无砟轨道预应力混凝土连续梁桥工后徐变变形研究.pdf

2 0 1 5 年 6 月第 6期 城 市道桥 与 防洪 桥梁结构4 5 无砟轨道预应力混凝土连续梁桥工后徐变变形研究 叶 志 荣 ( 同济大学建筑设计院( 集团) 有限公司， 上海市 2 0 0 0 9 2 ) 摘要 ： 在高速铁路中， 对于铺设无砟轨道的预应力混凝土连续梁桥 ， 控制其工后徐变变形具有十分重要的意义。对宁杭 客运专线某处预应力混凝土连续梁桥进行有限元分析 ， 采用不同规范的徐变系数计算工后徐变变形并 比较计算结果的差 异 ， 同时研 究施工 过程 中延 迟铺设 轨道 的时间及拆 除 中墩 临时 固结 的时 间选 择对工 后徐变 变形 的影 响 。 关键词 ： 高速铁路； 无砟轨道； 预应力混凝土连续梁 ； 工后徐变变形 中图分 类号 ： U 4 4 g 2 1 5 文献标 志码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 4 5 0 3 1 概况 2 按不同规范的徐变系数计算工后徐变变形 目前， 我国大部分高速铁路均采用无砟轨道。 无砟轨道能适应高速列 车高平顺 性和高稳定性 的 要求 ， 但可调性很小 。对铺设无砟轨道 的预应力混 凝土连续梁桥 ，深入 了解 主梁混凝 土在铺轨后 的 徐变变形 ( 即工后徐变变形 ) 具有 十分重要 的工 程 意义 。目前 ， 各种设计规范有关徐变 系数计算公式 的规定差别很大 ，由此计算得 出的徐变变形值也 各不相 同。此外 ， 施工过程 中某些 步骤 的调整 ， 如 铺轨 、 拆除 中墩墩梁 临时固结 的时间不 同 ， 也会 对 主梁 的工后徐变 变形 产生影 响。本文 以宁杭客运 专线 某处特大桥 ( 下 称 D桥 ) 为背 景 ， 选取不 同规 范的徐变系数计算其工后徐变变形 ，比较计算结 果 的差异 ，并研 究上述施工步骤 的调整对 工后 徐 变变形 的影响。 D桥为 7 0 m + 1 2 5 m + 7 0 m三跨预应力混凝土 连续梁桥 ， 全长 2 6 6 5 m， 为单箱单室结构 ， 箱梁顶 宽 1 2 0 i n ， 底 宽 7 0 I n ， 中墩梁高 9 2 I T I ， 端部及 跨 中梁 高 5 2 m。主梁采用 C 5 5混凝土 ， 横纵 向预应 力筋采用 1 8 6 0低松 弛高强钢绞线 。 主梁采用挂篮 悬 臂施 工 ， 共分 1 2个悬臂现浇施工节段 。边跨 采 用满堂支架施 工 ， 吊篮合龙 。 设计荷载为 Z K活载 ， 二期恒载取值 为 1 1 8 k N m。运用 M i d a s 建立 梁单 元有限元模型， 同时模拟全桥施工过程。全桥有限 元模 型见 图 1 。 图 1 A桥 有限元模 型 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 1 0 作者简介： 叶志荣( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 江苏泰兴人 ， 工程师 ， 从事桥梁 设计 工作 。 2 1 徐变及徐变系数定义 徐变是指在持 续荷载作用下 ，混凝 土结构 的 变形随时 间不断增加 的现象 。影 响混凝 土徐 变的 因素有很多， 如应力的性质和大小、 加载时混凝土 的龄期、 荷载的持续时间、 混凝土的组成材料及配 合 比、 周 围环境 的温度湿 度 、 构件 的截面形式 等 。 通常采用徐变系数 来描述混凝 土的徐变 ： ( D = 曼 _ ( 1 ) e 式 中： 混凝土 的徐变应变 ； 混凝土的徐变应变开始时的瞬时弹性 应变 。 2 2 常用规范徐变 系数计算方法 目前 ，由于各种规范的混凝土徐变系数计算 公式不 同 ，因此选用不 同规范计 算得 出的徐变变 形值差异也较大。 D桥有限元模型在计算过程中分 别采用 了四种较常使用的规范 ，分别为 ： C E B F I P ( 1 9 7 8 ) 规范 、 C E B F I P ( 1 9 9 0 ) 规范、 铁路桥涵钢筋混 凝 土和预应力混 凝土结构设 计规范 ( T B 1 0 0 O 2 3 2 0 0 5 ) ( 下称 T B 0 5规 范 ) 和公路钢筋混凝 土及预应 力 混 凝 土桥 涵 设 计 规 范( J T G D 6 2 -2 0 0 4 ) ( 下 称 J T G 2 0 0 4规范 ) 。 其中， C E B F I P ( 1 9 7 8 ) 规范采用的徐变系数为 ： ( ， ) ( ) + d ( ， 丁 ) + ， ( 丁 ) ( 2 ) 式 中： ( f ， ) 加载龄期 r ， 计算龄期为 t 时的混 凝 土的徐变系数 ， 下同 ； 加载后最初几 天产 生的不可恢复 的变 形 系数 ； ( ， r ) 可恢 复的弹性变形 系数 ，或徐弹 系数 ； ，( ， r ) 不可恢复的流变系数， 或徐塑系数。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 5 年 6 月第 6 期 C E B F I P ( 1 9 9 0 ) 规范考 虑 了混凝 土 的抗压 强 度 、 构件尺寸 、 周 围环境 的平均相对 湿度 、 加 载龄 期等各种因素的影响，采用各种系数相乘而得到 的徐变系数 ： ( ， 丁 ) = 0 ( ， 丁 ) = 中删 ( r ( ， ) ( 3 ) 式 中： 。 名义徐变系数 ； 环境相对湿度修正系数； 混凝 土强度修正系数 ； ( ) 加载龄期修正系数 ； ( ， ) 徐变进程修正系数 。 T B 0 5规范采用的计算公式 为 ： ( ， r ) ： ( r ) + o 4 ( 一 丁 ) + ， 卢 t ) ， ( r ) r D 1 ( 丁 ) = 0 8 l l 一 l ( 4 ) L L J 式 中： ( ， ) 随时间增长的滞后弹性应变 ； 尺 ( ) 一混凝土龄期 为 的强度 尺 ( ) 与最 终强度 R 。 。 之 比； 流塑系数 ； ( t ) 、 ( ) 随混凝土龄期增长的滞后塑 性应变 ， 与理论厚度有关 。 J T G 2 0 0 4规 范给 出的公式 只适 用于 强度 等级 为 c 2 O c 5 0的混凝土 。 采用高强混凝土时应乘 以 修正系数、 ( 其中， 3 2 4为 C 5 0混凝土的轴 心抗压强 度标准值 ， 为 C 5 0以上混凝 土轴 心抗 压强度标准值) ， 计算公式为： ( ， t 0 ) = ( t - t 0 ) ( 5) 式中 ： 名义徐变 系数 ； ( 一 t 。 ) 加载后徐变随时间发展系数 。 2 。 3 徐变变形分析与比较 分别选用 C E B F I P ( 1 9 7 8 ) 、 C E B P I P ( 1 9 9 0 ) ， T B 0 5和 J T G 2 0 0 4规范 的徐变 系数 计算 D桥有 限 元模型的徐 变变形 。 提取 中跨跨 中处 1 0 0 a内徐变 变形的发展数据 ， 绘出四种规范对应 的总体徐变变 形曲线( 见图 2 ) ； 将图 2曲线中各时间点处的徐变 变形值减去铺轨前 的初始徐变变形值 ， 得到中跨跨 中处的工后徐变变形值， 并绘出曲线( 见图3 ) 。图 中， 纵坐标正值表示变形上拱 ， 负值表示变形下挠。 图 2 中跨跨 中合计 徐变变 形 曲线 图 3 中 跨 跨 中工 后 徐 变 变 形 曲 线 由图 2可 以看 出， 按 T B 0 5规范计算 的总体徐 变变形最大 ， 变形值在轨道铺设后为 l 5 5 m m， 1 0 0 a 后可达 3 3 1 mm。发展速度上 ， T B 0 5规范的曲线在 最初 的 6 a里增 速最快 ，第 6年 总体徐 变变形为 2 4 2 mm， 相 比铺轨初期增长了 8 7 mm。 T B 0 5规范 的计算结果表 明， 在最初 的 6 a 里工后徐变变形就 已达到 1 0 0 a 工后徐变变形的5 0 。6 a 后曲线虽 仍呈上升趋势 ， 但增速 明显减小 ， 直至与 时间轴趋 于平行。 J T G 2 0 0 4规范对应 的变形 曲线与 T B 0 5规范的 曲线形状相似 ， 但数值偏小。 同样 ， 若选用 J T G 2 0 0 4 规 范规定 的徐变系数 ， 最初 6 a里 ， 合计徐变变形 从开始的 1 1 3 mm迅速发展至 1 6 8 mm， 工后徐变 值约 占 1 0 0年工后徐变总值的 6 5 。 与 我 国 规 范 不 同 的 是 ， C E B F I P ( 1 9 7 8 ) 和 C E B F I P( 1 9 9 0 ) 规范 的计 算结果 无论是合 计变形 还是工后变形都是 随时 间发展而下 降的 ，工后徐 变表现 为随时间下挠 。参照我 国已建成 的同类 型 桥梁 的 1 0 a徐变实测数据 ，预应力混凝土连续梁 桥跨 中工后徐 变变形基本都是 随时间增 长而逐渐 上拱 的。由此可见 ， 采用 C E B F I P规范的徐变系数 时计算结果与 实际情况存在较大不 同 ，而采用我 国两 种规 范定 义 的徐 变系数 时 计算 结 果切 合 实 际。根据规范要求 ， 对于跨度大于 5 0 m的高速铁 路梁桥 ，工后徐变上拱值不得超过 l 5 0 0 0且不大 于 2 0 mm， 由 T B 0 5和 J T G 2 0 0 4规范计算 得出 的工 后徐变变形值均满足要求。 3 铺设轨道的时间对工后徐变变形的影响 施工 中降低 主梁混凝 土工后徐变主要有三种 控制方法 ： 延 迟铺轨 、 张拉体 内预应力束 、 张拉体 外预应力束 。后两种方法工序繁琐 ， 不常采用 ， 因 此确定轨道铺设 的时间对混凝土主梁 的工后徐变 显得尤为重要 。 以 D桥有限元模 型为基础 ，考虑 9种假定 的 延迟铺轨 的工况 ，将铺轨时间依次设为全桥合龙 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 6 月第 6期 城 市道桥 与 防洪 桥梁结构4 7 完 成 后 的 0 d 、 6 0 d 、 1 2 0 d 、 1 8 0 d 、 1 a 、 2 a 、 3 a 、 5 a 、 1 0 a 。分别采用 T B 0 5规范和 J T G 2 0 0 4规范 的徐 变系数进行计算 ，绘 出跨 中点在 中跨 预应力张拉 完成 3 a 后 的工后徐变变形 曲线 ， 见 图 4 。 图 4 连 续梁跨 中工后徐 变变 形与延迟铺 轨时 间的关 系曲线 可 以看 到 ，根据两种规 范计算 结果绘 出的曲 线变化规律基本类 似 ， 即随着铺轨 时间的延迟 ， 跨 中点处的工后徐变变形逐渐从上拱转为下挠。取 T B 0 5 规范的计算数据分析，若在中跨合龙完成后 立即铺轨( 0 d ) ， 对应的工后徐变变形为 1 3 6 mm； 在 两个月后铺 轨( 6 0 d ) ， 工后徐变变形值为 9 _ 3 mm， 相 比 0 d时上拱度 减少 了 3 1 6 ；在半年 后铺轨 ( 1 8 0 d ) ， 跨 中工后徐变变形值 为 5 4 m m， 相 比 0 d 上拱度减少达 6 0 2 之多 。 。 可见 ， 延迟铺轨能极为 有效地解决连续 梁工后徐 变变形上拱度过大 的问 题。考虑施工工期等各方面要求， 一般选在中跨合 龙 6 0 d后进行铺轨 。 4 拆除中墩临时固结时间对变形曲线的影响 一 般情 况下 ， 悬臂施工 中应 在 0 #块设置墩梁 I临时固结 ， 以使 0 #块梁段能够承受两侧悬臂施工 产生的不平衡弯矩。在对悬臂现浇结束之后， 何时 拆除临时固结是一个值得关注的问题。 我国 目前 的悬臂施工方 法 中，拆除 中墩墩梁 临时固结 的时间选择主要有两种 ，一是在边跨合 龙完成后拆 除墩梁临时 固结 ，二是在 中跨合龙 完 成后拆 除墩 梁临时 固结 。对这两种做法优劣 的判 断主要从 主梁变形和应力包络 图等方面来予 以考 虑。 以 T B 0 5规范为计算依据 ，利用 Mi d a s 模 拟两 类拆 除墩 梁临时 固结的工况进行对 比。通过 观察 施工 阶段 的应 力包络图 ，发现两种工况下 的梁体 应力性 质大致 相同 ，主梁截 面在施工 阶段 的整个 过程 中均可保 证全截面受 压 ，在容许应力法下 主 梁压应力小于容许应力 ， 满足相关要求 。 在边跨合龙完成后拆除中墩墩梁临时固结工 况下 ， 轨道铺设完成后和轨道铺设完成 3 a 后 这两 个时 间点上 的梁 体合 计变形 分别 为 一 1 5 8 m m 和 一 1 2 3 m m， 工后徐变变形为 3 5 mm； 在 中跨合 龙完 成后拆除 中墩墩梁临时 固结工况下 ，对应于 同样 两个时 间点上 的的主梁合计变形 分别为 一 8 8 m m 和 一 5 4 m m， 工后徐变变形 为 3 4 m m。 由此可见 ，无论是在边跨合龙完成后拆除中 墩墩梁临时固结，还是在中跨合龙完成后拆除临 时 固结 ， 连续梁 主梁的工后徐变变形差别不大。但 中跨合龙后拆 除 中墩临时 固结相 比边跨拆除需设 置 的预拱度较小 ， 且 可以不设 临时纵 向支座 ， 更便 于 施工 。 5 结 论 ( 1 ) 按 照不 同的规 范计算 预应力混 凝 土连续 梁桥 的工后徐变变形有较大的差异 。我 国 目前 常 用 的 两 种 规 范 中 ， T B 0 5规 范 的计 算 结 果 大 于 J T G 2 0 0 4规范 的计算结果 。 ( 2 ) 连续 梁工后 徐变 变形在 轨道铺 设后 初期 发展最快 ， 轨道铺设完成后 1 - 6 a内的工后徐 变可 达到 1 0 0 a 工后徐变变形 的 4 0 6 0 。 ( 3 ) 工后 徐变 变形在 各规 范下计算 结果 的差 异主要 由各规范的徐变系数计算公式不同引起。 ( 4 ) 延迟轨道铺设的时间能有效降低连续梁 工后徐变变形的上拱度 。 ( 5 ) 悬臂 施工过程 中， 边 跨合龙后拆除 中墩 临 时固结和中跨合龙后拆除临时固结对主梁截面的 应力状态和工后徐变影响不大。 参考 文献 【 1 】 项海帆 高等桥梁结构理论 M 】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 1 2 】 何义斌 大跨度无砟轨道连续梁桥后期徐变变形研究【 J 1 铁道学 报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 4 ) ： 1 2 0 1 2 4 3 】陈守辉 大跨度 预应力 混凝土连续 箱梁桥 收缩徐 变效应分 析【 J J 铁道建筑技术， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 1 5 1 7 4 】叶 梅新 ， 钱淼 ， 刘 杰 无 碴 轨道 预应力 混凝 土桥 梁徐 变 变形 控制 方法研究 【 J 铁道标 准设计 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 9 2 9 4 5 】崔幼 飞 大跨 度无碴 轨道混 凝土 连续梁 桥 的施 工计 算及徐 变变 形研究 【 J 石家庄铁 道学 院学报， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 6 2 6 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m