鄭宏利 郝學(xué)光 喬建崗 王新亮

(中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司,北京 101500)

1 概述

高速鐵路廣泛鋪設(shè)無(wú)砟軌道[1],由于很難對(duì)其進(jìn)行后期變形調(diào)節(jié),故大跨混凝土梁橋的長(zhǎng)期變形不僅影響高速列車旅客的舒適性,同時(shí)對(duì)其安全性也有較大影響[2]。已有許多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究,勾紅葉等認(rèn)為軌道變形與主梁變形成正比,為保證行車平順,必須控制主梁豎向變形[3];徐慶元等通過(guò)建立車橋耦合模型研究主梁徐變對(duì)無(wú)砟軌道橋梁動(dòng)力性能的影響[4];Yang發(fā)現(xiàn)徐變變形會(huì)在梁端引起較為明顯的沖擊,不利于高速行車[5]。

大跨混凝土連續(xù)梁-拱組合體系為上述問(wèn)題提供了一種解決方案[6]。相較于連續(xù)梁橋,該體系具有承載能力大、剛度大等優(yōu)點(diǎn)[7]。目前,這方面也有一些研究,張運(yùn)波等從影響收縮徐變的主要因素出發(fā),探究各因素對(duì)連續(xù)梁長(zhǎng)期變形的影響[8];王琦等以無(wú)砟軌道矮塔斜拉橋?yàn)槔?研究主梁高度、主塔高度及鋪軌時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和平順性的影響[9];陳克堅(jiān)等以鐵路大跨度混凝土拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象,以工法的選取、加載齡期、鋪軌時(shí)間等因素為變量,分析影響混凝土拱橋徐變變形的主要因素[10]。不難看出,研究連續(xù)梁-拱組合結(jié)構(gòu)體系長(zhǎng)期變形的影響因素與規(guī)律,可為無(wú)砟軌道大跨連續(xù)梁橋的合理設(shè)計(jì)與安全運(yùn)維提供科學(xué)依據(jù)。

2 工程背景

以跨越東江的贛州—深圳高速鐵路(76+160+76)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁拱組合橋?yàn)檠芯繉?duì)象,根據(jù)TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行校核。主梁截面為單箱雙室變高度箱形截面,梁底按圓曲線過(guò)渡;拱肋截面為啞鈴形截面,理論計(jì)算跨徑為160m,計(jì)算矢高32m,矢跨比1/5,拱肋弦管及綴板內(nèi)填充微膨脹混凝土;吊桿順橋向間距9m,全橋共設(shè)15組雙吊桿。主橋采用“先梁后拱”的施工方法,在成橋6個(gè)月后鋪設(shè)軌道。主橋立面布置及有限元模型如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置及有限元模型(單位:cm)

分別采用Midas/Clivil與橋梁博士4.0建立有限元模型。全橋共計(jì)610個(gè)節(jié)點(diǎn),859個(gè)單元。采用空間梁?jiǎn)卧M主梁、橫撐和拱肋,采用桁架單元模擬吊桿,全橋邊界條件按三跨連續(xù)梁約束條件布置,吊桿及拱肋通過(guò)剛臂與主梁進(jìn)行連接,拱肋與橫撐之間采用彈性連接中的剛性連接進(jìn)行連接。

3 大跨連續(xù)梁-拱組合體系的長(zhǎng)期變形影響因素

目前,針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期變形問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究,研究表明,影響結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期下?lián)系囊蛩乇姸郲11-15],主要有收縮徐變、有效預(yù)應(yīng)力損失及恒載增大等。

圖2 引起長(zhǎng)期變形的主要因素

由于結(jié)構(gòu)自重彎矩與跨徑三次方成正比,對(duì)于跨徑超過(guò)100m的梁橋,在設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要確定合適的預(yù)應(yīng)力度,還需設(shè)置恰當(dāng)?shù)念A(yù)拱度。實(shí)際工程中,由于施工誤差,尤其是模板變形及橋面找平等引起的施工超重、有效預(yù)應(yīng)力損失、二期鋪裝時(shí)間過(guò)早等因素,使設(shè)計(jì)預(yù)拱度與有效預(yù)應(yīng)力不足以平衡外荷載產(chǎn)生的彎矩,不平衡彎矩引起梁體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)主梁變形,在徐變作用下變形進(jìn)一步加劇。而徐變變形又會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失,不斷往復(fù)循環(huán)。

當(dāng)有效預(yù)應(yīng)力持續(xù)降低,截面受拉區(qū)拉應(yīng)力超過(guò)限值后截面開裂,由于應(yīng)力重分布,使混凝土截面壓應(yīng)力增大,進(jìn)一步加劇了徐變變形。同時(shí),隨著裂縫的發(fā)展,梁段剛體位移使結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期撓度顯著增大。

圖3 大跨徑梁橋長(zhǎng)期撓度過(guò)大歷程

無(wú)砟軌道后期可調(diào)節(jié)量小,故對(duì)后期變形要求嚴(yán)格。根據(jù)TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》,預(yù)應(yīng)力混凝土的豎向徐變變形應(yīng)符合以下規(guī)定:主跨L≤50m時(shí),豎向變形不大于10mm;L>50m,豎向變形不大于L/5000且不大于20mm。

根據(jù)已有研究,通過(guò)分析影響主梁長(zhǎng)期變形的主要因素,從收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失、鋪軌時(shí)間、梁體開裂和施工超重等方面研究對(duì)大跨度連續(xù)梁拱組合橋長(zhǎng)期撓度的影響。

4 影響因素分析

4.1 收縮徐變

計(jì)算徐變模式采用JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》,在設(shè)計(jì)荷載作用下,主梁后期變形曲線如圖4所示。

由圖4可知,跨上撓前期發(fā)展較慢,后期上撓增大速率較快,邊跨下?lián)险门c之相反。按該徐變模式,計(jì)算出成橋10年后中跨長(zhǎng)期變形值為3.81mm,滿足規(guī)范要求。

圖4 收縮徐變引起的變形

4.2 梁體開裂

梁體開裂后,不僅使截面剛度降低,開裂處截面還因應(yīng)力重分布使混凝土截面壓應(yīng)力增大,進(jìn)一步加劇徐變變形。通過(guò)降低主梁混凝土彈性模量的方法來(lái)模擬主梁開裂,主梁剛度折減10%、20%、30%后主梁長(zhǎng)期撓度變化規(guī)律見圖5和表1。

由圖5及表1可知,剛度折減后主梁邊跨跨中下?lián)虾椭锌缈缰猩蠐暇龃?由于中跨豎向吊桿的存在,主梁中跨豎向剛度遠(yuǎn)大于邊跨,隨剛度損失增加,邊跨撓度變化比中跨更敏感。成橋10年后,剛度損失由20%增加到30%時(shí),中跨豎向撓度增長(zhǎng)率降低,邊跨豎向撓度增長(zhǎng)率基本保持一致。上述結(jié)果表明,當(dāng)主梁開裂后,豎向吊桿的存在對(duì)主梁跨中長(zhǎng)期撓度變形有抑制作用。

圖5 剛度折減對(duì)主梁長(zhǎng)期撓度的影響

表1 剛度折減后邊跨及主跨長(zhǎng)期撓度值

4.3 預(yù)應(yīng)力損失

對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁,其長(zhǎng)期變形主要由與結(jié)構(gòu)恒載引起的下?lián)霞邦A(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的上拱共同作用引起。因此,結(jié)構(gòu)有效預(yù)應(yīng)力損失對(duì)長(zhǎng)期變形有顯著影響[15]。為探究預(yù)應(yīng)力損失對(duì)大跨RPC連續(xù)梁拱組合橋長(zhǎng)期撓度的影響,考慮縱向預(yù)應(yīng)力分別損失5%、10%、20%、30%后,計(jì)算從成橋到成橋10年不同階段主梁長(zhǎng)期撓度的變化,結(jié)果見圖6。

圖6 預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁中跨跨中長(zhǎng)期撓度的影響

由圖6可知,不同成橋階段都會(huì)受預(yù)應(yīng)力損失的影響,隨著預(yù)應(yīng)力損失的增大,跨中長(zhǎng)期變形逐漸增大。成橋10年后,預(yù)應(yīng)力損失由10%增大到30%時(shí),跨中撓度增大幅度約為12%,而預(yù)應(yīng)力損失由5%增加到10% 時(shí),跨中長(zhǎng)期變形增大17%。隨著預(yù)應(yīng)力損失不斷增加,主梁跨中長(zhǎng)期撓度變化速率降低,說(shuō)明連續(xù)梁拱組合橋?qū)︻A(yù)應(yīng)力損失引起的長(zhǎng)期撓度有抑制作用。

為分別探究頂、底板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)連續(xù)梁拱組合橋長(zhǎng)期撓度的影響,分別計(jì)算頂板預(yù)應(yīng)力和底板預(yù)應(yīng)力損失10%、20%、30%下主梁長(zhǎng)期變形,結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 底板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)跨中長(zhǎng)期撓度影響

由圖7、圖8可以看出,頂板和底板預(yù)應(yīng)力損失在成橋各階段都會(huì)影響長(zhǎng)期變形,這是由于墩頂負(fù)彎矩和跨中正彎矩對(duì)撓度變化很敏感,而連續(xù)梁拱組合橋大部分彎矩由主梁承擔(dān),通過(guò)頂板束和底板束提供彎矩平衡自重。

圖8 頂板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)跨中長(zhǎng)期撓度影響

底板和頂板預(yù)應(yīng)力損失由5%增加到10%時(shí),主梁跨中長(zhǎng)期撓度值分別增大6%和16%;當(dāng)?shù)装搴晚敯孱A(yù)應(yīng)力損失10%以后,預(yù)應(yīng)力損失每增加10%,跨中長(zhǎng)期撓度值分別增大2%和11%。由此可見,頂板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁跨中豎向撓度影響更明顯,這是由于結(jié)構(gòu)自身縱向剛度較大,實(shí)際底板束的變化不會(huì)對(duì)整體撓度有顯著影響,平衡彎矩、控制結(jié)構(gòu)撓度主要由頂板束完成。

4.4 鋪軌時(shí)間

全橋合龍后,鋪設(shè)軌道的時(shí)間對(duì)后期徐變變形影響顯著,為此,將鋪軌時(shí)間設(shè)為成橋3個(gè)月、6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月,其邊跨跨中和中跨跨中豎向后期撓度如圖9、圖10所示。

圖9 鋪軌時(shí)間對(duì)中跨跨中長(zhǎng)期撓度的影響

圖10 鋪軌時(shí)間對(duì)邊跨跨中長(zhǎng)期撓度的影響

從圖9、10可知,在成橋6個(gè)月后,中跨跨中豎向撓度各階段撓度的增量幾乎相同,邊跨跨中豎向撓度在成橋后前期增量較大,后期撓度增量逐漸減小;成橋6個(gè)月后,鋪軌時(shí)間每延長(zhǎng)3個(gè)月,中跨跨中撓度減少約7%,邊跨跨中撓度減少9%左右,相較于成橋6個(gè)月,成橋3個(gè)月鋪軌時(shí)中跨跨中撓度增大20%,邊跨跨中撓度增加14%左右。雖然隨著鋪軌時(shí)間的延長(zhǎng),邊跨跨中下?lián)虾椭锌缈缰猩蠐暇档?但成橋6個(gè)月鋪軌對(duì)主梁長(zhǎng)期撓度改善效果最明顯,故從減小后期撓度和節(jié)省施工時(shí)間綜合考慮,在成橋6個(gè)月后鋪軌較為合適。

4.5 自重集度

施工過(guò)程中,由于模板變形及橋面找平等都會(huì)引起施工超重,結(jié)構(gòu)自重增大必會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期變形增大。增加自重1%～6%后,計(jì)算在成橋1年、5年、10年、20年、30年后主梁中跨跨中長(zhǎng)期變形,結(jié)果見圖11、圖12。

圖11 自重集度對(duì)中跨跨中長(zhǎng)期撓度的影響

由圖11、圖12可知,不同成橋階段中跨跨中豎向撓度與自重增大比例基本呈線性增加,成橋5年內(nèi)長(zhǎng)期撓度發(fā)展最快,后期速率逐漸降低。主梁中跨跨中長(zhǎng)期變形的增長(zhǎng)速率較結(jié)構(gòu)自重增大的比例更快,對(duì)于成橋5年后,施工每超重1%,長(zhǎng)期變形平均會(huì)增大5.2%。

圖12 自重集度增大比例與長(zhǎng)期撓度增大比例關(guān)系

5 結(jié)論

(1)主梁中跨上撓前期發(fā)展較慢,后期上撓增大速率增快,邊跨下?lián)吓c之相反。

(2)改變鋪軌時(shí)間對(duì)邊跨和跨中都有不同程度的影響,其中對(duì)跨中的影響更明顯。由于徐變變形早期發(fā)展快,延長(zhǎng)鋪軌時(shí)間能有效降低中跨和跨中長(zhǎng)期變形,且成橋6個(gè)月后鋪軌對(duì)改善邊跨及跨中長(zhǎng)期撓度的效果最明顯。

(3)隨著預(yù)應(yīng)力損失的增加,主梁跨中豎向撓度變化速率降低,說(shuō)明連續(xù)梁拱組合橋?qū)︻A(yù)應(yīng)力損失引起的長(zhǎng)期撓度有抑制作用。由于結(jié)構(gòu)自身縱向剛度大,底板束的變化不會(huì)對(duì)整體撓度有顯著影響,平衡彎矩、控制結(jié)構(gòu)撓度主要是由頂板束完成,頂板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)結(jié)構(gòu)影響顯著。

(4)剛度折減后主梁邊跨跨中下?lián)虾椭锌缈缰猩蠐暇龃?由于中跨豎向吊桿的存在,主梁中跨豎向剛度遠(yuǎn)大于邊跨,隨剛度損失增加邊跨撓度變化比中跨更敏感。成橋10年后隨著剛度損失增大,邊跨豎向撓度增長(zhǎng)率基本保持一致,但中跨豎向撓度增長(zhǎng)率降低。上述結(jié)果表明當(dāng)主梁開裂后,豎向吊桿的存在對(duì)主梁跨中長(zhǎng)期撓度變形有抑制作用。

(5)主梁中跨跨中長(zhǎng)期變形的增長(zhǎng)速率較結(jié)構(gòu)自重增大的比例更快,對(duì)于成橋5年后,施工每超重1%,長(zhǎng)期變形平均會(huì)增大5.2%。