武漢軌道交通區(qū)間橋梁預(yù)應(yīng)力簡支梁上拱度的分析及質(zhì)量控制

周左文，何祖亮，居淳麗

（1 武漢市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北 武漢 430010；2 武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北 武漢 430010；3 武漢市建筑市場管理站，湖北 武漢 430010）

武漢軌道交通區(qū)間橋梁預(yù)應(yīng)力簡支梁上拱度的分析及質(zhì)量控制

周左文1，何祖亮2，居淳麗3

（1 武漢市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北 武漢 430010；2 武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北 武漢 430010；3 武漢市建筑市場管理站，湖北 武漢 430010）

從理論和工程實(shí)踐兩方面論述軌道交通區(qū)間橋梁預(yù)應(yīng)力簡支梁的上拱度問題，并對彈性上拱度和徐變上拱度進(jìn)行分析和比較。針對上拱度影響橋梁運(yùn)營的問題，提出一些解決的途徑。本文對軌道交通區(qū)間橋梁預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計、施工和運(yùn)營以及進(jìn)一步發(fā)展大跨度簡支梁或無碴整體道床均有一定的參考價值。

簡支梁；上拱度；控制

武漢市軌道交通一號線全長 28.67KM，設(shè)車站 26座，全線為區(qū)間橋梁，除跨越路口段為預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁、車站為小跨度預(yù)應(yīng)力“T”梁結(jié)構(gòu)形式外，主要采用 25M、30M跨的標(biāo)準(zhǔn)段預(yù)應(yīng)力簡支箱梁。一期工程總長10.28KM，車站10座，于2004年9月開始運(yùn)營。二期工程自一期工程兩端分別向東西延伸。2010年7月29日全線通車試運(yùn)行。

武漢軌道交通一號線采用了無碴軌道結(jié)構(gòu)。橋上無碴軌道的應(yīng)用與隧道、路基不同，橋梁結(jié)構(gòu)在活載作用下的彈性變形以及恒載作用下的徐變都會直接影響到橋上軌道結(jié)構(gòu)的受力、平順性及行車安全，由于無碴軌道設(shè)備在鋪設(shè)后，不能象有碴軌道那樣進(jìn)行起道和撥道作業(yè)，而且軌道扣件的調(diào)高量有限。因此，無碴軌道要保證軌道的平順性，就必須解決軌道鋪設(shè)后預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的上拱問題，即對預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的上拱必須有嚴(yán)格的限制。

1 上拱度分析

1.1 彈性上拱度

后張法預(yù)應(yīng)力簡支梁由于張拉后梁各截面得到預(yù)加負(fù)彎矩的緣故，梁體在張拉時即產(chǎn)生上拱度，通常稱之為張拉上拱度。與此同時，又因?yàn)榱后w上拱的關(guān)系，梁底脫離底模，梁兩端支座開始受力，使梁在自重作用下產(chǎn)生梁自重?fù)隙?。梁自重?fù)隙纫话惚葟埨瞎岸刃〉枚啵虼嗽诘窒麚隙扔绊懼?，梁的?shí)際彎曲變形仍是向上拱的。通常將此實(shí)際存在的上拱度稱為彈性上拱度，即彈性上拱度（fe）等于張拉上拱度（f）減去重力作用下產(chǎn)生的反向撓度（δ）：

用結(jié)構(gòu)力學(xué)的一般方法進(jìn)行分析

式中的l為計算跨徑，My為控制應(yīng)力扣除張拉時已完成的預(yù)應(yīng)力損失對計算截面產(chǎn)生的彎矩值；為單位力作用在跨中時梁的計算截面處的彎矩值；E為混凝土的彈性模量；I為換算截面的慣性矩。

式中的Mg為自重產(chǎn)生的跨中彎矩。

在梁體混凝土張拉時的實(shí)際強(qiáng)度（或E值） 和設(shè)計強(qiáng)度（或E值）接近時，彈性上拱度的實(shí)測值一般均能與理論計算值接近吻合。

1.2 徐變上拱度

城市軌道交通區(qū)間橋梁均按全預(yù)應(yīng)力設(shè)計，在使用階段活載作用時截面下緣要求不能出現(xiàn)拉應(yīng)力，為盡量發(fā)揮預(yù)應(yīng)力筋作用，預(yù)應(yīng)力筋重心盡量偏下，以抵抗荷載作用。于是，在實(shí)用階段全部恒載的作用下，截面將長期處于偏心受壓狀態(tài)，由此產(chǎn)生徐變上拱。

徐變上拱度在張拉后的2～3年內(nèi)隨時間的進(jìn)展而變化。初期增長很快，后期逐漸減慢，一般在2～3年后基本趨于穩(wěn)定而不再增長。據(jù)相關(guān)資料的統(tǒng)計混凝土收縮和徐變的變形值在張拉后 10天為終極值的33%，30天為40%，60天為50%，半年為75%，1年為85%，3年為100%。梁體混凝土的收縮變形理論上是上下緣一致的，故純收縮變形不會引起梁的上拱。

1.3 影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁徐變上拱的因素

有關(guān)研究表明，影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁徐變上拱的因素較多，有設(shè)計、施工、環(huán)境等因素。

設(shè)計方面主要因素有：梁在使用階段時恒載作用下的梁截面下緣應(yīng)力水平和梁的恒、活載設(shè)計彎矩比值。長期受壓的混凝土徐變變形與其應(yīng)力大小有直接關(guān)系，一般認(rèn)為，當(dāng)混凝土在長期荷載作用下的應(yīng)力

在0.5Ra（Ra為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度)以內(nèi)時，徐變隨應(yīng)力增大呈線性發(fā)展；超過0.5Ra時，便產(chǎn)生非線性徐變，會導(dǎo)致變形及上拱迅速增大。在設(shè)計過程中，一般采用較大的高跨比以加大梁的豎向剛度，來減小活載作用下的梁體下緣混凝土拉應(yīng)力值；其次，通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋的布置使梁的截面上下緣應(yīng)力在預(yù)應(yīng)力筋及恒載的作用下盡量接近．從而將梁體徐變上拱值控制在規(guī)定的限值之內(nèi)。

從理論上講，預(yù)應(yīng)力筋對梁體截面產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)包括軸力和彎矩兩部分，當(dāng)預(yù)應(yīng)力彎矩與恒載產(chǎn)生的截面彎矩充分接近時，梁體截面將長期處于均勻受壓狀態(tài)，梁體的徐變上拱很小，甚至接近于零。這種理想狀態(tài)對全預(yù)應(yīng)力梁而言，只有當(dāng)主梁截面的恒、活載設(shè)計彎矩比符合以下條件時才能實(shí)現(xiàn)，即：

當(dāng)M恒M活小于或大于A.e W下時，截面將長期處于偏心受壓狀態(tài)，必然出現(xiàn)徐變上拱或下?lián)希㈦S其差值的增大而增加：在梁體控制截面的設(shè)計彎矩中，當(dāng)恒載彎矩所占的比例大時，徐變上拱較小。因此，當(dāng)線路標(biāo)準(zhǔn)制定后，設(shè)計活載為定值，在梁跨相同情況下，對于不同線路設(shè)備等二期恒載設(shè)計值及梁高，二期恒載設(shè)計值較大及梁高較大者，恒活載彎矩比也相應(yīng)增大，梁體徐變上拱值會相應(yīng)降低。當(dāng)荷載、主梁截面確定后，可通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋布置，使A.e W下值與M恒M活盡量接近，越接近者其徐變變形值越小。

式中M恒——梁自重及二期恒載產(chǎn)生的截面彎矩；

M活——梁設(shè)計活載產(chǎn)生的截面彎矩；

A——截面面積；

e——截面的預(yù)應(yīng)力偏心距；

W下——截面的下緣彎曲抵抗矩。

水灰比和水泥用量對混凝土徐變變形有一定影響，在相同水灰比情況下，徐變變形隨水泥用量增多而變大；當(dāng)水泥用量一定時，又會隨水灰比的增大而增加。另外，考慮到骨料在混凝土中主要是對水泥漿體徐變起約束作用，其程度取決于骨料的彈性模量和體積含量，因此，施工時應(yīng)選用彈性模量較高的巖石和適宜的級配。最后還應(yīng)考慮施加預(yù)應(yīng)力時梁體的彈性模量的影響，偏低的彈性模量會引起較大的徐變上拱。在施加預(yù)應(yīng)力前．除了檢驗(yàn)混疑土強(qiáng)度外，還應(yīng)同時檢測其彈性模量，并保證混凝土在張拉時有足夠的齡期。

徐變及徐變上拱度對環(huán)境濕度、溫度相當(dāng)敏感，其影響具有滯后性，溫度升高，梁體上拱度增大；濕度加大，梁體上拱度會相應(yīng)減小。

2 上拱度對橋梁運(yùn)營的影響

預(yù)應(yīng)力梁由徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失已在設(shè)計中考慮。但衡量結(jié)構(gòu)是否滿足正常的使用條件時，除了從應(yīng)力、強(qiáng)度、抗裂等角度來考慮外，還得從結(jié)構(gòu)的變形角度來考慮。

上拱度產(chǎn)生后，由于軌道線路標(biāo)高不能隨上拱度任意抬高，對無碴整體道床橋面的預(yù)應(yīng)力梁而言，鋼軌扣件能提供的鋼軌調(diào)高量有限。以調(diào)高量較大的ωj-2扣件為例，其調(diào)高量僅為40mm。故上拱度勢必影響正常的線路標(biāo)高。

上拱度值一般與梁的跨度成正比，跨度進(jìn)一步發(fā)展，則此問題將更突出。因此，預(yù)應(yīng)力梁上拱度的問題如得不到解決，將會形成進(jìn)一步發(fā)展大跨度無碴整體道床橋面簡支梁的障礙。

3 解決上拱度問題的方法

3.1 預(yù)設(shè)下?lián)隙龋ǚ垂岸龋?/h3>

在制梁時預(yù)設(shè)下?lián)隙纫缘窒糠只蛉可瞎岸鹊挠绊憽５氉⒁獾氖穷A(yù)設(shè)的下?lián)隙炔恢故橇旱子校饕窃O(shè)在梁的頂面。梁底的下?lián)隙瓤捎傻啄?biāo)高來保證。梁頂?shù)南聯(lián)隙缺仨氃诹喉斆媸諠{完工時精心測量，按照規(guī)定的標(biāo)高來施工。這樣做法對施工來說是要增加一些麻煩，但其效果是可取的。

3.2 后澆橋面承軌臺混凝土

橋面連接鋼軌扣件部分的承軌臺留在張拉后鋪軌前盡可能延后的時間內(nèi)進(jìn)行灌注。此時因全部彈性上拱度及部分徐變上拱度已經(jīng)形成，承軌臺混凝土頂面的標(biāo)高在灌注后不再受以上兩部分上拱度的影響，但另一部分尚未完成的徐變上拱度仍將影響承軌臺標(biāo)高。對這部分的上拱度則仍可用在承軌臺頂面預(yù)設(shè)下?lián)隙鹊姆椒▉斫鉀Q。

武漢軌道交通一號線區(qū)間橋梁，每片簡支梁在張拉完成后至少6個月后才進(jìn)行軌道承軌臺混凝土的施工。運(yùn)營表明軌道較平穩(wěn)。

3.3 適當(dāng)降低梁下緣的預(yù)壓應(yīng)力

混凝土的徐變變形與長期荷載作用下的應(yīng)力值有關(guān)。當(dāng)應(yīng)力小于0.5Ra時，徐變變形量與應(yīng)力之間有線性比例關(guān)系，若應(yīng)力大于0.5Ra時，徐變變形量的增長比應(yīng)力的增長快。因此，以降低梁下緣的預(yù)壓應(yīng)力來謀求徐變上拱度的減小在理論上是完全可以成立的。凡是下緣設(shè)計預(yù)壓應(yīng)力較大的，其徐變上拱度也相應(yīng)大些。

降低梁下緣預(yù)壓應(yīng)力不僅可以減少徐變上拱度，還可以按彈性比例關(guān)系降低彈性上拱度，故對全部上拱度的減少有比較顯著的效果。

3.4 推遲張拉齡期

根據(jù)《結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》可知，由于張拉時的混凝土齡期越長，徐變就越小，所以適當(dāng)?shù)赝七t混凝土張拉齡期，對減少徐變上拱度能起到積極的作用。此外，由于混凝土的E值隨齡期增長，故對彈性上拱度也能減小。武漢市軌道交通一號線施工中嚴(yán)格按設(shè)計文件要求對預(yù)應(yīng)力梁上拱度進(jìn)行控制：箱梁混凝土的張拉時齡期不少于9d，混凝土的強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到設(shè)計值的90%，三個條件同時滿足才能進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉。對混凝土的彈性模量的控制應(yīng)注意設(shè)計值與實(shí)際強(qiáng)度對應(yīng)的E值是不同的。在實(shí)際施工中許多施工單位往往把混凝土配比強(qiáng)度提高很多，如C50的設(shè)計強(qiáng)度，有時實(shí)際強(qiáng)度可高達(dá) C60～C70。這時以C60或C70的彈模增長來取代C50的彈模。顯然不是實(shí)際混凝土彈模的增長值。應(yīng)檢查混凝土設(shè)計配合比檢驗(yàn)報告，并要求不得任意提高混凝土強(qiáng)度。而控制張拉時的混凝土齡期是個有效的措施。

實(shí)際上推遲張拉齡期在某種意義上來說就是相對的降低下緣預(yù)壓應(yīng)力。因?yàn)榛炷笼g期愈長，張拉時的Ra愈大，相對應(yīng)力σRa愈小，因而徐變量 也愈小。因此，如果在降低預(yù)壓應(yīng)力的前提下，再采取推遲張拉齡期這個措施，對減少上拱度能收到雙重效果。但也不能將張拉齡期推遲過長，因高強(qiáng)度混凝土脆性大，長時間不施加預(yù)壓力，在梁的腹板上可能會產(chǎn)生豎向裂縫，尤其是在短時間內(nèi)氣溫變化大的情況下。

3.5 采取適當(dāng)?shù)氖┕ご胧?/h3>

影響徐變上拱度的因素很多。在制梁時應(yīng)注意混凝土的材料、級配、水灰比、坍落度等。在骨料與水泥比例相同時，水灰比愈大，徐變也愈大，因?yàn)榛炷恋男熳冎饕怯伤酀{引起的。除此之外，還要注意養(yǎng)生方法，混凝土的養(yǎng)生條件對徐變也有影響，一般在水中硬化的混凝土徐變要比在空氣中硬化的小，因此應(yīng)盡可能做到淋水養(yǎng)生。

4 結(jié)語

（1）市政橋梁中預(yù)應(yīng)力簡支梁（板）同樣需要嚴(yán)格控制過大的上拱度出現(xiàn)，跨中上拱度控制不好將直接導(dǎo)致橋面鋪裝層的厚度小于設(shè)計值。另外，同一跨度上不同梁之間的上拱度應(yīng)基本保持一致，否則會導(dǎo)致鋪裝層厚薄不均，造成橋面出現(xiàn)縱向裂縫。以上兩個方面都會影響到橋面鋪裝層的壽命。

（2）橋梁建造是理論和實(shí)踐之間互相結(jié)合的一個過程，質(zhì)量的控制首先要把握基本原理，對具體問題進(jìn)行具體分析。參建各方要實(shí)事求是，克服施工中急于求成的心理，保持平常心。要認(rèn)清結(jié)構(gòu)自身的客觀規(guī)律，保證合理工期，才能使工程達(dá)到設(shè)計的合理使用年限。

[1] 葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2] 甘軍，楊超，季文洪. 橋梁預(yù)應(yīng)力管道壓漿施工質(zhì)量控制技術(shù)及應(yīng)用[J]. 四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，（6）:627～629.

The analysis and quality control on the pre-camber of Wuhan Rail Transit range Prestressed simply supported beam

ZHOU Zuo-wen1, HE Zu-liang2, JU Chun-li3
（1 Wuhan Construction Engineering Quality Supervision Station, Wuhan Hubei 430010, China; 2 Wuhan Municipal Engineering Quality Supervision Station, Wuhan Hubei 430010, China; 3 Wuhan Construction Market Management Station, Wuhan Hubei 430010, China）

In this paper, both theory and engineering practice, discusses the range of rail bridge simply supported prestressed beam camber on the issue, and flexibility on the camber and camber on the creep analysis and comparison. Impact on the camber for the operation of the bridge problem, made a number of ways to solve. This range of rail bridge prestressed beam design, construction and operation and further development of large-span simply supported beam or non-ballast track bed as a whole there is a certain reference value.

Simple Beam; Pre-camber; Control

U448.13

A

1009－5160(2011)06－0075－04

周左文（1957-），男，研究方向：軌道交通質(zhì)量控制.