大跨度无砟轨道连续梁-拱组合桥的工后徐变作用效应

2024-01-05崔本超于江永刘周继孔德芒孙焕重

铁道建筑 2023年11期

崔本超于江永刘周继孔德芒孙焕重

中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安 271000

大跨度梁-拱组合桥兼具梁桥与拱桥的优点，桥上无砟轨道因少维修、高平顺性、高稳定性的优势，使得大跨度无砟轨道连续梁-拱组合桥结构得到了广泛应用［1］。然而，桥上无砟轨道结构在运营期内的轨道高程只能通过扣件在有限范围内调节，若后期徐变作用效应考虑不足，会导致轨道形位变化超过无砟轨道扣件的调整范围，影响无砟轨道的平顺状态［2-3］。国内外专家学者已对高速铁路大跨度桥梁的混凝土收缩徐变进行了广泛的研究。何义斌［4］对现行中国铁路规范、中国公路规范和欧洲混凝土规范中的混凝土徐变系数与试验值进行了对比。郑晓龙等［5］以一座大跨度上承式混凝土拱桥为对象，采用车桥耦合分析方法，分析温度和徐变共同作用下的车桥系统动力响应，研究桥梁变形的控制指标和限值。康炜［6］研究发现采用钢桁加劲预应力混凝土箱梁的高铁斜拉桥，通过在加劲钢桁上弦灌注混凝土，延迟铺轨时间，采用预制节段悬臂拼装施工工法，主梁徐变变形减小了40%。现有文献中关于大跨度连续梁-拱组合桥工后徐变对无砟轨道几何位形影响的研究有限。

本文以沪苏湖高速铁路青浦特大桥为工程背景，考虑大跨度连续梁-拱组合结构与无砟轨道结构之间协同工作的变形传递，分析工后徐变作用对桥上无砟轨道竖向变形变化规律的影响。

1 工程背景

青浦特大桥位于上海市青浦区，桥型为大跨度连续梁-拱组合桥，桥梁全长共449.5 m（含两侧梁端至边支座中心线各0.75 m），桥跨布置为（112 + 224 +112）m，墩号依次为3#—6#，各支点沿横向设置3 个球型支座。拱肋计算跨径224 m，设计矢高44.8 m，矢跨比1∶5，拱轴线采用二次抛物线，设计拱轴线方程为y= -x2/280 + 0.8x。拱肋采用钢管混凝土结构，主拱肋采用等高度哑铃形截面，截面高度为3.4 m。拱肋弦管直径ϕ1.2 m，由两种厚度（24、28 mm）的钢板卷制而成，弦管之间采用厚20 mm 的钢缀板连接。上下钢管、腹腔均为钢混组合结构，钢管及腹腔内填充C55自密实补偿收缩混凝土。桥上两榀拱肋间横向距为12.2 m，两榀拱肋之间共设11 道横撑，横撑分为空间桁架撑以及K 撑，各空间桁架撑由4 根ϕ610 × 24 mm主钢管以及32根ϕ325 × 16 mm连接钢管组成，K撑采用ϕ508 × 20 mm 钢管以及ϕ325 × 16 mm 连接钢管组成，钢管内部不填充混凝土。主梁为预应力混凝土结构，采用单箱双室变高度箱形截面，跨中及边支点处梁高5.5 m，中支点处梁高13.0 m，梁底按1.6 次抛物线变化。全桥共设22组双吊杆，吊杆顺桥向间距9 m。吊杆采用PES（FD）7-61 型低应力防腐拉索（平行钢丝束），吊杆上端穿过拱肋，锚于拱肋上端张拉底座，下段锚于吊点横梁下缘固定底座。桥梁立面见图1。

图1 桥梁立面（单位：mm）

无砟轨道形式为CRTS 双块式，由钢轨、扣件、枕轨、道床板、隔离层、底座板等构成。采用CHN60 钢轨、WJ-8B 型常阻力扣件、SK-2型双块式轨枕。道床板厚260 mm，宽2 800 mm，有4.68、4.70、5.00、5.94、6.40 m 五种长度。道床板与底座板之间设置厚4 mm的聚丙烯非织造土工布隔离层。底座板厚210 mm，长度、宽度与道床板尺寸相同。每块底座板上设置两个凹槽，与道床板限位凸台匹配，限位凹槽横向宽1 022 mm，纵向长700 mm，高110 mm。长度为5.0 m的无砟轨道结构如图2所示。

图2 CRTS双块式无砟轨道结构（单位：mm）

2 精细化分析模型

2.1 模型建立

为了更精确地模拟大跨度连续梁-拱组合桥-CRTS 双块式无砟轨道体系梁轨相互作用，以及轨道结构之间的连接情况，考虑徐变对梁-轨相互作用影响，对徐变分析模型中不同构件进行模拟。徐变分析模型中各构件材料参数见表1。徐变分析模型共计13 508 个节点，8 609 个单元，并规定纵桥向为x方向、横桥向为y方向、竖向为z方向。

表1 构件材料参数

1）连续梁-拱结构

主拱钢管、管内混凝土、主梁及桁架采用空间梁单元模拟，吊杆采用仅受拉桁架单元模拟。当钢管与管内混凝土接触良好时，钢管以及管内混凝土可以通过共节点建模的方式模拟［7-8］。在主梁各节点处沿横桥向左右2 500 mm 处（无砟轨道底座板中轴线位置）建立辅助节点，通过刚性连接将主梁各节点与对应辅助节点相连，形成脊骨式主梁。支座约束方式见表2。

表2 支座约束方式

2）轨道系

底座板、道床板以及钢轨采用空间梁单元模拟，扣件以及隔离层采用弹性连接单元模拟［9］。底座板与主梁连接采用刚性连接模拟，底座板与道床板之间采用弹性连接。在道床板各节点沿横桥向左右717.5 mm处建立辅助节点，通过刚性连接将主梁各节点与对应辅助节点相连。

轨道系层间尺寸为2.8 m × 6.4 m，扣件间距为0.65 m，单条钢轨与道床板之间安装10个扣件。在模拟中扣件的y、z向刚度采用线弹性连接模拟，扣件的扭转刚度采用刚接属性模拟，扣件x方向刚度采用多折线弹性连接模拟。扣件x向阻力-位移曲线如图3所示。

图3 扣件x向阻力-位移曲线

土工布隔离层模拟方法与扣件类似，利用线弹性连接模拟道床板与底座板位移刚度，利用刚性连接属性模拟道床板与底座板转动方向的连接。在模拟土工布竖直方向连接时，认为竖向层间变形互相独立，因此将隔离层简化，基于变形准则利用仅受压弹性连接模拟隔离层竖向受力特性。考虑到土工布材料隔离层在自密实混凝土浇筑期间易与混凝土混合，导致土工布材料刚度偏大，故将变形后土工布材料近似于M5 砂浆材料来进行分析［10］。扣件与隔离层等效弹簧单元刚度见表3。

3）荷载与施工阶段

为精确模拟大跨度连续梁-拱组合桥-无砟轨道体系的徐变效应，在精细化模型中将施工阶段细化为96个子阶段，并考虑成桥运营后10年工后徐变。施工阶段模拟过程中考虑结构自重、预应力荷载、挂篮自重、混凝土湿重、合龙压重等荷载，考虑混凝土收缩徐变的影响。

2.2 模型验证

运营阶段大跨度连续梁-拱组合桥-无砟轨道体系徐变分析模型中主梁最大压应力以及恒载作用下支座反力见图4。将运营阶段主梁最大压应力以及恒载作用下支座反力，与设计院提供的设计值进行对比，见表4。可知，大跨度连续梁-拱组合桥-无砟轨道体系徐变分析模型精度较高。

图4 模型计算值

3 工后徐变计算分析

3.1 不同龄期下徐变模型计算结果对比

大跨度连续梁-拱组合桥-无砟轨道体系徐变分析模型中，主梁混凝土徐变参考CEB-FIP（1978）《铁路桥涵混凝土结构设计规范》［11］中徐变模型进行计算；钢管混凝土徐变计算参考JTG/ T D65-06—2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》［12］。在加载龄期为t0，计算龄期为t时，混凝土徐变系数φ(t，t0)计算式为

式中：βd(t-t0)为随时间而增长的滞后弹性变形；βf(t)，βf(t0)分别为混凝土龄期t、t0的混凝土滞后塑性应变，其值与理论厚度（h）相关；ft为混凝土龄期为t时的强度；f∞为混凝土最终强度；φf为流塑系数；φf1为依周围环境而定的系数，φf2为依理论厚度（h）而定的系数。

钢管混凝土徐变系数ϕcs(t，t0)计算式为

式中：Es为钢管弹性模量；Ec为管内混凝土弹性模量；αs为截面的含钢率。

利用有限元模型对大跨度连续梁-拱组合桥上铺设无砟轨道后1年、2年、3年、5年、10年的工后徐变变形进行计算与分析，结果见图5。图中正值表示徐变上拱，负值表示下挠。不同龄期下主梁徐变模型桥上无砟轨道竖向变形最大值见表5。

图5 桥上无砟轨道竖向变形曲线

由图5与表5可知：

1）对比相同时间内由徐变引起的竖向变形，边跨段无砟轨道的竖向变形最大值均小于中跨段无砟轨道的竖向变形最大值；边跨无砟轨道竖向变形发展速度明显小于中跨无砟轨道竖向变形发展速度。因此，在维修养护期间需要更加重视中跨无砟轨道由徐变所产生的竖向变形。

2）工后徐变3 年时，中跨无砟轨道竖向变形最大值已增长至工后徐变发生10 年的60.22%，而边跨无砟轨道的竖向变形最大值发展至57.04%，均超过无砟轨道工后徐变10 年竖向变形的50%。表明大跨度连续梁-拱组合桥上无砟轨道竖向变形在铺设无砟轨道后前3年里发展较快，需要格外关注。

3.2 钢管混凝土徐变修正系数简化计算

大跨度连续梁-拱组合桥-无砟轨道体系的徐变分析模型中，钢管混凝土的徐变系数修正计算参考JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》［13］中对管内混凝土徐变的修正计算方法，这一计算过程较为繁琐。本文采用将混凝土徐变系数直接替代为折减系数的简化计算方法，并对大跨度连续梁-拱组合桥-无砟轨道体系的徐变分析模型进行计算。不同折减系数计算的轨道竖向变形曲线见图6。折减系数为0.5 时桥上无砟轨道关键截面竖向变形见表6。

表6 折减系数取0.5时无砟轨道关键截面竖向变形

图6 不同折减系数计算的轨道竖向变形曲线

由图6 与表6 可知：徐变折减系数取值越小，大跨度连续梁-拱组合桥上无砟轨道竖向变形越大。采用折减系数（0.5）替代混凝土徐变系数的简化方法与按照JTG 3362—2018 计算混凝土徐变系数得到的桥上无砟轨道竖向变形曲线最接近，两者相对误差为2.06% ～ 4.38%。因此，对大跨度连续梁-拱组合桥进行徐变计算时，可以采用折减系数（0.5）对管内混凝土徐变系数进行初步估算。