周東衛(wèi)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

無砟軌道能適應(yīng)高速鐵路高平順性和高穩(wěn)定性的要求，但可調(diào)性很小，其結(jié)構(gòu)的永久變形只能通過扣件進(jìn)行調(diào)整以恢復(fù)其設(shè)計(jì)幾何形狀[1-3]。對于混凝土橋梁而言，如果后期徐變變形超出無砟軌道扣件調(diào)節(jié)范圍，將對橋上線路的平順性造成嚴(yán)重危害，甚至可導(dǎo)致軌道扣件破壞失效，對行車安全造成巨大隱患。因此，必須了解并控制鋪軌后混凝土收縮徐變引起的橋梁線形和軌道結(jié)構(gòu)的改變，將其限制在無砟軌道扣件可調(diào)量程范圍內(nèi)?；谏鲜龉こ瘫尘?，在分析研究橋梁后期徐變變形對無砟軌道平順性影響的基礎(chǔ)上，提出如下徐變變形工程控制措施：首先通過模擬實(shí)際的施工方法與施工過程對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以計(jì)算出混凝土橋梁各截面點(diǎn)總的變形量以及每一個(gè)時(shí)期的變形量，然后采用實(shí)物變形測量得到的徐變實(shí)測數(shù)據(jù)修正理論變形量的偏差，最后根據(jù)軌道工程各施工階段的具體情況，在計(jì)算底座板、加密基標(biāo)和道床板斷面點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)將剩余徐變效應(yīng)引起的垂直位移量提前預(yù)留，從而大大減少橋梁后期徐變變形對無砟軌道鋪設(shè)后平順性的影響。本文的研究成果可為我國客運(yùn)專線無砟軌道混凝土橋梁的工程實(shí)踐提供參考和技術(shù)儲(chǔ)備。

1 無砟軌道混凝土橋梁徐變效應(yīng)的計(jì)算方法

1.1 徐變效應(yīng)的計(jì)算方法

為了盡可能減少混凝土徐變變形對軌道鋪設(shè)后的影響，施工單位進(jìn)行各工序施工作業(yè)的不同階段，均需由設(shè)計(jì)單位提供其在綜合考慮梁型、梁長、橋梁的施工方法、混凝土的齡期、施加二期荷載的時(shí)間、預(yù)應(yīng)力的張拉時(shí)間等因素的情況下，計(jì)算出由徐變引起的總變形量以及每一時(shí)期的變形量的理論值。徐變計(jì)算根據(jù)加載齡期與徐變系數(shù)關(guān)系的不同假定，主要有如下幾種計(jì)算模型[4]：有效模量法、徐變率法、疊加法、流動(dòng)率法、繼效流動(dòng)理論及按齡期調(diào)整的有效模量法等。這些方法都假定徐變與應(yīng)力關(guān)系是線性的，并服從疊加原理。

無砟軌道混凝土橋梁的徐變效應(yīng)計(jì)算過程如下：①將橋梁理想化為在節(jié)點(diǎn)處互相連接的平面梁單元的組合，每個(gè)單元的齡期、收縮徐變特性、材料特性及截面特性需根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和施工方案具體確定，假設(shè)每個(gè)單元溫度分布相同。②將結(jié)構(gòu)經(jīng)受收縮徐變的過程劃分為與施工過程相適應(yīng)的時(shí)段(如建造新單元、張拉預(yù)應(yīng)力筋、體系轉(zhuǎn)換、施加施工荷載等)。③在每一時(shí)段，都對當(dāng)時(shí)已形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次全面的分析，求出該時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的全部節(jié)點(diǎn)位移增量和節(jié)點(diǎn)力增量(即結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的增量)，上述增量與本時(shí)段開始時(shí)的節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)力相加，即可得出本時(shí)段結(jié)束時(shí)的節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力的狀態(tài)。按照這一方法，即可得出任意施工階段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對混凝土橋梁從開始施工到成橋以及收縮徐變完成這一整個(gè)過程中任意時(shí)刻的內(nèi)力和變形狀態(tài)的跟蹤分析。④計(jì)算出各施工放樣斷面點(diǎn)在相應(yīng)梁跨的局部坐標(biāo)系中的位置，然后根據(jù)計(jì)算出的理論徐變變形分布數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插，即可計(jì)算出各施工放樣斷面點(diǎn)的理論徐變變形值。⑤計(jì)算出徐變效應(yīng)在各施工放樣斷面點(diǎn)處引起的變形量后，對應(yīng)施工斷面點(diǎn)的放樣高程采用該變形量進(jìn)行改正，即完成了考慮徐變效應(yīng)的施工斷面計(jì)算，從而在施工過程中對后期徐變變形的影響提前進(jìn)行了預(yù)留。圖1為國內(nèi)某客運(yùn)專線32.6 m預(yù)制梁終張拉后各節(jié)點(diǎn)徐變理論變形值。

圖1 某客運(yùn)專線32.6 m預(yù)制梁徐變理論變形值

1.2 徐變修正系數(shù)的計(jì)算方法

由于徐變變形的復(fù)雜性和計(jì)算理論的局限性，通過理論計(jì)算的徐變變形值與實(shí)際觀測存在一定的偏差，實(shí)際作業(yè)中往往需要借助實(shí)物變形測量的方法來修正計(jì)算中所得到的數(shù)值，提高理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際變形的接近程度。

在無砟軌道不同施工階段的斷面數(shù)據(jù)計(jì)算中，橋梁底座板斷面數(shù)據(jù)、軌道基準(zhǔn)點(diǎn)、加密基標(biāo)數(shù)據(jù)以及軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)和道床板斷面數(shù)據(jù)的計(jì)算中，均需考慮剩余徐變效應(yīng)對上述施工數(shù)據(jù)的影響。計(jì)算時(shí)首先需要確定出橋梁各截面點(diǎn)在終張拉后各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的“實(shí)際徐變變形值”，然后在計(jì)算施工數(shù)據(jù)時(shí)考慮“采用比例”。由于徐變理論變形值計(jì)算并非十分準(zhǔn)確，因此在實(shí)際操作中需要對理論計(jì)算值進(jìn)行修正，通過對橋梁終張拉后各截面點(diǎn)進(jìn)行定期徐變觀測求得其在各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的實(shí)測變形值，將實(shí)測變形值除以理論變形值即求得修正系數(shù)，即實(shí)際徐變變形值=理論計(jì)算值×修正系數(shù)，而實(shí)際最終采用值=實(shí)際徐變變形值×采用比例。如修正系數(shù)=實(shí)測值/理論值，即求得該梁在終張拉后60、90 d和180 d的理論變形修正系數(shù)。采用比例依據(jù)理論徐變計(jì)算的準(zhǔn)確程度、實(shí)測數(shù)據(jù)的觀測頻次和精度情況等因素綜合確定。

為了保證求取的修正系數(shù)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，計(jì)算修正系數(shù)需遵守如下原則：①應(yīng)以梁場為單元計(jì)算各種梁型的修正系數(shù)；②一類梁型的觀測數(shù)據(jù)少于5片梁時(shí)，不做分析；③徐變觀測時(shí)間短于180 d時(shí)，不做分析；④觀測數(shù)據(jù)明顯不合理時(shí)，不做分析；⑤梁型定義不清楚的，不做分析。待修正系數(shù)正確求解后，即可將修正系數(shù)用于修正該梁場生產(chǎn)的該種梁型理論計(jì)算值的偏差，從而可根據(jù)不同的施工階段將剩余徐變變形在軌道鋪設(shè)后的變化量提前預(yù)留，以充分滿足軌道扣件可調(diào)整量的要求，保證軌道的平順性和行車安全。圖2為某梁場生產(chǎn)的32.6 m預(yù)制梁終張拉后60 d理論徐變變形值修正前后各截面點(diǎn)的差異圖。

圖2 某梁場32.6 m預(yù)制梁徐變理論變形值修正前后

2 徐變變形計(jì)算分析

為了分析混凝土橋梁后期徐變變形對無砟軌道底座板斷面、軌道基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)以及軌道板精調(diào)放樣的影響，以京滬高速鐵路為例，按本文闡述的徐變效應(yīng)計(jì)算方法，在綜合考慮了梁型、梁長、橋梁施工方法、混凝土齡期、施加二期荷載的時(shí)間、預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間等因素的基礎(chǔ)上，對各種橋梁徐變變形引起的垂直位移變化以及部分梁場混凝土預(yù)制梁的修正系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算與分析。

2.1 理論徐變變形值計(jì)算分析

本文對京滬高速鐵路部分梁型的理論徐變值進(jìn)行了計(jì)算分析。徐變計(jì)算考慮了橋梁終張拉后的時(shí)間、混凝土的齡期，但未包括墩臺(tái)變形、變位及溫度變化產(chǎn)生的撓度。時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為終張拉后0、30、60、90、120、150、180、300、1 000 d(按10 d終張拉、終張拉后90 d二期恒載一期上橋、終張拉后180 d二期恒載二期上橋、終張拉后210 d二期恒載三期上橋考慮，混凝土徐變按1 500 d考慮)，表1統(tǒng)計(jì)了每種梁型從終張拉后60 d到180 d的徐變變化最大值。

表1 京滬高鐵部分橋梁終張拉后60～180 d理論徐變變化值

從表1可以看出，60～180d的理論徐變變化量的最大值達(dá)7.70 mm，且大跨連續(xù)梁的徐變變形值通常要大于預(yù)制梁，說明橋梁結(jié)構(gòu)剩余徐變量對軌道工程會(huì)造成較大的影響，終張拉60 d后無砟軌道不同的施工階段計(jì)算底座板斷面、軌道基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)和軌道板精調(diào)斷面時(shí)，必須顧及橋梁結(jié)構(gòu)剩余徐變量對軌道工程的影響，同時(shí)還需考慮未上橋二期恒荷載引起的彈性變形(對已上橋的二期恒荷載的影響不再考慮)。通過對京滬高速鐵路徐變變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，70%的徐變變形在終張拉后180d之內(nèi)發(fā)生，因此為了簡化計(jì)算，一般在終張拉后180d就可不再考慮剩余徐變變形的影響。

2.2 梁場修正系數(shù)計(jì)算分析

本文以梁場為單位計(jì)算了各梁場生產(chǎn)的32.6 m預(yù)制梁的理論徐變變形值的修正系數(shù)。由于京滬高速鐵路全線的預(yù)制梁計(jì)算修正系數(shù)時(shí)都已超過2個(gè)月，因此，0、30 d的變形采用理論值，不做修正，觀測值對理論值的修正時(shí)間節(jié)點(diǎn)為60、90 d和180 d，即確定該三時(shí)間點(diǎn)的修正系數(shù)。表2統(tǒng)計(jì)了部分梁場的32 m梁的徐變修正系數(shù)。表3為采用表2修正系數(shù)對32.6 m預(yù)制梁終張拉后60～180 d進(jìn)行修正前后的跨中變形值。

表2 京滬高鐵部分梁場32.6 m梁修正系數(shù)(無量綱)

表3 京滬高鐵部分梁場32.6 m預(yù)制梁修正前后徐變變化值統(tǒng)計(jì) mm

從表2、表3可以看出，京滬高速鐵路3個(gè)預(yù)制梁場的32.6 m直線預(yù)制梁終張拉后60～180 d某些時(shí)間節(jié)點(diǎn)的徐變修正系數(shù)僅為0.5，變形量差異最大達(dá)4.6 mm，這是由于影響徐變效應(yīng)的因素較多，理論模擬計(jì)算值具有一定的誤差，因此理論變形值必須經(jīng)過實(shí)測數(shù)據(jù)修正后才能用于對無砟軌道鋪設(shè)后剩余徐變變形量的估計(jì)，確保后期徐變變形估計(jì)的準(zhǔn)確可靠。通過在各施工斷面點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算時(shí)對其提前預(yù)留，從而有效控制后期剩余徐變變形對施工或運(yùn)營期間軌道平順性的影響。

3 結(jié)論

(1)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的后期徐變變形是個(gè)復(fù)雜問題，混凝土的收縮徐變與預(yù)應(yīng)力的損失相互關(guān)聯(lián)，選取與實(shí)際施工過程相符合的計(jì)算參數(shù)，采用正確的計(jì)算方法與計(jì)算模型，對估計(jì)橋梁后期變形至關(guān)重要。

(2)在施工的不同階段，經(jīng)綜合考慮梁型、梁長、施工方法、混凝土的齡期、施加二期荷載的時(shí)間、預(yù)應(yīng)

力張拉時(shí)間等因素，模擬計(jì)算出徐變的總變形量及每一時(shí)期變形量的理論值，然后通過借助實(shí)物變形測量數(shù)據(jù)求取理論計(jì)算與實(shí)際變形值之間的修正系數(shù)來改正計(jì)算中所用參數(shù)的方法，可提高徐變理論計(jì)算值與實(shí)際變形的接近程度，從而有效確保后期徐變變形估計(jì)的準(zhǔn)確可靠。

(3)通過跟蹤模擬橋梁在整個(gè)施工過程中任意時(shí)刻的結(jié)構(gòu)變形，采用在施工不同階段計(jì)算各斷面點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)將剩余徐變效應(yīng)引起的垂直位移量提前預(yù)留的工程控制措施，可有效控制橋梁后期徐變變形對無砟軌道鋪設(shè)后平順性的影響。

(4)影響混凝土徐變的因素較多，在計(jì)算混凝土徐變時(shí)不可能將所有的因素都考慮進(jìn)去，只能考慮幾種對混凝土徐變影響較大的因素進(jìn)行理論計(jì)算，由于高速鐵路對軌道靜、動(dòng)態(tài)變形的要求較為嚴(yán)格，因此對于如何更加準(zhǔn)確地考慮混凝土的徐變效應(yīng)還需做更進(jìn)一步的研究。

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