高速铁路大跨度混凝土拱桥变形监测与分析

2022-02-24颜永逸杨国静宋晓东翁顺田炜

土木与环境工程学报 2022年3期

颜永逸，杨国静，宋晓东，翁顺，田炜

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2.华中科技大学土木与水利工程学院，武汉 430074；3.香港理工大学土木及环境工程学系，香港 999077)

山区铁路随西部大开发策略的实施得到高速发展。但山区峡谷地形复杂，环境恶劣，大跨度混凝土拱桥因其良好的刚度和环境适应性在铁路建设中得到广泛应用[1]。对于高速铁路，过大变形会影响桥梁的平顺性、舒适性和安全性，因此，桥梁的长期变形控制要求很高[2]。由于结构的受力特点和混凝土材料的特性，混凝土拱桥在运营过程中会出现下挠变形，需要对桥梁的变形开展监测和分析[3]。

学者们对大跨度拱桥的变形与控制展开了深入的研究。徐昕宇等[3]基于车桥耦合分析，考虑了温度和徐变的影响，提出了“弦测法”技术的上承式拱桥变形控制方法和限值。尽管对于结构的变形控制有从理论分析和实际调控的众多方法，但准确获取结构的变形，特别是其中的徐变变形仍然是当前值得重点研究的难题。为了获得结构的变形和徐变变形成分，马坤等[4]采用GL2000收缩徐变模型，考虑模型及参数的随机性，分别采用拉丁超立方抽样技术和基于响应面的Monte carlo抽样技术，对北盘江特大桥长期变形的随机性问题进行研究。张双洋等[5]对北盘江大桥的收缩徐变进行了模型实验研究。张正阳等[6]基于北盘江大桥的模型试验，结合贝叶斯方法对拱桥的长期变形和收缩徐变建立了模型并开展了预测。王永宝等[7]建立了自然条件下徐变的预测模型。还有众多学着开展了模型试验与理论分析，都获得了一定的研究效果[8-11]。但在运营过程中，桥梁结构施工过程、荷载和环境等多方面因素不断变化，对模型试验和理论计算得到的结构变形影响较大[12]。因此，开展基于实桥的大桥变形监测与分析技术研究，才能得到更为合理的桥梁长期变形。

笔者基于实际监测得到的温度和变形数据，利用回归拟合分析，通过确定温度的周期影响范围和线性影响参数，提出一种新的大跨混凝土拱桥的徐变变形分析方法，并且以沪昆客运专线北盘江大桥的实测数据进行分析验证，结果表明，该方法的计算结果与规范的理论值吻合，且计算简单，无敏感参数设置，计算效率较高，适用性强。

1 工程概况

沪昆客运专线北盘江特大桥(如图1所示)为世界最大跨度混凝土拱桥，设计时速350 km/h，桥梁全长721.25 m，主桥设计为445 m上承式劲性骨架钢筋混凝土拱桥，矢高100.0 m，矢跨比1/4.45。桥址位于典型的V字形峡谷，山高坡陡、地形复杂。

图1 北盘江特大桥

轨道平顺性是高速铁路行车安全性和舒适性的重要保证，其对桥梁变形极为敏感。北盘江特大桥主跨大、运行时速高，为采用劲性骨架施工法的大跨度钢筋混凝土拱桥。采用此种施工方法形成的拱圈结构体系发生多次转换，结构刚度和强度也逐步形成，后期的收缩徐变变形非常复杂。由于山区独特的地形条件，不均匀的日照温差也会引起桥面的不确定变形。这些都给准确计算结构温度变形造成了很大的困难，直接影响到了轨道线形，进而影响到列车行车安全性和舒适性。因此，有必要对北盘江特大桥桥面变形进行长期监测，建立符合其结构特点的变形观测系统。通过实时监测，一方面确保运营行车安全，为日后养护管理决策提供科学依据；另一方面，掌握这种特殊桥型的收缩与徐变的变形特征及变化规律。

由于监测的重点是拱圈徐变变形及温度变化引起拱上梁竖向变形，因此，为了准确测量拱圈收缩徐变、温度作用引起的梁部下挠，在北盘江大桥的下游侧共选取了14个测点，上游侧选取了3个测点(如图2)，自下游标示位置引液管至上游对应测点，采用静力水准仪对竖向变形进行观测，监测基准点可设置于小里程侧桥台处。考虑到传感器设备安装、更换方便且不影响后期运营维护、检查，将观测点设置在拱上墩对应的箱梁内部，它能直接反映出梁部在运营期间由于拱圈收缩徐变和温度变化引起的上下起伏情况。2016年7月，在沪昆线北盘江特大桥顺利完成了桥面线形自动化监测系统的安装和初调，并在8月完成了系统的移交。

图2 北盘江特大桥监测测点布置图(单位：m)

中铁二院测绘院自2016年1月2日至2016年10月23日对北盘江特大桥开展了人工观测。选取下游拱顶测点2016-10-02—2016-10-23时间段人工观测数据与同期自动化系统监测数据进行对比分析，沉降差异值数据结果如图3所示。

从图3可以看出，该期各监测部位均有不同程度的沉降变形发生，最大沉降变形发生在拱顶5#墩处，人工观测的沉降值为21.6 mm，自动化监测的沉降值为21.4 mm。两种监测方法各监测点的最大差值仅为0.966 mm，自动化监测结果与人工观测结果吻合较好，表明自动化监测具有较高的可靠性，且能满足高速铁路桥梁变形测量精度要求。

图3 人工观测与系统观测数据对比图

2 变形分析与徐变计算

2.1 实测变形分析

为更直观地研究北盘江大桥桥面线形随温度和收缩徐变等的变形趋势，选取了系统运营半年内(2016-10-01—2017-05-18)的8个不同时间点，绘出了桥面下游各测点随时间(或温度)变化的趋势图，如图4所示。

图4 桥面线形随温度和时间的变化

由图4可知，桥面线形受温度变化影响较为敏感。在选取的几个时间段中，2017-01-24的温度最低(17.14 ℃)，不均匀沉降差值最大，相对于桥台处，拱顶沉降达到95 mm，桥面线形相对不平顺。随着温度的逐渐上升，沉降差值逐渐减小，当温度值为31.3 ℃时(2017-04-10)，相对于桥台处，拱顶的沉降差值最小，不到5 mm，桥面线形处于较平顺状态。从上述分析可看出，截止桥梁开通运营半年内，影响桥面线形不平顺的主要因素依然是温度。收缩徐变的影响尚需延长观察时间进行判断。

2.2 变形成分分析

桥梁的徐变需要在长期的变形监测中分离得出，而通常情况下，长期监测的变形S中，不仅仅有徐变变形，还有温度效应、荷载效应和损伤效应。

S=ST+SP+SC+SD+SR

(1)

式中：ST为温度效应；SP为荷载效应；SC为混凝土的收缩徐变；SD为结构损伤；SR为系统误差。

北盘江大桥为新建桥梁，且属于世界级重大工程，施工质量控制要求高，因此，可以认为在当前阶段其结构损伤效应基本没有。由于本系统与人工观测数据对比可靠性较高，因此，也可暂时忽略系统误差效应。对于荷载效应，通过选取不行车时间段的变形进行相应剔除。实际上，本阶段大桥的主要变形成分为温度效应和收缩徐变效应，如何有效剔除温度效应成分变成了问题的关键。

通常，温度效应主要包含了两个主要成分：日温差和年温差。这两者在时间尺度上与其他成分不耦合，但日温差和年温差对于结构变形上引起的单位温差效应是相同的，所以，分离温差效应是可行的，但直接分离出日温差和年温差带来了更为复杂的计算。