郭安娜

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；2.中國鐵建股份有限公司橋梁工程實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

收縮徐變會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失，影響結(jié)構(gòu)受力和變形[1-2]。大跨度鐵路混凝土斜拉橋作為一種超靜定結(jié)構(gòu)[3]，在運(yùn)營階段，橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)和線形會(huì)隨著混凝土收縮徐變的發(fā)生不斷變化[4]，從而影響列車高速行車性能[5]。郭遠(yuǎn)航[6]系統(tǒng)總結(jié)了收縮徐變效應(yīng)對大跨度高速鐵路混凝土斜拉橋斜拉索索力.橋塔截面彎矩.變形等影響；葉梅新[7].曹建安等[8]提出對于鋪設(shè)無砟軌道的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋，一般采用延長鋪軌時(shí)間的方法來減小后期變形；鄒紅等[9]建議通過適當(dāng)降低預(yù)應(yīng)力偏心距以減小截面上下緣應(yīng)力差，從而提高考慮徐變效應(yīng)的上拱變形可靠度；陳克堅(jiān)等[10]提出工法和鋪軌時(shí)間對后期混凝土收縮徐變影響較大，可作為大跨度拱橋徐變變形控制技術(shù)的關(guān)鍵因素。

以杭溫鐵路楠溪江特大橋主橋?yàn)槔瑢\(yùn)營階段收縮徐變影響下不同時(shí)期橋梁的內(nèi)力狀態(tài)和線形進(jìn)行研究[11]，找出其中變化趨勢并提出合理的控制措施，為同類型橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

新建杭州—溫州鐵路(義烏—溫州段)工程楠溪江特大橋主橋?yàn)?40.5+79.5+240+79.5+40.5)m混凝土斜拉橋，雙塔雙索面平行布置，半漂浮體系，橋面鋪設(shè)有砟軌道，主橋總體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位：m)

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室截面，頂寬14.4 m，底寬12 m，中心處梁高4.0 m，頂板橫橋向設(shè)2%的“人”字橫坡。主梁橫截面分標(biāo)準(zhǔn)橫截面和加厚橫截面2種，標(biāo)準(zhǔn)橫截面頂板厚35 cm，底板厚35 cm，腹板厚110 cm；加厚橫截面頂板厚50 cm，底板厚50 cm，腹板厚110 cm?；炷料淞好?.5 m設(shè)置1道厚30 cm斜拉索橫隔梁，與斜拉索對應(yīng)設(shè)置。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁截面構(gòu)造(單位：cm)

橋塔采用H形橋塔，塔承臺(tái)以上平均高度85.5 m，上塔柱為兩分離式豎直塔柱，中塔柱和下塔柱為兩分離式傾斜塔柱，傾斜度為1∶7.125，為滿足景觀和受力要求，塔柱在主梁下方設(shè)分離式下橫梁[12]，如圖3所示。

圖3 橋塔構(gòu)造(單位：m)

斜拉索采用φ7 mm熱擠聚乙烯低松弛鋅鋁合金鍍層平行鋼絲拉索，平行雙索面體系，扇形布置，全橋共60對斜拉索，橫向索距10.9 m，縱向間距為7.5 m，豎向間距2.0 m和2.2 m，索梁錨固構(gòu)造如圖4所示。

圖4 索梁錨固開槽(單位：cm)

2 計(jì)算模型

主橋收縮徐變分析采用有限元方法計(jì)算[13]，通過Midas Civil空間有限元軟件建立梁單元模擬主塔和主梁，索單元模擬斜拉索，采用剛度矩陣模擬主塔樁基礎(chǔ)剛度。計(jì)算模型見圖5，模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)662個(gè)，計(jì)算單元537個(gè)。計(jì)算中收縮徐變函數(shù)按TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定辦理[14]，采用CEB-FIP(1978)模型，加載齡期3 d。

圖5 Midas有限元模型

按大橋?qū)嶋H施工順序模擬，成橋后分運(yùn)營1年.3年.5年.10年.30年5個(gè)階段分析橋梁結(jié)構(gòu)的收縮.徐變效應(yīng)[15-16]。其中，成橋狀態(tài)[17]按照“塔偏梁拱”控制[18]，運(yùn)營驗(yàn)收時(shí)主梁跨中上拱351.6 mm，橋塔向邊跨偏移62.0 mm。

3 收縮徐變對結(jié)構(gòu)的影響

混凝土收縮徐變會(huì)引起斜拉橋橋塔和主梁變形，帶來這種高次超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化[19]。

3.1 對主梁線形和內(nèi)力影響

成橋運(yùn)營30年，收縮徐變引起主梁豎向變形曲線如圖6所示。從圖6可知，混凝土收縮徐變引起主梁向下“松弛”，1年.3年.5年完成變形值分別占前10年徐變變形值的4%.41%.66%。

圖6 主梁豎向收縮徐變變形

在收縮徐變影響下，主梁縱向向跨中收縮，收縮變形值如圖7所示，1年.3年.5年完成變形值分別占前10年徐變變形值的33%.61%.78%。

圖7 主梁縱向收縮徐變變形

主梁上.下緣的應(yīng)力變化值如圖8.圖9所示，圖中應(yīng)力正值表示增加，負(fù)值表示減小，可以看出，隨著運(yùn)營時(shí)間增長上緣壓應(yīng)力在輔助墩和橋塔位置減小.在主跨跨中位置增加；下緣壓應(yīng)力在輔助墩和橋塔位置增大.在主跨跨中位置減小。運(yùn)營30年橋塔處上緣壓應(yīng)力減少4.24 MPa，占成橋狀態(tài)儲(chǔ)備應(yīng)力的35.9%，主跨跨中位置下緣壓應(yīng)力減小3.86 MPa，占了成橋下緣儲(chǔ)備壓應(yīng)力的35.4%。可以看出，主梁的應(yīng)力狀態(tài)在收縮徐變效應(yīng)的作用下變化顯著，考慮在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中預(yù)留收縮徐變對主梁壓應(yīng)力的影響。

圖8 主梁上緣應(yīng)力變化值

圖9 主梁下緣應(yīng)力變化值

3.2 對橋塔線形和內(nèi)力影響

由圖10可知，混凝土收縮徐變引起橋塔向中跨“傾倒”，1年.3年.5年完成變形值分別占前10年徐變變形的23%.54%.74%。運(yùn)營30年后，在收縮徐變效應(yīng)的影響下，塔身基本呈現(xiàn)豎直狀態(tài)，抵消了成橋時(shí)橋塔向邊跨的預(yù)偏量。

圖10 橋塔縱向收縮徐變變形

由橋塔塔底軸力和順橋向彎矩值(表1)可以看出，收縮徐變對橋塔軸力影響很小，對索塔彎矩影響明顯，表現(xiàn)為，由成橋狀態(tài)的負(fù)彎矩(主跨側(cè)受拉為負(fù))逐漸減小，到運(yùn)營30年，橋塔塔底彎矩反向，說明橋塔塔底截面邊跨側(cè)由受壓變?yōu)槭芾?。橋塔彎矩變化趨勢與索塔縱向位移一致。成橋狀態(tài)下通過索力優(yōu)化使得橋塔向邊跨“傾倒”，以抵消收縮徐變對橋塔的不利影響。

表1 橋塔塔底內(nèi)力值

3.3 對斜拉索線形和內(nèi)力影響

斜拉索的變形狀態(tài)和主梁.橋塔保持一致，在此不做贅述。

由于混凝土收縮徐變影響，斜拉索索力變化如圖11所示，隨著運(yùn)營時(shí)間的增加，索力整體呈現(xiàn)減小趨勢，邊跨斜拉索較中跨斜拉索索力減小值更大，邊跨越靠近橋塔，這種減小趨勢越明顯，運(yùn)營30年最大變化率達(dá)到了-8.0%。

圖11 斜拉索索力變化率曲線

4 收縮徐變控制措施

通過以上分析得出，混凝土收縮徐變對大跨度鐵路混凝土斜拉橋的主梁.橋塔.斜拉索線形及受力有不同程度的影響，表現(xiàn)為主梁下?lián)?橋塔向跨中傾斜.斜拉索索力減小等。

研究通過改變主梁中跨底板索和斜拉索索力兩種方式控制主梁后期徐變，工況1～工況4調(diào)整主梁中跨底板索面積，斜拉索索力不變；工況5.工況6在工況2基礎(chǔ)上增大斜拉索索力。對比主梁底板索和斜拉索索力對成橋線形.主梁上下緣應(yīng)力和運(yùn)營3年后期徐變值的影響，結(jié)果見表2.表3。

表2 主梁底板索對工后徐變影響

表3 斜拉索索力對工后徐變影響

從表2.表3可以看出，通過增大斜拉索索力，使主梁在成橋狀態(tài)產(chǎn)生上拱的位移，通過調(diào)整主梁線形和主梁跨中截面上下緣的應(yīng)力狀態(tài)，可以降低后期收縮徐變變形；增加底板預(yù)應(yīng)力鋼束也可以降低收縮徐變效應(yīng)帶來的不利影響，但不如調(diào)整斜拉索索力有效。

通過斜拉索和混凝土主梁預(yù)應(yīng)力索調(diào)整，本橋3年運(yùn)營期，主跨跨中因混凝土收縮徐變產(chǎn)生的下?lián)现禐?6.9 mm，如圖12所示。

圖12 3年運(yùn)營主梁混凝土下?lián)现?單位：mm)

5 結(jié)論

對新建杭溫鐵路跨楠溪江斜拉橋進(jìn)行運(yùn)營階段收縮徐變分析研究，得出以下結(jié)論。

(1)收縮徐變效應(yīng)引起斜拉橋主梁向跨中“松弛”.橋塔向中跨“傾倒”，變化呈現(xiàn)運(yùn)營前期發(fā)展快.后期慢的趨勢。

(2)收縮徐變導(dǎo)致斜拉索產(chǎn)生卸載，對邊跨斜拉索的影響更為明顯，引起橋塔塔柱底部彎矩大小和方向發(fā)生改變。

(3)收縮徐變引起橋塔處主梁上緣及跨中處主梁下緣的壓應(yīng)力減小，30年運(yùn)營期減小值占成橋狀態(tài)下主梁壓應(yīng)力儲(chǔ)備數(shù)值的35.5%。

(4)楠溪江特大橋設(shè)計(jì)中通過調(diào)整成橋狀態(tài)斜拉索索力和增加主梁底板預(yù)應(yīng)力鋼束面積，調(diào)整主梁線形和主梁跨中截面上.下緣的應(yīng)力狀態(tài)，有效降低了后期收縮徐變變形，且增大斜拉索索力對控制變形效果更加明顯。