高铁特大跨混凝土连续梁徐变设计应用研究.pdf

高铁特大跨 混凝 土连续梁徐变设计应用研究 薛照钧 2 3 文章 编号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 2 3 0 4 高铁特大跨混凝土连续梁徐变设计应用研 究 薛照钧 ( 中铁 第 四勘 察设 计院 集 团有 限公 司 ， 湖北 武 汉 4 3 0 0 6 3 ) 摘 要 ：为解 决 由于没有 实测数据 作 参考 而造 成 对徐 变预 测 不准 确 的 问题 ， 选取 已建 的 3座 高铁特 大跨 混凝 土连续 梁 ， 对 其收 缩 、 徐 变的设计 、 计 算 、 实测及远 期预 测进行研 究。通过 分析 比较 现有的 3种徐 变计算方法， 最终选取采用 铁路桥 涵钢筋混凝土和预应力混凝土设计规范 的方法 计算徐变， 对比计算与实测结果 ， 分析表 明： 混凝土徐 变变形一年 内可完成总量的 7 O 以上； 梁合 龙后， 二期恒载加载龄期在 6 O d时徐变速率对梁挠度的后期影响非常小； 为控制徐变， 设计梁时应 使 截 面上 、 下缘 应 力在 预 应力及 恒载作 用下尽 量接 近 ； 采 用所 选规 范计 算收 缩 、 徐 变 可满足 工 程要 求 ； 根据 实测 变形数 据 ， 采 用双 曲线 法预 测 的连 续梁长期 徐 变与数值 计算基 本 吻合 。 关键 词 ：高速铁 路 ； 无碴轨 道 ； 连 续 梁 ； 徐 变； 预测 ； 应 用 中图分类号 ： TU5 2 8 0 1 文献 标志 码 ： A S t u d y o f Cr e e p De s i g n a n d Ap p l i c a t i o n o f Lo n g S p a n Co n c r e t e Co nt i n u o u s Be a m s f o r Hi g h - S p e e d Ra i l wa y XU E Zh a o - j u n ( Ch i n a Ra i l wa y Ti e s i y u a n S u r v e y a n d De s i g n Gr o u p Co ，Lt d ，Wu h a n 4 3 0 0 6 3 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：To r e s ol v e t h e p r ob l e m o f i na c c u r a t e c r e e p pr e d i c t i o n du e t o t h e v oi da nc e of r e f e r e n c e o f a c t u a l l y me a s ur e d d a t a， t he l o ng s p a n c o nc r e t e c o nt i nuo us be a ms o f t h r e e c o m p l e t e d br i d g e s o n h i g h s pe e d r a i l wa y a r e s e l e c t e d a nd t he s h r i nka ge，c r e e p de s i gn，c a l c ul a t i o n，m e a s u r e me n t s a n d l o ng t e r m p r e d i c t i o n o f t he be a m s a r e s t u di e dThr o ug h a n a l y s i s a n d c o mpa r i s o n o f t he e x i s t i n g t h r e e k i n d s o f t h e c r e e p c a l c u l a t i o n me t h o d s ，t h e me t h o d i n t h e C o d e f o r De s i g n o n Re i n f o r c e d a n d Pr e s t r e s s e d C o n c r e t e S t r u c t u r e o f Ra i l wa y Br i d g e a n d C u l v e r t i s c h o s e n t o c a l c ul a t e t he c r e e p a nd t he c a l c ul a t i o n o f t he c r e e p i s c o m p a r e d t o t he me a s u r e m e nt s The r e s u l t s o f t h e a n a l y s i s i n d i c a t e t h a t mo r e t h a n 7 0 o f t h e t o t a l c r e e p d e f o r ma t i o n o f t h e c o n c r e t e c a n b e c o m p l e t e d wi t hi n o ne y e a r Af t e r c l os ur e of t he b e a m s ，t he i nf l u e n c e of t he c r e e p r a t e a t t h e t i m e of 6 0 d a ge of c o nc r e t e a f t e r i mpo s i ng t he s e c on d ph a s e d e a d l oa d on t he l a t e pe r i od d e f l e c t i o n o f t he b e a ms i s v e r y l i t t l e H o we v e r，t o c on t r o l t he c r e e p，wh e n a b e a m i s d e s i gn e d，t he s t r e s s i n t he u pp e r a nd l o we r f l a ng e s o f t h e s e c t i on o f t he be a m un de r t he a c t i o n o f p r e s t r e s s i n g a nd d e a d l oa d s h o ul d b e k e p t po s s i b l y i d e nt i c a 1 Th e c a l c u l a t i on of t h e s hr i n ka g e a nd c r e e p b y t he c ho s e n c od e c a n me e t t h e r e q ui r e m e nt s f o r c on s t r u c t i o n a nd i n a c c o r da nc e wi t h t h e m e a s u r e d d a t a o f t he d e f o r ma t i o n，t h e p r e d i c t i o n o f l o n g t e r m c r e e p o f t h e c o n c r e t e c o n t i n u o u s b e a ms b y t h e h y p e r b o l i c me t h o d i s b a s i c a l l y a g r e e a b l e wi t h t h a t b y t h e n u me r i c a l c a l c u l a t i o n Ke y wo r d s ：hi gh 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 on t i n uo us be a m ；c r e e p；p r e d i c t i o n；a p p l i c a t i on 收稿 日期：2 0 1 0 0 4 2 3 作者简介：薛照钧( 1 9 5 6 一) ， 男 ， 教授级高工 ， 1 9 8 2年毕业于西南交通大学铁道工程系桥梁专业 ， 工学学士( x u e 5 5 7 3 0 1 6 3 c o rn) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 桥梁建设 2 0 1 0年第 4 期 1 引 言 高速铁 路无碴 轨道 需要线下 工程 为运 营列车提 供高质量的平顺性 ， 为乘客提供安全、 舒适的旅行环 境。特大跨度预应力混凝土连续箱梁桥 以其跨越能 力大 、 刚度 大 、 伸缩 缝少 、 养护简 单得 到广泛 的应用 ， 由于受 到混凝 土材 料非匀 质性 、 梁部截 面形状 、 预应 力钢束布置 、 荷载加载龄期等影响， 结构在运营后期 将会产生收缩和徐变 ， 其变形可能影响高速列车的 走行性 。影响混凝土收缩 、 徐变的因素是随机变量 ， 其变异系数至少在 1 5 2 0 ， 尽管 国内外大量学 者进行 了几 十年 的研 究 ， 认识 不 断 提 高 ， 结 构 分 析 、 计算的理论和方法也在不断发展 ， 但 由于没有长期 实测数 据的参 考 ， 对混 凝土 收缩 、 徐 变 的准确预测 和 控制在世 界范 围 内仍是 个 难 题 ， 本文 针 对 上述 问题 就混凝 土收缩 、 徐 变 的设 计 、 理论 、 实 测 及 远期 预 测 进行研究 ， 并重点分析了桥上轨道铺设完成后梁体 的后期 变形 ( 包 括 预应 力 混凝 土 梁 的 收缩 、 徐 变 、 弹 性 变形 等) 。 度 、 刚度 、 稳定性 、 局部 应力 等问题 的处理基 本成熟 ， 但 高速铁 路无碴 轨道桥 梁 的后 期徐 变变形控 制与 预 测亟须研究。为此， 选择高速铁路中主跨分别为( 6 0 + 5 1 O 0 + 6 0 )m、 ( 6 4 +4 6 + 6 4 )m、 ( 7 0 + 1 2 5 +7 0 )m 的 3座 已建大跨 度预应 力混 凝 土连续 梁桥 ( 以下分另 0 简称 桥 1 、 桥 2 、 桥 3 ) 进行 徐 变 变 形 分析 及 后期变 形监测 、 监控 ， 以对其 徐变性 能进行 较为准 确 的预测 和评估 。 无碴轨道桥梁近期及远期的竖向与横向变形的 大小不仅影响列车运营 ， 同时也关系到结构使用的 耐久性 和 可维护性 ， 设 计 要求 铺 轨 后 预应 力 混凝 土 梁 的竖 向残余 徐变 变形 ： 跨 度 L 5 0 m 时竖 向变形 不应 大 于 1 0 mm， L 5 0 m 时竖 向 变 形 不 应 大 于 L 5 0 0 0 且不 大于 2 0 mml l 。 根 据 建设 标 准及 相关 技 术要 求 ， 以有效 控制 徐 变， 在经济的情况下尽可能提高结构刚度， 降低截面 应力水平， 合理布置预应力钢束使梁体截面上 、 下缘 应力在 预应力 及恒 载 作用 下 尽 量接 近 为 原则 ， 在 设 计过程 中经 比较后 拟定上 述 3座 连续梁 桥均采 用单 2 设计 研究简 述 箱单 室变截 面 ， 梁底 均按 圆弧形 式 过 渡 ， 3座 连续 梁 为跨越大江、 大河、 高等级道路设计了许多大跨 桥具体轮廓 尺 寸及 设计 过程 中主要 检算成 果 见 度预应力混凝土连续梁桥， 目 前设计理论中关于强 表 1 。 表 1 3座连续梁桥轮廓尺寸及 主要检算成果 桥 1 桥 2 桥 3 + 梁高 m 叉点 高跨 比 跨 中 N 高跨 i i 比 m 底宽 m 梁底半径 m 悬臂最大节段重 t 腹板厚度 ( 支点 跨中) c m 顶板厚度 ( 支点 跨中) c m 底板厚度 ( 支点 跨中) c m 运营阶段 中跨跨 中( 主力) 正截面强度安全系数 运 营阶段 中跨跨 中正截面抗裂安全系数 运 营阶段混凝土最大应力( 主拉 主压) MP a 运 营阶段中跨跨 中混凝土( 主力) 最 大应力( 拉 压) MP a 中主跨在活载下 的挠跨 比 3 收缩 、 徐 变 与时效 预应 力混 凝 土 连续 梁 的 主要建 材 为胶 凝 材料 、 骨料 及水组 成 的混凝 土 ， 其 结构 随时 间 的增 长 会产 生收缩、 徐变 。混凝土徐变和收缩是其作为粘滞弹 性体的两项与时间有关的变形特性。收缩主要是水 泥胶凝体中游离水蒸发而使本身体积缩小的一种物 理化学 现象 ， 是 与荷 载无关但 与 时间 、 气 候等有 关 的 一 种 干燥 变形 ， 收 缩 因受 到 约束 会 引 起拉 应 力 。相 关研究 表 明 ： 混 凝 土 收缩 在 2 0年 以后 还 存 在 ， 若 以 2 O年的总收缩值 为标 准， 则在 2个星期 、 3个月、 1 年 内收缩分 别 完 成 1 4 3 4 、 4 0 8 O 、 6 6 8 5 。徐 变 是混 凝 土在 持 续荷 载 作用 下 ， 水 泥胶 体微空隙中的游离水经毛细管挤出并蒸发， 使胶体 缩小形成的。徐变随持荷时 间增长而增加， 增加 的 速 度随 时间增 长 而 递减 ， 相关 研 究 表 明 ：徐 变 一 般 在 5 2 O年逐渐 达到一 个极 限值 ， 若 以 2 0年 的徐 变 值 为标准 ， 则 1年 内徐 变 约完成 7 6 ， 通 常 ， 徐 变 变 9 4 5 ， ， 】 ) 加 栅 栅 钉 m 瑚 剃 m L 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高铁特大跨混凝土连续 梁徐变设计应用研究 薛照钧 2 5 形 比瞬时 弹性变形 大 1 3倍 ， 因此 徐变在 结构 设计 中是不 可忽 略 的重 要 因素 J 。 4 徐 变预 测方法 分析 为全面研究混凝土的收缩、 徐变 ， 首先应确定合 理的预测模型与分析方法 ， 通过对 国内外 常见的几 种预测模 型进行 分 析 后认 为 各 种 方法 均 有 不 足 ， 也 难以达到精确的 目标 。为研究高铁特大跨预应力混 凝 土连续 粱桥 的徐变 ， 考虑 3种徐 变计算 方法 ， 方法 1 ： 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土设计规范 ( TB 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 ) 中的混凝 土收缩、 徐变计算方 法 ， 该 方 法 采 用 C E B F I P( 1 9 7 8 ) 徐 变 预 测 模 型 ； 方 法 2 ： 公 路钢 筋混凝 土及 预应 力混 凝 土桥 涵 设计 规 范 ( J T G D6 2 2 0 0 4 ) 中的混凝 土 收缩 、 徐 变计算 方 法 ， 该 方法 采 用 C E B F I P( 1 9 9 0 ) 徐 变 预 测 模 型 ； 方 法 3 ： 美 国混凝 土协会 ( AC I ) 2 0 9 委 员会 推 出的易 于 电算且每个徐变 系数都有具体数 学表达式 的 AC I 2 0 9系列徐 变 预测模 型及相 应计算 方法 。 根 据上述 3 种 计算方 法分 别对 3座连 续梁桥 建 模 ， 并分 别计算 其 收缩 、 徐 变 。假 定连 续梁 桥在合 龙 后第 1 0 ， 2 0 ， 3 0 d一 直 到第 1 2 0 d间 隔 1 0 d开 始 和 完成二期恒载铺装 ， 分别进行 3 0 ， 6 O ， 9 0 ， 1 8 0 d及 1 1 O年间梁 的徐变变形计算 ， 并绘出梁的挠度变化 曲线进行 比较 ， 结果 表明 ： 徐 变变 形 随时间 的增长 而 增 大 ； 混凝 土 的收缩 、 徐 变 使 主 梁挠 度 不 断 加 大 ， 最 大值 在 跨 中 ， 前 3年影 响 较 大 ， 3年 过 后 变形 减 缓 ； 初始 加 载龄 期 越 短 徐 变 速 率 对 挠 度 的后 期 影 响越 大 ， 随 时间 的增 长混凝 土梁 的刚 度越来越 大 ， 初 始加 载龄期在 6 0 d时徐变速率对挠度 的后期影响非 常 小 ， 推算 1 O年后梁的竖 向残余变形最大值均为下挠 并小 于 1 0 mm， 能 够满 足工程 要求 。 对 3座连续梁桥的数值计算 、 理论及实测变形 数据 进行分 析后 认为 ： 现有计 算模 式对混 凝土徐 变 、 收缩的预测差别均在 2 o 以上 ， 徐变预测的精度高 于收缩预测的精度 ； 按方法 1计算 的徐变系数 比方 法 2大 ； 方法 3 预 测 的徐变后期 发展 速率 较慢 ， 计 算 值 小 于实测值 ； 方 法 2预 测 的 徐变 变 化 曲线 与 实 测 较为吻合， 数值上略小； 方法 1应用在高速铁路桥梁 设计中可以满足工程要求 。因此 ， 最终确定采用方 法 1 对所研究 的 3座梁桥进行徐变计算。 5 计算、 实测及徐变长期预估研究 为 积 累混 凝 土连 续梁 收缩 与徐 变 的实 际变 形 ， 在 现场对 3 座 连续梁 在各个 不 同施工 阶段进行 了长 期变形监测， 并在数值计算 的基础上与梁实际变形 数据 进行 比较从 而对 梁 的长 期徐 变进行 预测 。 采用方法 1分别对 3 座连续梁桥各孔跨跨中等 控制截面在现场实际加载龄期完成 3 0 ， 6 0 ， 9 0 ， 1 8 0 ， 2 5 0 ， 3 6 0 d后的徐变变形进行计算 ， 并与相应 的实 测 变 形 数 据进 行 比较 ， 见 表2 4 l_ 3 ( 仅 列 出跨 中等 表 2 ( 6 0 +5 1 0 0 - t - 6 0 )m梁徐变变形 mm 第 1 跨跨中0 0 2 0 3 8 0 0 5 0 2 2 0 0 8 0 2 2 0 1 1 0 2 5 0 1 3 0 2 4 第 2跨跨中 一3 3 8 3 4 3 3 9 4 2 9 7 4 2 7 3 1 5 4 7 7 3 8 5 4 9 4 3 6 7 第 3跨跨 中 一2 3 4 3 4 8 2 8 8 4 1 5 3 2 3 4 3 9 3 8 3 5 4 3 4 2 5 5 6 3 第 4跨跨 中 一2 5 7 2 3 6 2 9 1 3 3 9 3 0 8 3 4 6 3 3 1 3 6 8 3 3 0 3 3 6 第 5跨跨 中 一2 3 3 3 4 8 2 8 5 3 9 9 3 1 9 4 2 3 3 7 8 5 1 9 4 1 8 5 3 6 第 6跨跨 中 一3 4 3 2 9 3 4 0 3 2 4 4 4 3 9 2 6 5 4 9 6 3 4 9 5 2 3 3 3 8 第 7跨跨 中 一0 0 1 0 5 0 0 0 1 0 1 s 0 0 2 0 1 5 0 0 3 0 1 5 0 0 2 0 1 1 注： 该桥于 2 0 0 8年 8月 日合龙 ， 于 2 0 0 9年 1月 1 】日约 1 5 0 d完成二期恒载铺装 。表 中负值为下挠， 正值 为上拱 ， 支座截面梁 的变形值 为 0 。表 3 、 表 4同 。 表 3( 6 4 +4 X 1 1 6 - t- 6 4 )m梁徐变变形 mm 注 ： 该桥 于 2 0 0 8年 8月 1 4日合龙 ， 于 2 0 0 9年 1月 1 0日约 1 4 5 d完成二期恒载铺装 。 6 O 7 7 1 2 L L L 一 一 9 2 7 7 6 9 8 2 0 0 1 8 0 7 4 4 7 0 一 一 一 一 8 4 8 6 3 4 6 7 7 O 2 1 O 6 1 3 7 O 一 一 一 一 一 7 6 8 8 5 7 一 一 一 一 1 6 4 4 2 8 3 1 5 2 6 4 1 1 1 O 1 0 一 一 一 一 5 1 2 7 5 一 一 一 一 中申中中中中 跨 跨 跨 跨 跨 跨 跨 跨 跨 跨 跨 跨 1 2 3 4 5 6 第 第 第 第 第 第 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 桥梁建设 2 0 1 0年第 4期 边跨 1 4截面 一0 4 4 0 1 3 0 4 0 7 9 0 3 7 2 6 1 0 2 7 2 7 4 0 0 9 2 6 6 边跨 1 2 截 面 一0 1 7 0 6 6 0 】 一0 6 1 0 0 6 0 3 0 0 6 0 3 3 0 2 6 0 2 9 边跨 3 4截面0 2 3 1 1 1 0 2 9 0 0 1 0 3 4 1 8 3 0 4 4 1 9 6 0 5 9 1 9 3 中跨 1 4 截 面 一2 6 5 1 3 7 3 0 5 0 1 6 3 3 8 0 9 9 3 9 7 一1 0 7 4 7 5 0 6 8 中跨 1 2 截 面 一4 5 4 2 2 7 5 1 2 0 9 5 5 6 2 1 6 6 4 2 2 2 5 7 4 6 1 8 9 中跨 3 4截面 一2 2 9 0 9 1 2 6 6 0 2 2 9 5 0 9 3 3 5 1 0 9 8 4 2 3 一0 7 6 边跨 1 4截面 o 2 6 o 0 8 o 3 3 一o 5 1 o 3 9 o 5 2 o 5 o 5 1 o 6 6 o 6 1 边跨 1 2 截 面 一o 2 3 o 3 3 一o 1 8 一o 5 o 1 3 1 1 一o o 1 1 0 6 o 1 9 一o 9 9 边跨 3 4截面 一0 4 1 0 3 5 0 3 7 0 7 2 0 3 3 0 6 0 2 2 0 7 0 0 4 0 1 4 注： 该桥于 2 0 0 8年 7月 2 6日合龙 ， 于 2 0 0 8 年 1 2月 l 5日约 1 4 0 d完成二期恒载铺装 。 典型截面的数值) 。 算分析吻合 ， 最大值在跨 中； 3年后徐变变形减缓 。 由表 2 4可知 ： 3座 连续 梁桥 各跨 跨 中 以外 的 其他各典型截面的徐变变形计算与实测值有正负、 大小不同， 尤其是成桥初期个别值相差较大； 除边跨 以外 的跨 中计算 与实测 徐变值 相 比互有大小 ， ( 6 o + 5 1 0 0 +6 0 )m、 ( 6 4 +4 1 1 6 + 6 4 )m 连续 梁 二期 恒 载铺装 完成后 1 8 0 d计算 与实 测徐 变值 相 比最 大 差值 为 3 7 9 6 ， ( 7 0 +1 2 5 +7 0 )m 连 续梁差别则较 大 ； 除边跨以外的跨 中计算与实测徐变值趋势及符 号基本一致 ； 各跨跨中计算与实测的徐变变形量均 为最 大值 ； 二 期恒 载 铺 装完 成 1 8 0 d后 实 测 变形 增 量微小 ； 尽管 实测徐 变变形 数据受 施工 、 测点 、 天气 、 时间、 测量等影响初期与计算值差别较大 ， 但后期两 者差别减 小 ， 且 最大值 均很 小 。 为对 3座 连续梁 桥徐 变长期变 形进行 较为 准确 的预测 ， 引入基于实测数据的“ 双曲线” 统计预测法， 为阶段性 实测变 形数据 与 时间关系 选配 函数方程 进 行 拟合 ， 以推算徐 变长期 变形 ， 得 出各桥最 大跨 中截 面挠度变化预测值， 见表 5 l 3 表 5 3座连续梁最大跨中截面挠 度变化预测值 mm 由表 5 可 知 ： 初 期 实测 变形 较 大 的截 面 推算 的 长期挠度也大； 3年 以后的徐变变形预测与数值计 6 结 语 混凝 土收 缩 、 徐 变 的控 制和 准确 预 测在 世 界范 围内一直是个难题 。该文针对已建的高速铁路无碴 轨道特 大跨度 预应力 混凝 土连续 梁徐变 变形进 行研 究 ， 总结 了大 量研究成 果 ， 并 选择 国 内外 3种徐 变变 形模型进行数值计算分 析与对 比， 同时根据系统 的 实测变形 数 据 对 3座 梁 桥 的 长 期 徐 变 变 形 进 行 预 测 ， 解决了以往 由于没有实测数据作参考而造成预 测不 准确 的问题 ， 对 今 后类 似 工 程 的设 计 、 应 用 、 研 究具 有积极 的指 导意义 。 参 考 文 献 ： 1 T B 1 0 6 2 1 2 0 0 9 ， 高速铁路设计规范 ( 试行 ) E s E 2 雷俊卿混凝土桥梁病 害成 因分析与耐久性对 策研究 c 土建结构 工程 的安全性 与耐 久性北京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ， 2 0 0 1： 3 7 4 ( L EI J u n - q i n g An a l y s i s o f De t e r i o r a t i o n Ca u s e s a n d Re s e a r c h of Dur a bi l i t y M e a s ur e s of Conc r e t e Br i d ge s C S a f e t y a n d D u r a b i l i t y o f C i v i l E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s B e i j i n g ：Ts i n g h u a Un i v e r s i t y Pr e s s ，2 0 0 1 ： 3 7 4 i n Ch i n e s e ) 3 中铁第 四勘察设计 院集 团有 限公 司， 中南大学 ， 北京交 通大学武广客运专线大跨度预应力混凝 土梁 桥梁试 验研究 z 2 0 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m