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        無(wú)砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋工后徐變變形研究

        2015-01-08 10:58:56葉志榮
        城市道橋與防洪 2015年6期
        關(guān)鍵詞:鋪軌工后徐變

        葉志榮

        (同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

        1 概況

        目前,我國(guó)大部分高速鐵路均采用無(wú)砟軌道。無(wú)砟軌道能適應(yīng)高速列車(chē)高平順性和高穩(wěn)定性的要求,但可調(diào)性很小。對(duì)鋪設(shè)無(wú)砟軌道的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,深入了解主梁混凝土在鋪軌后的徐變變形(即工后徐變變形)具有十分重要的工程意義。目前,各種設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)徐變系數(shù)計(jì)算公式的規(guī)定差別很大,由此計(jì)算得出的徐變變形值也各不相同。此外,施工過(guò)程中某些步驟的調(diào)整,如鋪軌、拆除中墩墩梁臨時(shí)固結(jié)的時(shí)間不同,也會(huì)對(duì)主梁的工后徐變變形產(chǎn)生影響。本文以寧杭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)某處特大橋(下稱(chēng)D橋)為背景,選取不同規(guī)范的徐變系數(shù)計(jì)算其工后徐變變形,比較計(jì)算結(jié)果的差異,并研究上述施工步驟的調(diào)整對(duì)工后徐變變形的影響。

        D橋?yàn)?0 m+125 m+70 m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,全長(zhǎng)266.5 m,為單箱單室結(jié)構(gòu),箱梁頂寬12.0 m,底寬7.0 m,中墩梁高9.2 m,端部及跨中梁高5.2 m。主梁采用C55混凝土,橫縱向預(yù)應(yīng)力筋采用1 860低松弛高強(qiáng)鋼絞線(xiàn)。主梁采用掛籃懸臂施工,共分12個(gè)懸臂現(xiàn)澆施工節(jié)段。邊跨采用滿(mǎn)堂支架施工,吊籃合龍。設(shè)計(jì)荷載為ZK活載,二期恒載取值為118 kN/m。運(yùn)用Midas建立梁?jiǎn)卧邢拊P停瑫r(shí)模擬全橋施工過(guò)程。全橋有限元模型見(jiàn)圖1。

        圖1 A橋有限元模型

        2 按不同規(guī)范的徐變系數(shù)計(jì)算工后徐變變形

        2.1 徐變及徐變系數(shù)定義

        徐變是指在持續(xù)荷載作用下,混凝土結(jié)構(gòu)的變形隨時(shí)間不斷增加的現(xiàn)象。影響混凝土徐變的因素有很多,如應(yīng)力的性質(zhì)和大小、加載時(shí)混凝土的齡期、荷載的持續(xù)時(shí)間、混凝土的組成材料及配合比、周?chē)h(huán)境的溫度濕度、構(gòu)件的截面形式等。通常采用徐變系數(shù)φ來(lái)描述混凝土的徐變:

        式中:εc——混凝土的徐變應(yīng)變;

        εe——混凝土的徐變應(yīng)變開(kāi)始時(shí)的瞬時(shí)彈性應(yīng)變。

        2.2 常用規(guī)范徐變系數(shù)計(jì)算方法

        目前,由于各種規(guī)范的混凝土徐變系數(shù)計(jì)算公式不同,因此選用不同規(guī)范計(jì)算得出的徐變變形值差異也較大。D橋有限元模型在計(jì)算過(guò)程中分別采用了四種較常使用的規(guī)范,分別為:CEB-FIP(1978)規(guī)范、CEB-FIP(1990)規(guī)范、鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10002.3—2005)(下稱(chēng)TB05規(guī)范)和公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD62—2004)(下稱(chēng)JTG2004規(guī)范)。

        其中,CEB-FIP(1978)規(guī)范采用的徐變系數(shù)為:

        式中:φ(t,τ)——加載齡期 τ,計(jì)算齡期為t時(shí)的混凝土的徐變系數(shù),下同;

        βa——加載后最初幾天產(chǎn)生的不可恢復(fù)的變形系數(shù);

        φd(t,τ)——可恢復(fù)的彈性變形系數(shù),或徐彈系數(shù);

        φf(shuō)(t,τ)——不可恢復(fù)的流變系數(shù),或徐塑系數(shù)。

        CEB-FIP(1990)規(guī)范考慮了混凝土的抗壓強(qiáng)度、構(gòu)件尺寸、周?chē)h(huán)境的平均相對(duì)濕度、加載齡期等各種因素的影響,采用各種系數(shù)相乘而得到的徐變系數(shù):

        式中:φ0——名義徐變系數(shù);

        ΦRH——環(huán)境相對(duì)濕度修正系數(shù);

        Bfcm——混凝土強(qiáng)度修正系數(shù);

        β(τ)——加載齡期修正系數(shù);

        βc(t,τ)——徐變進(jìn)程修正系數(shù)。

        TB05規(guī)范采用的計(jì)算公式為:

        式中:βd(t,τ)——隨時(shí)間增長(zhǎng)的滯后彈性應(yīng)變;

        R(τ)/R∞——混凝土齡期為 τ的強(qiáng)度R(τ)與最終強(qiáng)度R∞之比;

        φf(shuō)——流塑系數(shù);

        βf(t)、βf(τ)——隨混凝土齡期增長(zhǎng)的滯后塑性應(yīng)變,與理論厚度有關(guān)。

        JTG2004規(guī)范給出的公式只適用于強(qiáng)度等級(jí)為C20—C50的混凝土。采用高強(qiáng)混凝土?xí)r應(yīng)乘以修正系數(shù)(其中,32.4為C50混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,fck為C50以上混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值),計(jì)算公式為:

        式中:φ0——名義徐變系數(shù);

        βc(t-t0)——加載后徐變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)。

        2.3 徐變變形分析與比較

        分別選用 CEB-FIP(1978)、CEB-FIP(1990),TB05和J TG2 0 0 4規(guī)范的徐變系數(shù)計(jì)算D橋有限元模型的徐變變形。提取中跨跨中處100 a內(nèi)徐變變形的發(fā)展數(shù)據(jù),繪出四種規(guī)范對(duì)應(yīng)的總體徐變變形曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2);將圖2曲線(xiàn)中各時(shí)間點(diǎn)處的徐變變形值減去鋪軌前的初始徐變變形值,得到中跨跨中處的工后徐變變形值,并繪出曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)。圖中,縱坐標(biāo)正值表示變形上拱,負(fù)值表示變形下?lián)稀?/p>

        圖2 中跨跨中合計(jì)徐變變形曲線(xiàn)

        圖3 中跨跨中工后徐變變形曲線(xiàn)

        由圖2可以看出,按TB05規(guī)范計(jì)算的總體徐變變形最大,變形值在軌道鋪設(shè)后為15.5 mm,100 a后可達(dá)33.1 mm。發(fā)展速度上,TB05規(guī)范的曲線(xiàn)在最初的6 a里增速最快,第6年總體徐變變形為24.2 mm,相比鋪軌初期增長(zhǎng)了8.7 mm。TB05規(guī)范的計(jì)算結(jié)果表明,在最初的6 a里工后徐變變形就已達(dá)到100 a工后徐變變形的5 0%。6 a后曲線(xiàn)雖仍呈上升趨勢(shì),但增速明顯減小,直至與時(shí)間軸趨于平行。

        JTG2004規(guī)范對(duì)應(yīng)的變形曲線(xiàn)與TB0 5規(guī)范的曲線(xiàn)形狀相似,但數(shù)值偏小。同樣,若選用JTG2004規(guī)范規(guī)定的徐變系數(shù),最初6 a里,合計(jì)徐變變形從開(kāi)始的11.3 mm迅速發(fā)展至16.8 mm,工后徐變值約占100年工后徐變總值的65%。

        與我國(guó)規(guī)范不同的是,CEB-FIP(1978)和CEB-FIP(1990)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果無(wú)論是合計(jì)變形還是工后變形都是隨時(shí)間發(fā)展而下降的,工后徐變表現(xiàn)為隨時(shí)間下?lián)稀⒄瘴覈?guó)已建成的同類(lèi)型橋梁的10 a徐變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨中工后徐變變形基本都是隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸上拱的。由此可見(jiàn),采用CEB-FIP規(guī)范的徐變系數(shù)時(shí)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大不同,而采用我國(guó)兩種規(guī)范定義的徐變系數(shù)時(shí)計(jì)算結(jié)果切合實(shí)際。根據(jù)規(guī)范要求,對(duì)于跨度大于50 m的高速鐵路梁橋,工后徐變上拱值不得超過(guò)l/5 000且不大于20 mm,由TB05和JTG2004規(guī)范計(jì)算得出的工后徐變變形值均滿(mǎn)足要求。

        3 鋪設(shè)軌道的時(shí)間對(duì)工后徐變變形的影響

        施工中降低主梁混凝土工后徐變主要有三種控制方法:延遲鋪軌、張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束、張拉體外預(yù)應(yīng)力束。后兩種方法工序繁瑣,不常采用,因此確定軌道鋪設(shè)的時(shí)間對(duì)混凝土主梁的工后徐變顯得尤為重要。

        以D橋有限元模型為基礎(chǔ),考慮9種假定的延遲鋪軌的工況,將鋪軌時(shí)間依次設(shè)為全橋合龍完成后的 0 d、60 d、120 d、180 d、1 a、2 a、3 a、5 a、10 a。分別采用TB05規(guī)范和JTG2004規(guī)范的徐變系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,繪出跨中點(diǎn)在中跨預(yù)應(yīng)力張拉完成3 a后的工后徐變變形曲線(xiàn),見(jiàn)圖4。

        圖4 連續(xù)梁跨中工后徐變變形與延遲鋪軌時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

        可以看到,根據(jù)兩種規(guī)范計(jì)算結(jié)果繪出的曲線(xiàn)變化規(guī)律基本類(lèi)似,即隨著鋪軌時(shí)間的延遲,跨中點(diǎn)處的工后徐變變形逐漸從上拱轉(zhuǎn)為下?lián)?。取TB05規(guī)范的計(jì)算數(shù)據(jù)分析,若在中跨合龍完成后立即鋪軌(0 d),對(duì)應(yīng)的工后徐變變形為13.6 mm;在兩個(gè)月后鋪軌(60 d),工后徐變變形值為9.3 mm,相比0 d時(shí)上拱度減少了31.6%;在半年后鋪軌(180 d),跨中工后徐變變形值為5.4 mm,相比0 d上拱度減少達(dá)60.2%之多。??梢?jiàn),延遲鋪軌能極為有效地解決連續(xù)梁工后徐變變形上拱度過(guò)大的問(wèn)題??紤]施工工期等各方面要求,一般選在中跨合龍60 d后進(jìn)行鋪軌。

        4 拆除中墩臨時(shí)固結(jié)時(shí)間對(duì)變形曲線(xiàn)的影響

        一般情況下,懸臂施工中應(yīng)在0#塊設(shè)置墩梁臨時(shí)固結(jié),以使0#塊梁段能夠承受兩側(cè)懸臂施工產(chǎn)生的不平衡彎矩。在對(duì)懸臂現(xiàn)澆結(jié)束之后,何時(shí)拆除臨時(shí)固結(jié)是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。

        我國(guó)目前的懸臂施工方法中,拆除中墩墩梁臨時(shí)固結(jié)的時(shí)間選擇主要有兩種,一是在邊跨合龍完成后拆除墩梁臨時(shí)固結(jié),二是在中跨合龍完成后拆除墩梁臨時(shí)固結(jié)。對(duì)這兩種做法優(yōu)劣的判斷主要從主梁變形和應(yīng)力包絡(luò)圖等方面來(lái)予以考慮。

        以TB05規(guī)范為計(jì)算依據(jù),利用Mi d a s模擬兩類(lèi)拆除墩梁臨時(shí)固結(jié)的工況進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)觀(guān)察施工階段的應(yīng)力包絡(luò)圖,發(fā)現(xiàn)兩種工況下的梁體應(yīng)力性質(zhì)大致相同,主梁截面在施工階段的整個(gè)過(guò)程中均可保證全截面受壓,在容許應(yīng)力法下主梁壓應(yīng)力小于容許應(yīng)力,滿(mǎn)足相關(guān)要求。

        在邊跨合龍完成后拆除中墩墩梁臨時(shí)固結(jié)工況下,軌道鋪設(shè)完成后和軌道鋪設(shè)完成3 a后這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的梁體合計(jì)變形分別為-15.8 mm和-12.3 mm,工后徐變變形為3.5 mm;在中跨合龍完成后拆除中墩墩梁臨時(shí)固結(jié)工況下,對(duì)應(yīng)于同樣兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的的主梁合計(jì)變形分別為-8.8 mm和-5.4 mm,工后徐變變形為3.4 mm。

        由此可見(jiàn),無(wú)論是在邊跨合龍完成后拆除中墩墩梁臨時(shí)固結(jié),還是在中跨合龍完成后拆除臨時(shí)固結(jié),連續(xù)梁主梁的工后徐變變形差別不大。但中跨合龍后拆除中墩臨時(shí)固結(jié)相比邊跨拆除需設(shè)置的預(yù)拱度較小,且可以不設(shè)臨時(shí)縱向支座,更便于施工。

        5 結(jié)論

        (1)按照不同的規(guī)范計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的工后徐變變形有較大的差異。我國(guó)目前常用的兩種規(guī)范中,TB05規(guī)范的計(jì)算結(jié)果大于JTG2004規(guī)范的計(jì)算結(jié)果。

        (2)連續(xù)梁工后徐變變形在軌道鋪設(shè)后初期發(fā)展最快,軌道鋪設(shè)完成后1~6 a內(nèi)的工后徐變可達(dá)到100 a工后徐變變形的40%~60%。

        (3)工后徐變變形在各規(guī)范下計(jì)算結(jié)果的差異主要由各規(guī)范的徐變系數(shù)計(jì)算公式不同引起。

        (4)延遲軌道鋪設(shè)的時(shí)間能有效降低連續(xù)梁工后徐變變形的上拱度。

        (5)懸臂施工過(guò)程中,邊跨合龍后拆除中墩臨時(shí)固結(jié)和中跨合龍后拆除臨時(shí)固結(jié)對(duì)主梁截面的應(yīng)力狀態(tài)和工后徐變影響不大。

        [1]項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京:人民交通出版社,2001.

        [2]何義斌.大跨度無(wú)砟軌道連續(xù)梁橋后期徐變變形研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2008,30(4):120-124.

        [3]陳守輝.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋收縮徐變效應(yīng)分析[J].鐵道建筑技術(shù),2009(8):15-17.

        [4]葉梅新,錢(qián)淼,劉杰.無(wú)碴軌道預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁徐變變形控制方法研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(2):92-94.

        [5]崔幼飛.大跨度無(wú)碴軌道混凝土連續(xù)梁橋的施工計(jì)算及徐變變形研究[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2008(3):62-65.

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