考虑混凝土徐变效应的城市轨道交通标准简支梁桥铺轨时机研究.pdf

工程实践DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.02.015考虑混凝土徐变效应的城市轨道交通标准简支梁桥铺轨时机研究王晓东（中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉4 3 0 0 50）摘要：为保证城市轨道交通轨道平顺性和后期行车安全，文章运用Midas软件建立简支梁桥一无轨道/二期恒载加载周期徐变模型，结合对简支梁张拉后不同铺轨时间监测的简支梁徐变情况，对简支梁铺轨后徐变上拱值进行研究。结果表明：预应力张拉1 5天后进行轨道铺设与预应力张拉6 0 天后进行轨道铺设相比，跨中徐变上拱值在铺轨后差6 mm，在1 8 0 天时（初期运营）差3.2 mm，在1 年及1 0 年时徐变上拱值分别相差2.9 mm、3.0 m m，且1 5天铺轨后期徐变上拱值小于5mm，满足相关规范要求。相关研究可为其他类似工程中标准简支梁最佳铺轨时机和施工流程的确定提供参考和借鉴。关键词：城市轨道交通；标准简支梁；徐变；上拱值；不平顺质量指数中图分类号：U213.91背景城市轨道交通作为现代化交通工具，承载着大客流运输任务，对经济发展作用巨大。随着国内城市轨道交通建设快速发展，高架线路因其造价低、建设周期短在城市轨道交通延伸方面得到越来越多的应用。而相比有轨道，无碓轨道具备整体性好、耐久性好、轨道平顺性好、刚度均匀等优点，在城市轨道交通中普遍采第一作者：王晓东，男，工程师引用格式：王晓东.考虑混凝土徐变效应的城市轨道交通标准简支梁桥铺轨时机研究.现代城市轨道交通，2 0 2 4(0 2)：9 3-9 8.WANG Xiaodong.Research on the laying time of urban rail transit standard simple girder bridges while considering concrete creepage effects.Modern Urban Transit,2024(02):93-98.现代城市轨道交通2 1 2 0 2 4 MODERNURBANTRANST93用。但无确轨道只能通过扣件调节轨道几何状态，扣件的调节量有限，最大值约5mml2。在梁体的自重和预应力作用下，梁体截面受力形式为偏心受压，这就导致梁体截面内受力不均匀，进而产生与时间相关的非均匀徐变变形。若由于混凝土徐变使得梁结构的上拱度大于无轨道高程的可调节范围，将对轨道线路的平顺性产生巨大影响。目前，GB/T51234-2017城市轨道交通桥梁设计规范3 要求跨度50 以内的预应力混凝土梁后期徐变上拱最大值为1 0 mm。因此，桥梁徐变变形控制是无碓轨道预应力梁施工的关键影响因素。混凝土徐变是指在持续荷载作用下，混凝土结构产生与时间相关变形的现象。主要特点为，在加载初期变形速率较大，而后在3 5年内徐变速率逐渐减小，并趋于收敛。通常情况下，在加载的第1 个月徐变值与最终徐变值之比（以下简称“徐变比”）约为4 0%；3 个月时的徐变比约为6 0%。在普通箱梁施工中常采用支架现浇和预应力施工技术，一方面，混凝土箱梁在自重和预应力作用下会产生非均匀性徐变变形，即徐变上拱变形，且当预应力梁处于徐变较快阶段时铺轨，会导致徐变上拱值偏大；另一方面，预应力施工后，无谁轨道施工引起的二期荷载会减小箱梁上下边缘应力差，从而降低后期徐变拱度。这表明普通箱梁预应力施工与轨道二期恒载施工存在最佳施工间隔时间。为提高施工效率和缩短建设周期，预应力施工和轨道二期恒载施工一般采工程实践考虑混凝土徐变效应的城市轨道交通标准简支梁桥铺轨时机研究齿块乙a用连续分步作业方式。而当前在进行二期恒载影响设计和理论分析时仍采用单次总荷载分析方法，该方法并未考虑分步荷载加载时机对箱梁上拱徐变变形的影响。因此，综合考虑简支梁徐变影响和二期恒载分步加载时机影响，开展标准简支梁的无诈轨道施工时机研究具有重要参考应用价值。本研究以某城市轨道交通高架线路3 0 m标准简支梁铺轨施工为例，通过数值模拟计算和实际监测相结合，开展简支梁张拉后不同铺轨时机的后期徐变上拱值研究，探究最佳铺轨时机和施工流程，以期为类似工程提供参考和借鉴。2工程概况该城市轨道交通高架线路全长4.22km，共2 站3 区间，其中高架区间长3.8 1 km，共有预应力混凝土双线简支梁9 4 孔，其中3 0 m跨标准双线简支梁8 3 孔，占比8 8.3%。因此，本研究选取3 0 m标准双线简支梁为研究对象。标准简支箱梁梁高为1.8 m，采用单箱单室结构，混凝土强度等级为C50，结构断面如图1 所示。悬臂拼装完成后，采用一次张拉成型预应力施工技术。其中，腹板预应力钢束4 束，底板预应力钢束1 2 束，如图2 所示。预应力张拉施工后，采用无轨道施工技术，道床采用现浇钢筋混凝土短曲线外侧十0091十515(760)-0.5X(E,+E,)+D,+D注：R为简支梁腹板外侧圆弧半径；EI、E,分别为梁的左、右梁端偏距；D,、D 分别为左、右侧翼缘板圆弧跨中矢高。94MODERNURBANTRANSIT212024现代城市轨道交通轨枕式整体道床，整体道床分段布置，混凝土强度等级为C40。根据GB/T51234-2017城市轨道交通桥梁设计规范3，设计恒载主要为结构自重和二期恒载，城市轨道交通高架二期恒载包括轨道结构、接触轨结构、疏散平台、护拦板、声屏障、各种管线及其支承设备、1230306甲a0081901100S301.577t6109S9t01注：图中N1和N2为腹板预应力钢束N3为底板预应力钢束。图2 简支梁预应力布置图（单位：mm）跨中正横断面1:509600（1 0 1 0 0)4800(5050)-0.5(E+E,)+D,（D)450(500)左线中心线600200000 3501001392+483.5109.11600NIN3口书378810240069069024008104600b横截面4800(5050)-0.5(E,+E,)+D,(D,)右线中心线6002002002002002001.90519054.600图1 标准简支梁横截面图（单位：mm）2445012a纵断面2-21:502.7082.708008350109.1.483.5N3曲线内侧00811001392515(760)-0.5X(E,+E,)+D,+D1577099t01工程实践考虑混凝土徐变效应的城市轨道交通标准简支梁桥铺轨时机研究防水层等。3 0 m双线标准简支梁二期恒载为1 1 1.6 kN/m，其中轨道结构50 kN/m，占比4 5%，护拦板与声屏障合计3 7.2 kN/m，占比3 3%，轨道结构和护拦板合计占比78%，且轨道结构和护拦板均为独立结构。因此，为减小简支梁徐变上拱值，同时加快施工进度，本研究提出对轨道结构和护拦板进行分步施工。为减小二期恒载分步施工对上拱徐变影响，首先选择荷载相对较小的护栏板结构施工，再进行道床浇筑和轨道铺设施工，最后施工剩余二期恒载，具体施工步骤如下：（1）简支梁张拉、压浆；（2）简支梁张拉后静置1 0 1 5天，进行护拦板安装，同步进行封锚、封人孔；（3）简支梁张拉后静置1 5天，进行无诈轨道整体道床浇筑；（4）简支梁张拉后静置3 0 天，进行焊轨，之后进行疏散平台、桥面防水等二期荷载施工；（5）简支梁二期荷载施工完成后继续静置3 0 天，进行轨道应力放散及锁轨；（6）线路精调及试运行。3简支梁徐变效应分析3.1徐变模型建立Midas是针对土木结构分析与设计而开发的有限元软件，软件可以模拟计算施工过程，Midas在各个施工阶段，对于因徐变、收缩、钢束的松弛等预应力的时间性损失效应和由外部荷载或温度变化引起的预应力损失效应都进行考虑。徐变效应分析时，先计算由变形引起的钢束张力变化，然后将张力的变化量转化成等价荷载作用到单元上。Midas在分析过程中，通过考虑混凝土构件弹性模量随龄期的变化来反映强度发展的效果。可以根据TB10092-2017铁路桥涵混凝土结构设计规范 5、JTG3362-2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范等规范来定义混凝土强度发展函数，计算各个阶段随时间变化的混凝土强度。与其他有限元软件相比，Midas功能强大，有更丰富的单元类型，处理作用和效应更精准，Midas可以自定义徐变系数对实际桥梁结构进行计算分析，采用Midas进行预应力混凝土结构后期徐变变形计算与实际更为接近 7，故本文采用Midas建立简支梁二期恒载加载周期与徐变模型。根据GB/T51234-2017城市轨道交通桥梁设计规范，混凝土徐变系数及徐变影响计算按JTG3362-2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范附录C来执行。简支梁张拉龄期按照1 0 天计算，采用一次张拉成型，预应力张拉时徐变情况如图3 所示。3.2简支梁张拉后6 0 天铺轨计算情况二期恒载按照实际施工顺序进行分次加载，二期恒载安装时间按简支梁施加预应力后6 0 天计算，采用Midas计算结果如图4 图9 所示。由图4 图9 可知，随着时间的增长，混凝土的收缩徐变使梁体上拱不断增大，主梁各点均发生上拱，最大上拱出现在跨中位置，预应力张拉后1 0 年由于徐变产生的上拱值不足1 0 mm。徐变上拱随着收缩徐变的进程变缓而变化减慢，其中二期恒载加载后，徐变变化速率明显减小。图3 标准简支梁张拉时徐变情况（单位：mm）图4 简支梁张拉后静置6 0 天徐变情况（单位：mm）图5简支梁护拦板安装及铺轨后徐变情况（单位：mm）图6 简支梁铺轨后静置3 0 天，加载剩余二期恒载徐变情况（单位：mm）现代城市轨道交通212024MODERNURBANTRANSIT95工程实践考虑混凝土徐变效应的城市轨道交通标准简支梁桥铺轨时机研究天铺轨和预应力张拉后6 0 天铺轨相比，简支梁收缩徐变产生的主梁挠度变化规律均一致，徐变产生的变形均使梁体上拱。相比预应力张拉完成时，简支梁预应力张拉后静置1 5天图7 简支梁铺轨后静置1 8 0 天徐变情况（单位：mm）图8 简支梁铺轨后静置3 6 5天徐变情况（单位：mm）图9 简支梁铺轨后静置1 0 年徐变情况（单位：mm）简支梁预应力张拉后静置6 0 天，相比预应力张拉完成时，跨中徐变上拱值增加9 mm，为4 9.3 mm，安装护拦板及铺轨后跨中徐变上拱值减少10.2mm，静置3 0 天施工其他二期恒载再减少4.5mm，跨中上供值为3 4.6 mm，这是由于二期恒载对结构产生作用导致的；铺轨后静置1 8 0 天，结构徐变继续发生，跨中徐变上拱值增加1.3 mm，静置1 年徐变上拱值继续增加1.2 mm，静置1 0 年徐变上拱值再增加3.9 mm，为4 1.0 mm。与铺轨后徐变上拱值3 9.1 mm相比，铺轨后总徐变上拱值为1.9mm，满足GB50157-2013地铁设计规范8 要求。此外，二期恒载加载完毕至初期运营（静置1 8 0 天），徐变值为+1.3 mm，满足无作轨道的调节范围。3.3个简支梁预应力张拉后1 5天铺轨计算情况简支梁张拉后考虑压浆、封锚、封槽口和人孔时间，以及桥面清理、散轨时间，简支梁预应力张拉后1 5天可以进行铺轨。二期恒载按照实际施工顺序进行分次加载，二期恒载安装时间按施加预应力后1 5天计算，采用Midas计算结果如图1 0 图1 5所示。由图1 0 图1 5可知，预应力张拉后1 5跨中徐变上拱值增加3.5mm，为4 3.8 mm，安装护拦板及铺轨后减少1 0.7 mm，静置3 0天施工其他二期恒载再减少3.1 mm，跨中上供值为3 0 mm；铺轨后静置1 8 0 天跨中徐变上拱值增加2.7 mm，静置1 年徐变上拱值继续增加1.5mm，静置1 0 年徐变上拱值再增加3.8mm，为3 8.0 mm。与铺轨后徐变上拱值33.1mm相比，铺轨后总徐变拱值为4.9 mm，满足GB50157-2013地铁设计规范 8 要求。二期恒载加载完毕至初期运营变化值为-0.4mm，满足无诈轨道的调节范围。3.4徐变变形对比分析对3 0 m标准简支梁预应力张拉后1 5天和6 0 天铺轨后期徐变变形数据统计如表1 所示。图1 0 简支梁张拉后静置1 5天徐变情况（单位：mm）图1 1简支梁护拦板安装及铺轨后徐变情况（单位：mm）图1 2 简支梁铺轨后静置3 0 天，加载剩余二期恒载徐变情况（单位：mm）图1 3 简支梁铺轨后静置1 8 0 天徐变情况（单位：mm）96MODERNURBANTRANSIT212024现代城市轨道交通工程实践考虑混凝土徐变效应的城市轨道交通标准简支梁桥铺轨时机研究差值作为徐变变形值（可能上拱或下挠，与二恒加载时间有关)，左右两侧平均。3 0 m跨预应力混凝土简支梁张拉后徐变实测值与计算理论值比较如表2 所示。图1 4 简支梁铺轨后静置3 6 5天徐变情况（单位：mm）图1 5简支梁铺轨后静置1 0 年徐变情况（单位：mm）由表1 可知，二期恒载加载时间延后，结构徐变总上拱度存在增大。原因是二期恒载可以减少梁体结构上下缘应力差，二期恒载加载时间延后，延迟了二期恒载对结构的作用，从而可以增大徐变对总上拱的影响。但是随二期恒载加载时间的推移，铺轨后结构徐变引起的上拱变形减小，即后期徐变拱度减小。铺轨时间提前，简支梁结构徐变会存在下挠情况。综上，预应力张拉后1 5天铺轨满足总上拱、后期徐变上拱的要求，同时可以节约梁-轨的施工时间，有利于施工组织，能够起到很好的节约工期作用。3.5简支梁徐变实测情况预应力混凝土简支梁徐变影响因素较多，其徐变值仅靠理论分析是不够的，需要实际监测情况进行印证和比较。选取区间标准3 0 m跨径的简支梁作为试验梁，分别进行预应力张拉后1 5天和预应力张拉后6 0 天徐变监测。测点布置在简支梁跨中截面的箱梁顶面，每个截面布置2 个测点，结合实际工期因素，共监测4个月。简支梁预应力张拉完成后取跨中标高初始值（简支梁实际张拉龄期存在一定差异，但保证在土3 天范围内，故不考虑简支梁张拉龄期的影响），通过监测每个阶段跨中梁面标高考虑实际施工中，桥面二期恒载施加是持续进行的，例如轨道道床混凝土浇筑前（即轨道荷载加载前），护拦板先行安装，轨道、道床钢筋及模板等荷载已经安装完毕，铺轨前实测的徐变变形已包含上述荷载的影响，故对理论徐变变形也分开进行计算。从表2 标准简支梁徐变实测结果及理论结果对比可以看出，理论计算值与实测结果在变化趋势上是一致的。因此，可以认为徐变理论计算值与实测值基本上相吻合。4结论与展望城市轨道交通高架桥已普遍采用无碓轨道结构，无轨道桥梁的后期徐变变形控制是轨道施工质量的重要表1 3 0 m标准简支梁预应力张拉后1 5天和6 0 天铺轨后期徐变比较mm预应力张预应力张徐变时间拉后1 5天铺轨预应力张拉完成时徐变值40.3铺轨时徐变值43.8铺轨后徐变值33.1静置1 8 0 天徐变值32.7静置1 年徐变值34.2静置1 0 年徐变值38.0表2 3 0 m标准简支梁徐变实测值与计算结构比较预应力张拉后1 5天铺轨徐变时间实测徐变预应力张拉完成时39.037.0预应力张拉后1 5天（先加载护拦板）（先加载护拦板）预应力张拉后6 0 天一铺轨后31.1铺轨后3 0 天33.4拉后6 0 天铺轨40.349.339.135.937.141.0预应力张拉后6 0 天铺轨理论徐变实测徐变40.339.039.341.044（先加载护拦板）（先加载护拦板）33.137.933.837.4差值05.56.03.22.93.0mm理论徐变40.343.845.139.138.2现代城市轨道交通2/2024MODERNURBANTRANSIT97工程实践考虑混凝土徐变效应的城市轨道交通标准简支梁桥铺轨时机研究因素，通过有限元软件Midas对3 0 m标准简支梁无确轨道在不同铺设时机下桥梁后期徐变上拱值的研究，以及总体徐变情况研究，结合工程实例和实际监测数据进行验证比对，形成结论如下：选择合理的铺轨时间时应综合考虑实际的桥梁施工工期、总徐变量、后期徐变上拱的限制，对于城市轨道交通3 0 m标准简支梁在预应力张拉后3 0 天内铺轨，总徐变量及后期徐变拱值均满足相关规范要求，且满足无轨道扣件的调节范围；桥梁二期恒载的加载时间不同，即铺轨时间不同，对梁体后期徐变拱值的影响较大，但对于城市轨道交通30m标准简支梁影响有限，对于再大跨度的简支梁，也可通过一定徐变控制措施来保证轨道线形；桥梁的徐变变形与很多因素有关，徐变变形随时间的增长很难准确计算，但是混凝土的徐变总量在一定条件下是确定的，通过对铺轨前徐变变形值的计算和监测，可知其变形发展规律，从而可以预估铺轨后徐变值。城市轨道交通无碓轨道桥梁受规划或既有环境影响，存在一定数量的大跨度预应力混凝土桥，大跨桥梁收缩徐变更加复杂，包括连续体系、连续刚构体系、大跨简支体系等。在当前城市轨道交通高架桥梁工期紧张的情况下，需要进一步研究铺轨时机与后期徐变之间的关系，以控制和预测施工期间及运营阶段的徐变效应。参考文献1朱立俊.城市轨道交通高架桥梁徐变效应分析研究D.湖南长沙：中南大学,2 0 1 0.ZHU Lijun.Analysis and research on creep effect ofelevated bridges in urban rail transitD.ChangshaHunan:Central South University,2010.2田新宇，高亮，刘明辉，等.3 2 m高速铁路简支梁桥铺轨后残余徐变上拱限值研究 .中国铁道科学，2 0 2 0,41(02):45-52.TIAN Xinyu,GAO Liang,LIU Minghui,et al.Studyon residual creep arching threshold of 32m simply-supported beam bridge of high speed railway after tracklayingJ.China Railway Science,2020,41(02):45-52.3GB/T51234-2017城市轨道交通桥梁设计规范 S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 1 7.4刘杰.预应力混凝土结构徐变效应的计算理论及计算方法研究 D.湖南长沙：中南大学，2 0 1 0.98MODERNURBANTRANSIT212024现代城市轨道交通LIU Jie.Research on the calculation theory and methodof creep effect in prestressed concrete structuresD.Changsha Hunan:Central South University,2010.5】T B 1 0 0 9 2-2 0 1 7 铁路桥涵混凝土结构设计规范 S.2017.6JTG3362-2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 S.2018.7】曹建安.无碴轨道大跨度预应力混凝土桥梁后期徐变变形和控制方法研究 D.湖南长沙：中南大学,2 0 1 1.CAO Jianan,Study of long-term creep deformation andcontrol methods of great prestressed concrete bridgewith ballast less trackD.Changsha Hunan:CentralSouthUniversity,20ll.8GB50157-2013地铁设计规范 S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 1 3.收稿日期2 0 2 3-0 7-1 2责任编辑胡姬Research on the laying time of urban rail transitstandard simplegirder bridges whileconsideringconcretecreepageeffectsWANG Xiaodong(China Railway Bridge Group Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430050,China)Abstract:To ensure the smoothness of the urban rail transittracks and later traffic safety,this article utilizes Midas software toestablish a simple girder bridge-ballastless track/phase II constantload loading cycle creepage model.It combines this model withdifferent track laying time monitoring of simple girder creepageafter tensioning of simple girders to study the creepage up-archvalue of simple girders after track laying.The results indicatethat,compared with track laying after 15 days and 60 days of pre-stressing,the dfference of the mid-span creepage up-arch valueis 6 mm after track lay ing,3.2 mm at 180 days(initial operation),2.9 mm at 1 year,and 3.0 mm at 10 years.The creepage up-archvalue at the end of the 15-day tracking period is less than 5 mm,meeting the relevant specification requirements.This researchcan serve as a reference and example for determining the optimaltrack laying timing and construction process for standard simplegirders in similar projects.Keywords:urban rail transit,standard simple girder,creepage,up-arch value,uneven quality index