姜海君

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 研究背景

連續(xù)剛構(gòu)是T構(gòu)和連續(xù)梁的結(jié)合體，既保持了T構(gòu)主墩不設(shè)支座、抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)，又繼承了連續(xù)梁跨越能力強(qiáng)、行車舒適性好的特點(diǎn)；同時(shí)由于墩、梁和基礎(chǔ)結(jié)為一體共同受力，大大增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度，保證了行車舒適性。連續(xù)剛構(gòu)相比于T構(gòu)和連續(xù)梁，優(yōu)化了橋墩縱向尺寸和梁部高度，減小了溫度跨度。在大跨度混凝土橋梁中十分具有競(jìng)爭(zhēng)力，尤其在山區(qū)鐵路跨越溝壑或河流時(shí)更受工程師們的青睞。但連續(xù)剛構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，混凝土收縮徐變、溫度變化、墩臺(tái)不均勻沉降和預(yù)應(yīng)力作用等均會(huì)引起結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力，并對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生較大影響[1－4]。大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，由于受混凝土收縮徐變的影響，成橋后可能出現(xiàn)較大的豎向變形，高速鐵路橋梁出于行車安全性和乘坐舒適性考慮，規(guī)范規(guī)定成橋后有砟軌道橋梁豎向殘余徐變變形不應(yīng)大于20 mm；無砟軌道橋梁豎向殘余徐變變形跨度小于等于50 m時(shí)，不應(yīng)大于10 mm，跨度大于50 m時(shí)，不應(yīng)大于L/5 000且不應(yīng)大于20 mm[5]。

近年來，伴隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，橋梁建設(shè)迎來了快速發(fā)展的春天，而大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋作為主要的橋型之一，在我國(guó)鐵路橋梁建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。但此類橋型在施工及運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)了諸多問題，如施工期間應(yīng)力和線形與設(shè)計(jì)不相符、運(yùn)營(yíng)后期主梁跨中下?lián)线^大超過規(guī)范限值影響行車安全等，尤其主梁豎向變形過大問題已成為橋梁工程界在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)中不得不考慮的焦點(diǎn)問題。如何確保成橋后豎向殘余徐變變形滿足規(guī)范限值要求，是連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[6－8]。

2 收縮徐變計(jì)算方法

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)的計(jì)算方法眾多，常用的有 CEB-FIP1978模式、CEB-FIP1990模式、FIB MC2010模式、ACI 209-92模式、B3模式、GL2000模式等，其中FIB(國(guó)際結(jié)構(gòu)混凝土協(xié)會(huì))是CEB(歐洲混凝土委員會(huì))和FIP(國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì))合并后的名稱。我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ 023—85采用的模式是對(duì)CEB-FIP1978模式略作修改所得，而其后續(xù)規(guī)范JTG D62—2004和JTG 3362—2018均采用了CEB-FIP1990的修改模式；我國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范自TB 10002.3—99起，經(jīng)歷TB 10002.3—2005、TB 10002—2017 及 Q/CR 9300—2018(極限狀態(tài)法)版本，均采用了對(duì)CEB-FIP1978的修改模式。

3 主橋設(shè)計(jì)

本文以漢巴南鐵路恩陽河特大橋(72＋136＋72)m連續(xù)剛構(gòu)為工程背景，采用BSAS和Midas Civil有限元軟件建立全橋計(jì)算模型，對(duì)六種(TB 10002.3—2005、TB 10002—2017、JTJ 023—1985、JTG 3362—2018、CEB-FIP1978、CEB-FIP1990)不同規(guī)范的收縮徐變變形結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

漢巴南鐵路恩陽河特大橋?yàn)闀r(shí)速250 km雙線(線間距4.6 m)有砟橋梁，主橋采用(72＋136＋72)m連續(xù)剛構(gòu)，為跨越恩陽河而設(shè)，引橋采用64 m節(jié)段膠拼簡(jiǎn)支箱梁。

(72＋136＋72)m連續(xù)剛構(gòu)主梁全長(zhǎng)281.6 m，計(jì)算跨度(72＋136＋72)m，邊支點(diǎn)梁高5.2 m，中支點(diǎn)梁高9.2 m，邊支座中心線至梁端0.8 m；梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)；箱梁頂寬12.2 m，箱梁底寬7.0 m，頂板厚度50～75 cm，底板厚度55～118.1 cm，按折線變化至中支點(diǎn)梁根部，中支點(diǎn)處加厚到200.0 cm，腹板厚60～90～110～130 cm，按折線變化。中支點(diǎn)和跨中橫斷面見圖1。5～8號(hào)橋墩高度依次為73.5 m、80.5 m、87.5 m和73.5 m，均采用圓端型空心墩。

圖1 (72＋136＋72)m連續(xù)剛構(gòu)橫斷面(單位:cm)

4 計(jì)算對(duì)比分析

目前國(guó)內(nèi)各鐵路設(shè)計(jì)單位連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)采用的計(jì)算軟件主要有BSAS、Midas Civil和橋梁博士三種，但由于Midas Civil和橋梁博士計(jì)算軟件以服務(wù)公路橋梁為主，鐵路橋梁相關(guān)規(guī)范更新較慢，且梁部結(jié)果后處理不太全面，故各鐵路設(shè)計(jì)單位連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)基本都是以BSAS軟件計(jì)算為主，Midas Civil和橋梁博士軟件為輔進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 BSAS軟件三種不同規(guī)范豎向殘余變形對(duì)比分析

西南交通大學(xué)開發(fā)的BSAS Pro 2019軟件中包含TB 10002.3—2005、TB 10002—2017 和 JTG 3362—2018三種不同規(guī)范收縮徐變模型供設(shè)計(jì)者進(jìn)行選擇。本文采用BSAS Pro 2019軟件對(duì)(72＋136＋72)m連續(xù)剛構(gòu)在三種不同規(guī)范下收縮徐變變形結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出三種規(guī)范下隨時(shí)間變化的豎向殘余變形曲線(見圖2～圖4)、三種規(guī)范豎向殘余變形對(duì)比曲線(見圖5)和三種規(guī)范不同時(shí)間段豎向殘余變形占比(見表1)。

表1 三種規(guī)范不同時(shí)間段豎向殘余變形占比

圖2 TB 10002.3—2005規(guī)范時(shí)間—豎向殘余變形曲線

圖3 TB 10002—2017規(guī)范時(shí)間—豎向殘余變形曲線

圖4 JTG 3362—2018規(guī)范時(shí)間—豎向殘余變形曲線

圖5 三種規(guī)范豎向殘余變形曲線對(duì)比

分別提取三種規(guī)范支點(diǎn)和跨中豎向殘余變形值，見表2。由于橋墩存在豎向變形，提取三種規(guī)范扣除橋墩豎向變形后梁體跨中相對(duì)豎向殘余變形值，見表3。

式中，Ti(i=1, 2, 3, 4)為各衛(wèi)星的時(shí)間，T為用戶接收機(jī)的時(shí)間，c為光速，(X, Y, Z)為用戶接收機(jī)的坐標(biāo)。各衛(wèi)星的時(shí)間Ti和坐標(biāo)(Xi,Yi, Zi)通過解析接收到的衛(wèi)星報(bào)文獲得[3-4]。

表2 三種規(guī)范支點(diǎn)和跨中豎向殘余變形 mm

表3 三種規(guī)范跨中相對(duì)豎向殘余變形 mm

由圖2～圖5和表1～表3可知:

(1)TB 10002.3—2005和 JTG 3362—2018規(guī)范計(jì)算結(jié)果相差不大；TB 10002—2017規(guī)范豎向殘余變形值與前兩種規(guī)范相差較大，約為前兩種規(guī)范的1.5倍。

(2)收縮徐變第1年占比最大，TB 10002.3—2005規(guī)范第1年占比達(dá)49%；第2～5年三種規(guī)范占比相差不多；TB 10002.3—2005和TB 10002—2017規(guī)范10年時(shí)收縮徐變變形基本完成；JTG 3362—2018規(guī)范10年時(shí)收縮徐變變形僅完成74%。

(3)(72＋136＋72)m連續(xù)剛構(gòu)為有砟軌道，根據(jù)規(guī)范要求豎向殘余變形不應(yīng)大于20 mm，如豎向殘余變形結(jié)果不扣除橋墩豎向變形，不滿足規(guī)范要求；規(guī)范中規(guī)定的豎向變形限值應(yīng)為扣除橋墩豎向變形后的相對(duì)變形，否則橋墩較高時(shí)，橋墩變形就已經(jīng)超過規(guī)范限值，扣除橋墩豎向變形后TB 10002.3—2005和JTG 3362—2018規(guī)范結(jié)果可滿足規(guī)范要求。

(4)本橋主墩豎向變形值占總變形值40%左右；扣除橋墩豎向變形后可發(fā)現(xiàn)梁體豎向收縮徐變變形為中跨下?lián)?、邊跨上拱?/p>

4.2 BSAS和Midas Civil軟件五種不同規(guī)范豎向殘余變形對(duì)比分析

JTJ 023—1985和TB 10002—2017規(guī)范收縮徐變模型采用CEB-FIP1978的修改模式；JTG 3362—2018規(guī)范收縮徐變模型采用CEB-FIP1990的修改模式。采用 Midas Civil軟件對(duì) CEB-FIP1978、JTJ 023—1985、TB 10002—2017、CEB-FIP1990 和 JTG 3362—2018五種規(guī)范收縮徐變變形結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，見圖6～圖8；并將BSAS和Midas Civil軟件JTG 3362—2018規(guī)范收縮徐變變形結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。分別提取五種規(guī)范支點(diǎn)和跨中豎向殘余變形值，見表4。由于橋墩存在豎向變形，提取五種規(guī)范扣除橋墩豎向變形后梁體跨中相對(duì)豎向殘余變形值，見表5。

表4 不同規(guī)范支點(diǎn)和跨中豎向殘余變形統(tǒng)計(jì) mm

表5 不同規(guī)范跨中相對(duì)豎向殘余變形統(tǒng)計(jì) mm

圖6 CEB-FIP1990模型系列豎向殘余變形曲線對(duì)比

圖7 CEB-FIP1978模型系列豎向殘余變形曲線對(duì)比

圖8 不同規(guī)范豎向殘余變形曲線對(duì)比

由圖6～圖8和表4、表5可知:

(1)JTJ 023—1985、TB 10002—2017 和 CEBFIP1978規(guī)范計(jì)算結(jié)果相差不多；JTG 3362—2018和CEB-FIP1990規(guī)范計(jì)算結(jié)果相差不多；CEBFIP1978系列模型結(jié)果大于CEB-FIP1990系列模型結(jié)果，前者為后者1.5倍左右。

(2)BSAS和Midas Civil軟件采用JTG 3362—2018規(guī)范計(jì)算結(jié)果相差不多，相對(duì)變形結(jié)果均滿足規(guī)范要求，但BSAS和Midas Civil軟件橋墩豎向變形結(jié)果相差較大，前者為后者的1.5倍左右。

5 研究總結(jié)

本文以恩陽河特大橋(72＋136＋72)m連續(xù)剛構(gòu)為背景，采用BSAS和Midas Civil軟件對(duì)六種不同規(guī)范收縮徐變變形結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論:

(1)CEB-FIP1978模型系列收縮徐變變形結(jié)果遠(yuǎn)大于CEB-FIP1990模型系列結(jié)果，前者為后者1.5倍左右，采用CEB-FIP1978模型系列豎向殘余變形很難滿足規(guī)范限值要求。多篇文獻(xiàn)結(jié)果證明CEBFIP1990系列模型結(jié)果與實(shí)際值更接近[10－12]，且BSAS軟件也推薦采用JTG 3362—2018規(guī)范模型。故建議后續(xù)鐵路橋梁收縮徐變計(jì)算采用JTG 3362—2018規(guī)范模型。

(2)梁體收縮徐變變形第一年占比最大，延遲鋪軌時(shí)間可有效減小梁體豎向殘余變形。

(3)鐵路規(guī)范收縮徐變變形10年內(nèi)變形基本完成，公路規(guī)范收縮徐變變形10年時(shí)間僅完成74%，建議收縮徐變計(jì)算時(shí)間統(tǒng)一按30年考慮。

(4)規(guī)范中規(guī)定的豎向變形限值應(yīng)為扣除橋墩豎向變形后的相對(duì)變形，否則橋墩較高時(shí)，橋墩豎向變形就已經(jīng)超過規(guī)范限值。橋墩豎向變形占比較大，為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，建模時(shí)一定要含橋墩(包括邊墩)。

(5)BSAS和Midas Civil軟件采用JTG 3362—2018規(guī)范計(jì)算結(jié)果相差不多，但BSAS和Midas Civil軟件橋墩豎向變形結(jié)果相差較大，前者為后者1.5倍左右。

6 存在問題

(1)梁體收縮徐變豎向變形可通過設(shè)置預(yù)拱度的方式解決，但橋墩收縮徐變變形較大且隨時(shí)間變化較為明顯，預(yù)拱度該如何設(shè)置，需進(jìn)一步研究探討。

(2)橋墩高差相差較大時(shí)，收縮徐變變形相差較大，對(duì)于梁體來說，相當(dāng)于梁體存在一個(gè)較大的不均勻沉降差，對(duì)梁體受力影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)需注意。

(3)規(guī)范中僅對(duì)梁體豎向殘余徐變變形限值進(jìn)行了規(guī)定，但是軟件計(jì)算時(shí)，收縮和徐變變形根本無法區(qū)分開來，可以進(jìn)一步研究探討規(guī)范限值可否改為梁體豎向收縮徐變變形限值。

7 結(jié)束語

本文通過對(duì)恩陽河特大橋(72＋136＋72)m連續(xù)剛構(gòu)在六種不同規(guī)范模式下的收縮徐變變形結(jié)果對(duì)比分析，提出了一些鐵路連續(xù)剛構(gòu)收縮徐變計(jì)算存在的問題及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，對(duì)后續(xù)類似工程具有一定的借鑒意義。