高速铁路混凝土桥梁徐变变形计算分析及控制措施研究.pdf

高速铁路混凝土桥梁徐变变形计算分析 及控制措施研究 周 东卫 ( 中铁第一勘察设计 院集 团有限公司 ，西安7 1 0 0 4 3 ) 桥 梁 摘 要 ： 预应力混凝 土的后期徐 变变形会 引起桥 梁的上拱 和下挠 ， 造成 轨道 不平顺 。在 分析研 究桥 梁后期徐 变 变 形对无砟轨道 平顺 性影响的基础上 ， 提 出理论徐 变变形修 正系数的计算方法以及无砟轨 道施工 断面点计算 时提前 预 留徐 变效应 引起 的垂直位移量的工程控制措施 。通过 对京沪 高速铁路 3个预制 梁场修 正 系数的研 究结果表 明， 3 2 6 m直线 预制 梁 终 张拉后 6 01 8 0 d某些 时 间节 点的 修 正 系数仅 为 0 5 ， 修 正 前后 徐 变 变形 量差 异 最 大达 4 6 mr l l ： 理论徐 变经修 正系数修 正后能够提 高其与 实际变形的接近程 度 ； 在无砟 轨道 各施工 阶段 断面点计 算时提 前预 留徐 变效应 引起的垂直位移量 能够减少后期徐 变变形 对无砟轨 道铺 设后 平顺性的影响 。 关键词 ： 高速铁路 ；无砟轨道 ；混凝土桥 梁 ；徐 变；修正 系数 中图分 类号 ： U 2 3 8 ； U 4 4 2 5 + 1 文献标识 码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 6 50 3 Re s e a r c h o n Ca l c u l a t i o n M e t ho d a nd Co n t r o l M e a s u r e o f Cr e e p De f o r m a t i o n o f Co n c r e t e Br i d g e o n Hi g h- s p e e d Ra i l wa y ZHOU Do n g we i ( C h i n a R a i l w a y F i r s t S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e G r o u p L t d ， X i a n 7 1 0 0 4 3 ，C h i n a ) Abs t r a c t ：Cr e e p d e f o r ma t i o n i n l a t e r p e r i o d o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e wi l l c a us e h o g g i n g a n d s a g g i n g o f a b r i d g e，t h e n c a u s e i r r e g u l a r i t y o f t he t r a c k To s o l v e t hi s p r o b l e m ，a fte r a n a l y z i n g a nd r e s e a r c h i n g t h e e f f e c t o n t h e r e g u l a r i t y pr o pe r t y o f ba l l a s t l e s s t r a c k c a u s e d b y t h e l a t e r p e r i o d c r e e p，a n e w c o mpu t a t i o n a l me t h o d wa s p r o p o s e d i n wh i c h t h e t h e o r e t i c c r e e p d e f o r ma t i o n s h o ul d b e a s s i s t e d b y a c o r r e c t i o n c o e f f i c i e n t s ；a l s o a n e w c o nt r o l me a s u r e wa s p ut f o r wa r d：whe n c a l c u l a t i n g t h e c o n s t r u c t e d c r o s s s e c t i o n p o i n t s ，a v e r t i c a l d i s p l a c e me n t s h o u l d b e r e s e r v e d i n a d v a n c e t o o f f s e t t he c r e e p e f f e c t Me a n wh i l e，a r e s e a r c h o n t h i s c o r r e c t i o n c o e f fi c i e n t wa s c a r r i e d o u t a t t h r e e g i r d e r - p r e f a b r i c a t i o n y a r d s o n B e i j i n g S h a n g h a i Hi g h s p e e d Ra i l wa y Th e r e s u l t s s ho w t h a t ， b y t h e t i me o f 6 0 1 8 0 d a f t e r g i r d e r S fin a l t e ns i o n，a t s o me t i me p o i n t t h e c o rre c t i o n c o e f f i c i e n t o f s t r a i g h t p r e c a s t g i r d e r o f 3 2 6 m i n l e n g t h i s o n l y 0 5，a n d t h e ma x i mum d i ffe r e n c e o f c r e e p d e f o r ma t i o n i s u p t o 4 6 mm b e f o r e a n d a fte r t he c o rre c t i o n Fi n a l l y。t he a u t h o r c o me s t o t h e c o n c l u s i o n t h a t ，t h e t he o r e t i c a l c r e e p d e f o r ma t i o n wi t h t h i s c o r r e c t i o n c o e f f i c i e n t c a n b e c l o s e r t o t h e a c t u a l c r e e p de f o r ma t i o n t h a n t h a t o f wi t ho u t t hi s c o r r e c t i o n c o e f f i c i e n t ； a n d t h e i n flu e n c e o n t h e r e g u l a r i t y pr o pe r t y o f b a l l a s t l e s s t r a c k c a us e d b y l a t e r pe r i o d c r e e p o f c o n c r e t e c a n b e we a k e n e d e f f e c t i v e l y b y r e s e r v i n g t he v e r t i c a l d i s p l a c e me n t i n a d v a n c e wh e n c a l c u l a t i n g e v e r y C R O S S - s e c t i o n p o i n t o f e v e ry c o n s t r u c t i o n s t a g e Ke y wo r d s：h i g h s p e e d r a i l wa y；ba l l a s t l e s s t r a c k；c o n c r e t e b r i d g e；c r e e p；c o rre c t i o n c o e f f i c i e n t 无 砟轨 道 能适应 高 速铁 路 高平顺 性 和高稳 定 性 的 要求 ， 但可调性很小 ， 其结构的永久变形只能通过扣件 进行调整以恢复其设计几何 形状 。对于混凝土桥 梁而言 ， 如果后期徐变变形超 出无砟轨道 扣件调节范 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 01 9 ；修 回日期 ： 2 0 1 30 l一1 8 作者简 介： 周 东卫 ( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 工程 师 ， 2 0 0 7年毕业 于西 南交 通大 学 大地测量 与工程测量 专业 ， 工学 硕士， E ma i l ： d w z h o u 8 1 0 4 0 8 1 2 6 C O IT I 。 铁道 标准设 计R AI L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 3 ( 0 6 ) 围 ， 将对 桥上 线路 的平顺 性 造成严 重 危 害 ， 甚 至可导 致 轨道扣件破坏失效 ， 对行车安全造成巨大隐患。因此 ， 必须 了解并控制铺轨后混凝土收缩徐变引起的桥梁线 形和轨道结构 的改变 ， 将其 限制在无砟 轨道扣件可调 量程范围内。基于上述工程背景 ， 在分析研究桥梁后 期徐变变形对无砟轨道平顺性影响的基础上 ， 提 出如 下徐变变形工程控制措施 ： 首先通过模拟实际的施工 65 桥 梁 周东卫一高速铁路混凝土桥梁徐变变形计算分析及控制措施研究 方法与施工过程对结构进行分析 ， 以计算 出混凝土桥 梁各 截 面点 总 的变形 量 以及 每 一个 时期 的变 形 量 ， 然 后采用实物变形测量得到的徐变实测数据修正理论变 形量 的偏 差 ， 最后 根据 轨 道 工 程 各 施 工 阶段 的具 体 情 况 ， 在计算底座板 、 加密基标和道床板断面点坐标时将 剩余徐变效应引起 的垂直位移量提前预 留， 从而 大大 减少 桥梁 后期 徐 变变 形对无 砟 轨道铺 设 后平顺 性 的影 响 。本 文的研 究 成果 可为我 国客运专 线 无砟 轨道 昆 凝 土桥梁的工程实践提供参考和技术储备。 1 无砟轨 道 混凝 土桥 梁徐变 效 应的计 算 方法 1 1 徐变 效应 的计 算方 法 为 了尽 可 能减少 混凝 土徐 变变 形对 轨道 铺设 后 的 影响， 施工单位进行各工序施工作业的不 同阶段 ， 均需 由设计单位提供其在综合考虑梁型、 梁长、 桥梁的施工 方 法 、 混 凝土 的龄 期 、 施 加 二 期 荷 载 的 时 间 、 预应 力 的 张 拉时 间等 因素 的情 况 下 ， 计 算 出 由徐 变 引 起 的 总变 形 量 以及每 一 时期 的变形 量 的理论 值 。徐 变计算 根 据 加载龄期与徐变系数关 系的不 同假定 ， 主要有如下几 种 计算 模 型 ： 有 效 模 量 法 、 徐 变 率 法 、 叠 加 法 、 流 动 率法 、 继效流动理论及按龄期 调整 的有效模 量法 等。 这些方法都假定徐变与应力关系是线性的 ， 并服从叠 加 原理 。 无砟轨道混凝土桥梁 的徐变效应计算 过程如下 ： 将桥梁理想化为在节点处互相连接的平面梁单元的 组 合 ， 每个单 元 的龄 期 、 收缩 徐 变 特 性 、 材 料 特性 及 截 面特性需根据结构尺寸和施工方案具体确定 ， 假设每 个 单元 温度 分 布相 同 。 将结 构 经受 收缩 徐变 的过 程 划 分 为与施 工 过 程 相 适 应 的 时 段 ( 如 建 造 新 单 元 、 张 拉预应力筋 、 体系转换 、 施加施工荷载等 ) 。在每一 时段 ， 都对 当时已形成的结构进行一次全面的分析 ， 求 出该时段 内产生 的全部节 点位移增量和节点力 增量 ( 即结构内力和变形的增量 ) ， 上述增量与本时段开始 时的节点位移 、 节点力相加 ， 即可得出本时段结束时的 节 点 位移 和节 点力 的状 态 。按 照这 一 方 法 ， 即可 得 出 任意 施工 阶段 结构 的 内力 和 变形 状 态 ， 从 而实 现 对 混 凝 土 桥梁从 开 始施 工到 成桥 以及 收缩 徐变 完成 这一 整 个过 程 中任 意时 刻 的内力 和变形 状 态 的跟踪 分析 。 计算 出各施工放样断面点在相应梁跨 的局部坐标系中 的位置 ， 然后根据计算 出的理论徐变变形分布数据进 行内插 ， 即可计算出各施工放样断面点的理论徐变变 形值 。计算 出徐变效应在各施工放样断面点处引起 的变形量后 ， 对应施工断面点 的放样高程采用该变形 量进行改正， 即完成了考虑徐变效应的施工断面计算 ， 从而在施工过程中对后期徐变变形的影响提前进行了 预留。图 1 为 国内某客运专线 3 2 6 m预制梁终张拉 后各 节点 徐变 理论 变形 值 。 一l O g一8 矗一 蓑一 一 z 0 1 6 3 1 0 2 4 8 0 4 8 1 0 2 1 6 3 位置， m 图 1 某客运专线 3 2 6 m预 制梁 徐变理论变形值 1 2徐 变修 正 系数 的计算 方法 由于徐变变形 的复杂性和计算理论 的局限性 ， 通 过理论计算 的徐 变变形值与实际观测存在一定 的偏 差 ， 实际作业 中往往需要借助实物变形 测量 的方法来 修正计算 中所得到的数值 ， 提高理论计算结果与实际 变形 的接 近程 度 。 在无砟轨道不 同施工阶段 的断面数据计算 中， 桥 梁底 座板 断 面数据 、 轨 道基 准点 、 加密 基标 数据 以及 轨 道板精调数据和道床板断面数据的计算 中， 均需考虑 剩余徐变效应对上述施工数据的影响。计算时首先需 要 确定 出桥 梁各 截 面点 在 终 张拉 后 各 时 间节 点 的“ 实 际徐变变形值” ， 然后在计算施工数据时考虑 “ 采用 比 例” 。由于徐变理 论变形值计 算并非十分准 确 ， 因此 在实际操作 中需要对理论计算值进行修正 ， 通 过对桥 梁终张拉后各截面点进行定期徐变观测求得其在各时 间节点的实测变形值 ， 将 实测变形值除以理论 变形值 即求得修正系数 ， 即实际徐变变形值 = 理论计算值 修 正系数 ， 而实际最终采用值 =实际徐变变形值 采用比 例 。如 修正 系数 = 实 测值 理论 值 ， 即求得 该 梁 在 终 张 拉 后 6 0 、 9 0 d和 1 8 0 d的理 论 变形 修 正 系 数 。采 用 比 例 依据 理论 徐 变计算 的准 确 程 度 、 实 测 数 据 的 观 测频 次和精度情况等因素综合确定。 为了保证求取的修正系数具有较高的准确性 和可 靠性 ， 计算修正系数需遵守如下原则 ： 应以梁场 为单 元计算各种梁型的修正系数； 一类梁型的观测数据少 于 5片梁时， 不做分析； 徐变观测时间短于 1 8 0 d时 ， 不做分析； 观测数据明显不合理时 ， 不做分析 ； 梁型 定义不清楚 的， 不做分析。待修正系数正确求解后 ， 即 可将修正系数用于修正该梁场生产的该种梁型理论计 算值的偏差， 从而可根据不同的施工阶段将剩余徐变变 形在轨 道铺设后 的变化量提前 预 留 ， 以充分 满足轨 道扣 件可调整量的要求 ， 保证轨道的平顺性和行车安全。图 2为某梁场生产的 3 2 6 m预制梁终张拉后 6 0 d理论徐 变变形值修正前后各截面点的差异图。 2徐 变变 形计算 分 析 为 了分析 混凝 土桥 梁后 期徐 变变 形对 无砟 轨 道底 6 6 铁道 标准设计R A I L W AY S T A N D A R D D E S I G N 2 0 1 3( 0 6 ) d ddO d d d ) ) ) O d 叫 舳 优 O 3 6 9 1 l 3 1 ； 二 周 东卫一 高速铁路混凝土桥梁徐变变形计算分 析及控制措施研究 位 置 m 图 2 某 梁场 3 2 6 m预制梁徐 变理论变形值修正前后 座板断面 、 轨道基准点数据以及轨道板精调放样 的影 响， 以京沪高速铁路为例 ， 按本文 阐述 的徐变效应计算 方 法 ， 在综 合考 虑 了梁 型 、 梁 长 、 桥梁 施工 方法 、 混 凝土 龄期 、 施加二期荷载的时间、 预应力张拉时间等 因素的 基 础上 ， 对 各种 桥 梁徐 变 变 形 引 起 的垂 直 位 移 变 化 以 及部分梁场混凝土预制 梁的修正系数进行 了计算与 分 析 。 2 1 理论 徐 变变 形值 计算 分析 本文对京沪高速铁路部分梁型的理论徐变值进行 了计算分析。徐变计算考虑 了桥梁终张拉后 的时间 、 混凝土 的龄期 ， 但未包括墩台变形 、 变位及温度变化产 生 的挠 度 。 时 间 节 点 分 别 为 终 张 拉 后 0 、 3 0 、 6 0 、 9 0 、 1 2 0 、 1 5 0 、 1 8 0 、 3 0 0 、 1 0 0 0 d ( 按 1 0 d终 张 拉 、 终 张 拉 后 9 0 d二期恒载一期上桥 、 终 张拉后 1 8 0 d二期恒载二 期上桥 、 终张拉后 2 1 0 d二期恒载三期上桥考虑 ， 混凝 土 徐变 按 1 5 0 0 d 考 虑 ) ， 表 1统 计 了 每 种 梁 型从 终 张 拉后 6 0 d到 1 8 0 d的徐变变化最大值 。 表 1 京沪 高铁 部分 桥梁终张拉后 6 01 8 0 d理论徐 变变化值 桥梁类型 徐 变变化最大值 m m 2 O m曲线预制梁 ( 有声屏障) 2 0 m直线预制梁( 无声屏障) 2 4 6 m曲线预制梁( 有声屏 障) 2 4 6 m直线预制梁( 无声屏障) 3 2 6 m曲线预制梁( 有声屏 障) 3 2 6 m曲线预制梁( 无声屏 障) ( 4 0 + 5 6 + 4 0 )m连续梁曲线( 有声 屏障) ( 4 8 + 8 0 + 4 8 )m连续梁直线( 无 声屏障) ( 4 8 + 8 0 + 4 8 )r fl连续梁曲线( 有声屏 障) ( 4 0 + 6 4 + 4 0 )m连续梁直线( 无声屏 障) ( 4 0 + 6 4 + 4 0 )m连续梁曲线( 有声屏 障) ( 6 O + 1 0 0 + 6 0 )m连续梁直线 ( 无声屏 障) ( 6 0 + 1 0 0 + 6 0 )m连续 梁直线 ( 有声屏 障) ( 4 0 + 5 6 + 4 0 )m连续梁直线( 无声屏 障) ( 4 0 + 5 6 + 4 0 )m连续梁直线( 有 声屏障) 1 27 1 3 4 1 3 7 1 4 8 6 8 0 6 1 O 4 2 0 6 4 0 7 5 O 4 5 0 4 6 0 6 8 0 7 7 0 3 40 4 3 0 从 表 1可 以看 出 ， 6 01 8 0 d的理 论 徐变 变化 量 的 最大值达 7 7 0 m m， 且大跨连续梁的徐变变形值通常 要大于预制梁 ， 说 明桥梁结构 剩余徐变量对轨道工程 会造成较大的影响 ， 终张拉 6 0 d后无砟轨道不同的施 工阶段计算底座板断面、 轨道基准点数据 和轨道板精 调断面时 ， 必须顾及桥梁结构剩余徐变量对轨道工程 的影响， 同时还需考虑未上桥二期恒荷 载引起 的弹性 铁道 标准设计R A I L WAY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 3( 0 6 ) 桥 粱 变形 ( 对 已上桥 的二期恒荷载 的影响不再考虑 ) 。通 过对京沪 高速铁 路徐 变变形 数据统 计分 析后发 现 ， 7 0 的徐 变变形 在 终 张拉后 1 8 0 d之 内发生 ， 因此 为 了 简化计算 ， 一般在终张拉后 1 8 0 d就可不再考虑剩余徐 变变 形 的影 响 。 2 2梁 场修 正 系数计 算 分析 本文以梁场为单位计算 了各梁场生产 的 3 2 6 m 预制梁的理论徐变变形值的修正系数。由于京沪高速 铁路全线 的预制梁计算修正系数时都 已超过 2个月 ， 因此 ， 0 、 3 0 d的变形采用理论值 ， 不做修正 ， 观测值对 理论值的修正时间节点为 6 0 、 9 0 d和 1 8 0 d ， 即确定该 三时间点的修正系数。表 2统计 了部分梁场 的 3 2 n l 梁 的徐 变 修 正 系 数 。表 3为 采 用 表 2修 正 系 数 对 3 2 6 m 预制梁 终 张拉后 6 01 8 0 d进行 修正 前 后 的跨 中变 形值 。 表 2 京沪高铁部分梁场 3 2 6 m 梁修正 系数 ( 无量纲 ) 表 3 京 沪高铁 部分梁场 3 2 6 m预 制梁修 正前 后徐变变化值统计 I Y I Il l 终张拉后 6 01 8 0 d 制梁场 徐变变化最 大值 无修正 有修 正 从表 2 、 表 3可以看出， 京沪高速铁路 3个预制梁 场 的 3 2 6 1T I 直 线 预制梁 终 张拉后 6 01 8 0 d某些 时 间 节 点 的 徐 变 修 正 系 数 仅 为 0 5 ， 变 形 量 差 异 最 大 达 4 6 m i l l ， 这 是 由 于 影 响 徐 变 效 应 的 因素 较 多 ， 理 论 模 拟计算值具有一定的误差 ， 因此理论变形值必须经过 实测数据修正后才能用于对无砟轨道铺设后剩余徐变 变形 量 的估 计 ， 确 保 后 期 徐 变 变 形 估 计 的准 确 可靠 。 通过在各施工断面点坐标计算时对其提前预 留， 从而 有效控制后期剩余徐变变形对施工或运营期问轨道平 顺性 的影 响 。 3 结 论 ( 1 ) 预应 力混凝 土 桥梁 的后 期徐 变 变 形 是个 复 杂 问题 ， 混 凝 土的 收缩徐 变 与预应 力 的损失 相互 关联 ， 选 取与实际施工过程相符合的计算参数 ， 采用正确 的计 算方法与计算模型 ， 对估计桥梁后期变形至关重要。 ( 2 ) 在施工 的不 同阶段 ， 经综合考虑梁 型、 梁长、 施工 方法 、 混凝土的龄期 、 施加二期荷载的时间、 预应 ( 下转 第 7 2页) 67 桥 梁 许三平一京沪高速铁路特殊桥梁施工方法研究 法施工 ， 原因如下 ： 部分连续梁位于梁 场附近， 为了尽 快疏 通架 梁通 道 ； 受地 方行 政 审批影 响 ， 部分 连续 梁按 悬臂灌注法施工已无法按期完成等 。 采用现浇连续梁主要有 以下优势 ： 现浇连续梁与 相 同跨 度悬灌 施 工梁 相 比 ， 可 以最 大 限度地 节省 工期 ； 在地 基 地质 条 件 较 好 的情 况 下 ， 可 以节 省 工 程 投 资 。 根据 不 同道 路条 件 采用 不 同施 工 方 法 ， 可 以适 用 于 受 道路 通 行 限 制 的支 架 敷设 。根 据 张 拉 后 支 架 受 力 工 况 ， 采用不 同施工方法 的现浇施工 ， 使支架受力 更合 理 ， 安全有保障。 5 结语 不 同特殊结构桥梁根据边界条件的不 同可选择适 合的施工方法 ， 为高速铁路特殊结构桥梁施工提供 了 新 的 思路 ， 开拓 了视 野 ， 具有 很好 的社 会 、 经济 效益 ， 为 客运专线铁路特殊结构桥梁建设提供 了有益的借鉴。 参 考 文献 ： 1 郑健 中国高速铁路桥梁 M 北 京： 高等教 育出版社， 2 0 0 8 2 罗世东 铁路桥梁大跨度组合桥式结构的应用研究 J 铁道标准 设计 ， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 1 3 3 孙树礼 京沪 高速铁 路 桥梁工 程 J 铁 道标 准设计 ， 2 0 0 8( 6 ) ： l一4 4 文 望青 客运 专 线 桥 梁设 计 的思 考 J 铁 道标 准 设 计 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