喬晉飛

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

客運專線、高速鐵路建設(shè)中，橋梁所占比重越來越大，跨越的復(fù)雜工點越來越多，經(jīng)常遇到需要24～32 m可任意調(diào)整跨度的簡支梁，以滿足孔跨布置需要和施工變更需求。時速250 km客運專線無砟軌道簡支調(diào)跨箱梁通用圖設(shè)計就為滿足客運專線跨越困難工點處調(diào)跨需要而設(shè)計。在京滬高速鐵路設(shè)計中曾進(jìn)行過“調(diào)跨梁”設(shè)計，但京滬高速鐵路“調(diào)跨梁”梁高為3.05 m，而時速250 km客運專線無砟軌道簡支調(diào)跨箱梁梁高為2.6 m，由于兩者豎向剛度差異較大，照搬京滬高速鐵路調(diào)跨梁設(shè)計方法，殘余徐變變形將超出規(guī)范限值。所以對時速250 km客運專線無砟軌道簡支調(diào)跨箱梁進(jìn)行了深入研究。

1 調(diào)跨梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

時速250 km客運專線無砟軌道調(diào)跨箱梁通用圖，梁高采用2.6 m，橋面寬采用12.2 m。梁端距支點均為0.55 m?？紤]城際客運專線景觀需要，截面類型采用了斜腹板、大圓弧倒角箱形截面，線形順暢，具有較好的景觀效果。截面形式如圖1所示。

梁端頂板、底板及腹板局部向內(nèi)側(cè)加厚，跨中頂?shù)装搴穸确謩e為30 cm和28 cm，支點處頂?shù)装搴穸确謩e為55 cm和60 cm，跨中斜腹板厚度為45 cm，支點處斜腹板厚度為100 cm。

調(diào)跨梁通用圖設(shè)計的實際意義就在于，這種梁型可以根據(jù)現(xiàn)場實際需要，在一定范圍內(nèi)任意調(diào)整跨度，不必重新進(jìn)行設(shè)計計算。為滿足通用性，同時兼顧經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，24～32 m范圍內(nèi)的調(diào)跨梁跨度分級方案采用跨度差2 m為一級，同一級調(diào)跨梁采用完全相同的配束方式及張拉控制應(yīng)力。同一級調(diào)跨梁(如梁長30.6～32.6 m)，實際施工時可根據(jù)現(xiàn)場需要，跨中任意截短，鋼束布置形式及張拉控制應(yīng)力不變。鋼束布置圖參數(shù)化，立面布置形式如圖2所示。

圖1 調(diào)跨梁橫截面構(gòu)造(單位:mm)

圖2 預(yù)應(yīng)力鋼束布置(單位:cm)

腹板束彎起角度均為7°，底板束彎起角度均為4°。腹板內(nèi)均并列布置雙排鋼束，底板束盡量靠近腹板布置。梁長根據(jù)實際需要縮短現(xiàn)澆時，所有縱向預(yù)應(yīng)力鋼束只是水平段長度縮短，鋼束伸長量只需簡單內(nèi)插計算進(jìn)行修正即可。

調(diào)跨梁結(jié)構(gòu)分析時，考慮了截面有效寬度的影響，并考慮架橋機(jī)、運梁車荷載。由于客運專線采用無砟軌道，故縱向計算時考慮了日照正溫差的影響。日照正溫差產(chǎn)生的溫度自應(yīng)力將使截面下緣受拉，上緣受壓。30.6～32.6 m調(diào)跨梁主要計算結(jié)果如表1所示。

2 調(diào)跨梁關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 調(diào)跨梁設(shè)計難點

以梁長變化范圍在30.6～32.6 m之間，計算跨度變化范圍在29.5～31.5 m的調(diào)跨梁為例，其配束數(shù)量應(yīng)由計算跨度增大至31.5 m時控制。跨中截面強度控制配束數(shù)量，本設(shè)計強度安全系數(shù)采用2.2，剛剛滿足規(guī)范要求，比較經(jīng)濟(jì)。為提高下緣壓應(yīng)力儲備，梁長為32.6 m，計算跨度為31.5 m時，張拉控制應(yīng)力采用1 265 MPa比較合適。各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。若將該梁跨中截短2 m，梁長變?yōu)?0.6 m計算跨度變?yōu)?9.5 m時，相同鋼束布置，相同張拉控制應(yīng)力下，跨中下緣壓應(yīng)力儲備將增大，殘余徐變位移將超出設(shè)計容許值。對于跨度較大梁高較矮的預(yù)應(yīng)力混凝土低高度調(diào)跨梁，由于跨度較大，梁高較矮，豎向剛度較小，徐變變形比較敏感。其跨度增大時的下緣壓應(yīng)力儲備和跨度減小時的殘余徐變位移是1對難以克服的矛盾。若再縮小調(diào)跨梁跨度差，增加調(diào)跨梁類型，減小梁伸長縮短時的跨中下緣壓應(yīng)力儲備差值，可以解決此矛盾，但這將使通用圖設(shè)計接近個別工點設(shè)計，失去了通用圖設(shè)計的意義。有沒有更好的辦法來解決這對矛盾，是本次通用圖設(shè)計研究的重點。

表1 計算跨度29.5～31.5 m(二期恒載100～120 kN/m)調(diào)跨梁主要計算結(jié)果

2.2 徐變變形控制理論分析

要控制殘余徐變，需從研究徐變機(jī)理出發(fā)。徐變是在長期荷載作用下混凝土體內(nèi)水泥凝膠體中游離水從毛細(xì)管中擠出并蒸發(fā)，產(chǎn)生水泥膠體縮小的現(xiàn)象。徐變是隨持續(xù)時間的增長而增加的，但其增加的速度又是隨時間遞減的。應(yīng)力越大，徐變應(yīng)變越大。混凝土徐變可持續(xù)非常長的時間，一般在5～20年后其增長逐漸達(dá)到一個極限值，但大部分徐變在1～2年內(nèi)完成?；炷列熳兪且豁棌?fù)雜的物理力學(xué)過程，多年來，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量試驗，提出許多理論，實際選用何種形式則因不同國家或地區(qū)而異，這些理論都是建立在試驗資料基礎(chǔ)之上的經(jīng)驗公式。常用的徐變計算理論主要有:有效模量法、老化理論、彈性徐變理論、彈性老化理論、繼效、流動理論及按齡期調(diào)整的有效模量法等。我國鐵路規(guī)范采用徐變計算方法為CEB-FIP模式，是歐洲混凝土協(xié)會(CEB)和國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(FIP)1978年的建議公式。本通用圖設(shè)計根據(jù)京津城際高速鐵路設(shè)計經(jīng)驗，依然采用現(xiàn)行鐵路規(guī)范收縮徐變計算公式?；炷磷鳛橐环N復(fù)合多相的人工建筑材料，影響收縮徐變性能的因素眾多，幾乎在混凝土產(chǎn)品設(shè)計制造整個過程中所涉及的各種因素都會對其產(chǎn)生影響?；诨炷潦湛s徐變的物理機(jī)理，混凝土的收縮、徐變中的大部分是由一些共同的基本因素決定，如水泥水化漿的物理結(jié)構(gòu)、混凝土失水等。綜合國內(nèi)外徐變研究報告，混凝土徐變主要影響因素有:水泥品種、骨料、水灰比、養(yǎng)護(hù)條件、工作環(huán)境溫度與濕度、摻和料、構(gòu)件尺寸、加載齡期、多軸應(yīng)力。這里特別指明，加載齡期對混凝土徐變有非常顯著的影響。加載齡期愈短，水泥的水化愈不充分，混凝土的強度愈低，混凝土的徐變也愈大。大部分徐變變形在早期發(fā)生。

混凝土殘余徐變變形為鋪設(shè)二期恒載后的徐變變形，若想降低結(jié)構(gòu)殘余徐變變形，根據(jù)以上分析可采取以下兩種方法:一是通過晚上二期恒載控制殘余徐變值，二是通過早施加產(chǎn)生不利徐變變形的荷載，盡可能降低混凝土加載齡期，加快前期徐變發(fā)生，達(dá)到降低后期殘余徐變的目的。

由于徐變主要在前期發(fā)生，故晚上二期恒載必然可以降低殘余徐變。降低混凝土加載齡期，加快加大早期徐變變形也可達(dá)到降低殘余徐變的目的。降低混凝土加載齡期，必然使總徐變位移增大，但當(dāng)二期恒載加載時間不變時，殘余徐變必然降低。原因是殘余徐變=總徐變-前期徐變。加載齡期減小總徐變增加，但前期徐變也增大，而前期徐變增幅比總徐變增幅要大。故可以通過提高前期徐變來降低后期殘余徐變。由此可見，總徐變位移大與殘余徐變小是不矛盾的。表2為鋼束張拉控制應(yīng)力為1 265 MPa時，加載齡期不同時，29.5～31.5 m范圍內(nèi)調(diào)跨梁殘余徐變計算結(jié)果。

表2 計算跨度29.5～31.5 m(二期恒載100～120 kN/m)調(diào)跨梁殘余徐變計算結(jié)果

由表2可以看出，采取有效措施縮短加載齡期，可以降低殘余徐變變形。

2.3 技術(shù)措施

如果在混凝土強度還未達(dá)到設(shè)計值，便施加一定的預(yù)應(yīng)力，既可提前轉(zhuǎn)移現(xiàn)澆梁的支架，提高施工臨時設(shè)施的利用率，同時也實現(xiàn)了縮短混凝土加載齡期，加快前期徐變位移的目的。

預(yù)應(yīng)力鋼束初張拉是在梁體混凝土達(dá)到設(shè)計強度前施加預(yù)應(yīng)力的方法，所有鋼束均進(jìn)行初張拉，以便實現(xiàn)使梁下緣混凝土壓應(yīng)力儲備較大時，各根鋼束初張拉的張拉控制應(yīng)力盡可能小，同時使梁截面應(yīng)力擴(kuò)散均勻，并降低混凝土強度達(dá)到設(shè)計值前的錨下局部應(yīng)力，滿足局部承壓要求。但鋼束初張拉時也有不利之處，主要有以下兩點:一是施工操作麻煩，每根鋼束均需張拉2次。二是鋼束被夾片夾持后會有一定的損傷，再次張拉錨固時若鋼束伸長量增幅較小，可能影響終張拉錨固質(zhì)量。且初張拉過的鋼束，由于錨固損傷，再次張拉時容易斷絲。為避免鋼束因初次張拉錨固造成損傷，采取了讓簡支梁所有鋼束均進(jìn)行低應(yīng)力初張的措施。這樣可使每根鋼束初張拉時的張拉控制應(yīng)力降低至651 MPa，終張拉前跨中截面下緣混凝土壓應(yīng)力儲備達(dá)到3.3 MPa。降低鋼束初張拉時的張拉控制應(yīng)力可使鋼束初次錨固幾乎沒有損傷，加大初張拉和終張拉之間的應(yīng)力差，從而增大鋼束兩側(cè)張拉時的伸長量差值，可避免初張拉錨固對終張拉錨固產(chǎn)生不利影響。

混凝土強度和彈模達(dá)到設(shè)計值后，馬上進(jìn)行終張拉，既可縮短施工周期，同時也降低了混凝土加載齡期，實現(xiàn)了加大前期徐變變形，降低殘余徐變變形的目的。盡早終張拉還可為晚上二期恒載，延長存梁時間，創(chuàng)造條件。

初張拉和終張拉時的張拉順序均采用底板束與腹板束交替張拉，靠近腹部的鋼束優(yōu)先張拉原則。以便傳力最直接的鋼束先發(fā)揮作用，使梁體受力均勻，防止產(chǎn)生施工裂縫。

降低混凝土加載齡期雖然加大了調(diào)跨梁的總徐變值，但總徐變位移是可以通過預(yù)設(shè)拱度和施工軌道板前進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整的。對于無砟軌道，我們關(guān)心的是殘余徐變位移值，所以采取盡早初張拉、終張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，晚上二期恒載的方法來控制殘余徐變變形值是可行的。

3 結(jié)論

經(jīng)以上分析研究，得出以下主要結(jié)論:

(1)跨度較大的調(diào)跨梁，在保證跨度最大時跨中下緣壓應(yīng)力儲備滿足設(shè)計要求的前提下，通過初張拉早脫架的施工方法，可以達(dá)到降低不利的殘余徐變變形的目的，使跨度縮小時殘余徐變變形仍能滿足設(shè)計要求;

(2)對于無砟軌道調(diào)跨梁來說，總徐變位移值增大并不可怕，可以通過預(yù)設(shè)拱度的方法消除，殘余徐變才是我們關(guān)心的問題。盡早初張拉及終張拉，雖然加大了結(jié)構(gòu)的總徐變變形，但可以降低結(jié)構(gòu)的殘余徐變變形，并能提高施工臨時設(shè)施的利用率，加快施工進(jìn)度，縮短施工周期。

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