显。所以必须确定合理的铺轨时间。

(3)通过加大主梁梁高,可以提高主梁的设计刚度,又降低了梁体截面上下缘应力差,从而减小了主梁的徐变变形。

(4)通过对底板束采用后张索的张拉方式对主梁徐变变形有一定的减小,但后张索的施工比较麻烦。在该桥设计中通过反复优化梁高、采用成桥6个月后铺轨以减小后期徐变变形。

(5)对各种不同的温度效应与后期收缩徐变变形组合,温度变形占了后期变形的近1/3。

(6)车桥动力耦合分析时考虑由温度与混凝土收缩徐变引起的桥梁结构初始变形,结果表明该桥动力性能满足要求;该桥目前已经通车,运营状况良好。

[1] 何义斌.大跨度无砟轨道连续梁桥后期徐变变形研究[J].铁道学报,2008(8):120 -124.

[2] 童永江.大跨度预应力混凝土无砟轨道连续梁桥后期徐变变形的研究[D].长沙:中南大学,2008.

[3] 石现峰,王澜,万家.无砟轨道混凝土桥梁的徐变变形研究[J].石家庄铁道学院学报,2007,20(1):61 -63.

[4] 叶梅新,钱淼,刘杰.无砟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(2):92 -94.

[5] 钱淼.无砟轨道预应力混凝土连续刚构桥后期徐变变形及控制方法研究[D].长沙:中南大学,2009.

[6] 周履,陈永春.收缩徐变[M].北京:中国铁道出版社,1994.

[7] 王法武,石雪飞.大跨度预应力混凝土梁桥长期挠度控制研究[J].公路,2006(8):72 -76.

[8] 许三平.高速铁路大跨度连续梁拱徐变研究[J].中国水运, 2010(5):155 -156.

[9] 西南交通大学.广深港沙湾水道特大桥车桥动力分析[R].成都:西南交通大学,2007.

[10]王 巍,薛伟辰.高速客运专线轨道梁徐变变形研究进展[J].铁道科学与工程学报,2005(4):39 -43.

Study on Prediction of Later Deformation of Continuous Rigid-Frame Bridge on Guangzhou-Shenzhen-Hongkong Passenger-dedicated Railway

WANG Cun-guo,LIHai-quan,XIANG Yuan
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

Later deformation will occur at the pre-stressed concrete girder of ballastless track due to the influence of concrete creep,which will lead to hogging and sagging of the bridge.Moreover,this kind of deformation may increase gradually with the increase of time and finally lead to non-smoothness of the track.This article,simulates the whole construction process of the continuous rigid frame bridge with span arrangement(112+168+168+104)m on Guangzhou-shenzhen-Hongkong Passenger-dedicated Railway spanning over Shawan Watercourse,researches the influence onmain girder creep deformation of different track laying time after bridge construction being finished,and comes to the conclusion that the laying time of track has bigger influence on the creep deformation.In addition,for this bridge,coupled vibration analysis of vehicle-bridge is made by considering the initial deformation caused by creep and temperature,and the results show that the dynamical performance can meet the requirements.

ballastless track;continuous rigid frame;creep deformation;coupling of vehicle and bridge

U442

A

1004 -2954(2012)10 -0038 -04

2012 -02 -11

铁四院院控科研项目(2008K07)

王存国(1983—),男,助理工程师,2010年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业,工学硕士。