城際軌道交通無砟軌道大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋后期徐變控制措施研究

陳　新

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢　430063)

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城際軌道交通無砟軌道大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋后期徐變控制措施研究

陳新

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢430063)

針對廣珠城際軌道交通工程容桂水道主橋(115+2×185+115) m大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，分析其在無砟軌道條件下的關(guān)鍵技術(shù)：研究C60高性能混凝土的配比、坍落度、抗侵蝕性、耐腐蝕性；按此配比，用從工地運來的材料(包括水泥、砂、石、粉煤灰、礦粉)制造試驗梁，研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁的后期徐變特性及控制方法；在此基礎(chǔ)上，提出在設(shè)計和施工兩方面采取的針對性控制措施。

城際軌道交通；無砟軌道；連續(xù)剛構(gòu)橋；徐變控制措施

廣州至珠海城際軌道交通工程，設(shè)計最高時速200 km，鋪設(shè)無砟軌道，在跨越容桂水道時，為滿足通航要求和受到河堤閘門位置的控制，主橋采用(115+2×185+115) m大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，這是目前國內(nèi)城際軌道交通鋪設(shè)無砟軌道時同類型橋梁的最大跨度。

城際軌道交通出于行車安全性和乘坐舒適性的考慮，同時由于成橋后無砟軌道的軌頂高程只能通過扣件調(diào)節(jié)，然而扣件的調(diào)節(jié)量卻非常有限，所以規(guī)范規(guī)定成橋后的徐變位移小于10 mm，對大跨度橋要求小于跨度的1/5 000[1]。如何確保成橋后的殘余徐變變形滿足規(guī)范要求，是本橋設(shè)計的關(guān)鍵，因此有必要對其進(jìn)行專題研究，并在設(shè)計和施工兩方面采取針對性措施。

1　國內(nèi)外大跨連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)用的概況

據(jù)調(diào)查，已建成的主跨在200 m左右的公路連續(xù)剛構(gòu)橋較多，但部分橋梁在運營后出現(xiàn)病害，主要是中跨中下?lián)?，分析其原因，主要是對混凝土徐變影響程度及長期性嚴(yán)重估計不足[2-3]。至于鐵路大跨連續(xù)剛構(gòu)，大多應(yīng)用在普速鐵路有砟軌道上，遂渝鐵路嘉陵江大橋[4]雖然也鋪設(shè)無砟軌道，但其跨度為(94+168+94) m，較本橋的主跨2×185 m要小。

本橋梁高11.0～5.5 m，頂板寬11.6 m，梁底采用圓曲線變化；中主墩為空心墩，兩邊主墩為雙墻式墩，壁厚2.2 m，中心距5.0 m，墩高23 m；基礎(chǔ)采用12φ2.3 m鉆孔樁，承臺尺寸12.88 m×17.48 m×5.0 m。合龍順序為先邊后跨，合龍中跨前，施加一定的對頂力。

2　關(guān)鍵技術(shù)研究

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，由于受混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失的影響，成橋后可能出現(xiàn)較大的中跨下?lián)匣蜻吙缟瞎埃緲蛑骺邕_(dá)2×185 m，且鋪設(shè)無砟軌道，如何有效地控制成橋后主梁殘余徐變變形，確保橋梁變形能夠適應(yīng)城際列車高速運行的需要，是本橋設(shè)計的關(guān)鍵。

2.1C60高性能混凝土試驗研究

通過對混凝土的工作性能試驗(坍落度)、物理化學(xué)性能(抗侵蝕、耐腐蝕)試驗，確定C60高性能混凝土在膠凝材料總量為490 kg/m3的條件下，以水膠比0.29、粉煤灰摻量23%、礦粉摻量10%、小石率60%配制的混凝土各項指標(biāo)優(yōu)越。

2.1.1混凝土的工作性能

與純水泥混凝土比較，坍落度增大48.2%，為215 mm，滿足混凝土施工時的性能要求。

2.1.2混凝土的物理性能

強度、彈模提高，28 d齡期時，分別較純水泥混凝土增大12.2%、10.3%。

2.1.3混凝土的耐久性

28 d齡期時，高性能混凝土的碳化很難向內(nèi)進(jìn)行，可忽略不計。氯離子擴(kuò)散系數(shù)為在28 d齡期時，為4.19×10-12m2/s，較純水泥混凝土降低35.2%，具有很好的抗?jié)B性能。

2.1.4混凝土的收縮徐變變形

粉煤灰和礦粉雙摻影響混凝土的收縮變形，隨齡期增長而變化：使35 d以前的收縮變形增大了，使后期收縮變形減??；180 d時，雙摻混凝土的收縮應(yīng)變較純水泥混凝土減小25.2%。

徐變系數(shù)降低。復(fù)合使用23%粉煤灰和10%礦粉時，各齡期的徐變系數(shù)均小于純水泥混凝土。在持荷180 d時，純水泥混凝土、雙摻混凝土、小石率60%的雙摻混凝土的徐變系數(shù)分別為1.304、1.168、0.996；實測純水泥混凝土的的徐變系數(shù)小于理論計算值，僅為《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.3—2005)(以下簡稱“中鐵05規(guī)范”)計算徐變系數(shù)的71.2%、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)(以下簡稱“中交04規(guī)范”)計算徐變系數(shù)的72.8%。

2.2現(xiàn)場配合比驗證試驗

在上述試驗研究基礎(chǔ)上，經(jīng)現(xiàn)場原材料調(diào)試得到C60高性能混凝土配合比為：膠凝材料總量490 kg/m3，粉煤灰摻量20.4%(100 kg/m3)，礦粉摻量8.2%(40 kg/m3)，水膠比0.28，其坍落度達(dá)到212 mm，28 d齡期時抗壓強度為69.0 MPa，各齡期的徐變系數(shù)、徐變度、收縮值均小于基準(zhǔn)混凝土，滿足現(xiàn)場用C60高性能混凝土的工作性能、物理化學(xué)性能、收縮徐變性能等的要求。

2.3預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗

按照上述配比，用從工地運來的材料，包括水泥、砂、石、粉煤灰、礦粉(水除外)，制造了30根試驗梁(與本橋邊跨的應(yīng)力水平相當(dāng))，經(jīng)過762 d的試驗觀測，研究由環(huán)境溫度、濕度、預(yù)應(yīng)力加載齡期、預(yù)應(yīng)力損失、二期恒載鋪設(shè)時間等因素對橋梁結(jié)構(gòu)變形的影響[5]。從中選擇加載齡期區(qū)別明顯、加載容易實現(xiàn)、后期徐變較大的第Ⅱ類截面的1號、2號、3號梁，這3根試驗梁的幾何尺為0.3 m×0.4 m×10.0 m，三者的預(yù)應(yīng)力筋、普通鋼筋的布置完全一樣，但預(yù)應(yīng)力和自重、二期恒載的加載齡期不同，見表1。

表1　3根試驗梁加載齡期

2.3.1后期變形實測值與理論計算值的比較

試驗梁后期變形(以施加完二期恒載時的線形為基準(zhǔn))引起的豎向位移，實測值與“中交04規(guī)范”、“中鐵05規(guī)范”的計算值隨時間的變化規(guī)律相同，但實測值小于2種規(guī)范的理論值。相對而言，實測值較接近于中交04規(guī)范的計算值。

2.3.2后期變形隨時間發(fā)展的規(guī)律

混凝土的后期徐變變形早期發(fā)展較快，后期發(fā)展較慢。到混凝土齡期762 d時，1號、2號、3號試驗梁跨中后期變形上拱值分別為2.28、1.50、1.25 mm，其中前185 d占75%左右，185～762 d期間占25%，而且，在混凝土齡期500 d以后，試驗梁的跨中的上拱值基本上沒有增長，只是隨著氣溫和濕度的變化產(chǎn)生一定的波動。根據(jù)這個發(fā)展趨勢可以預(yù)見在762 d以后的徐變變形變化很小。

2.3.3鋼束預(yù)應(yīng)力的后期損失

1號、2號、3號梁實測的預(yù)應(yīng)力鋼束張拉力的后期損失很小，從施加二期恒載后到混凝土齡期762 d時，3根梁的鋼束SL1分別損失了7.8、6.4、4.8 kN，分別占張拉完成后實測初始值的4.38%、3.51%、2.70%；3根梁的鋼束SL2分別損失了6.5、6.2、5.1 kN，分別占張拉完成后實測初始值的3.67%、3.44%、2.92%。

2.3.4鋪設(shè)二期恒載對后期變形的影響

鋪設(shè)二期恒載時的混凝土齡期對后期徐變變形影響較大。2號梁和1號梁預(yù)應(yīng)力張拉時的齡期相同(7 d)，但施加二期恒載時的混凝土齡期不同(分別為60、28 d)， 后期徐變變形分別為1.50、2.28 mm，2號梁相對1號梁減少34.27%。所以，延長鋪設(shè)二期恒載時的混凝土齡期，是減少結(jié)構(gòu)后期徐變變形的有效措施。

2.3.5鋼束張拉時的混凝土齡期對后期變形的影響

預(yù)應(yīng)力張拉時的混凝土齡期對后期徐變變形影響較大。3號梁和2號梁的堆載齡期相同(60 d)，但預(yù)應(yīng)力張拉時的混凝土齡期不同(分別為30、7 d)，后期徐變變形分別為1.250、1.50 mm，3號梁相對2號梁減少16.51%。所以，增大預(yù)應(yīng)力張拉時的混凝土齡期，是減少結(jié)構(gòu)后期徐變變形的有效措施。

2.3.6環(huán)境的溫度和濕度對試驗梁的跨中位移也有一定影響

當(dāng)濕度一定而溫度增加時，跨中上拱增加；當(dāng)溫度一定而濕度增加時，跨中上拱減小。

2.4后期徐變變形的計算方法與控制方法研究

2.4.1后期徐變變形的計算方法研究[6-12]

(1)混凝土徐變變形，《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023—85)、《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.3—99)、《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.3—2005)3種規(guī)范的計算理論相同，按這3種規(guī)范計算得到的徐變系數(shù)與按CEB-FIP(1978)規(guī)范計算得到的徐變系數(shù)基本相同；按照“中交04規(guī)范”和按照CEB-FIP(1990)規(guī)范兩者計算得到的徐變系數(shù)差別不大。本橋按“中交04規(guī)范”計算的徐變系數(shù)約為按“中鐵05規(guī)范”計算的一半。

(2)按前述配比，本橋C60高性能混凝土的收縮變形實測值、 徐變系數(shù)實測值均比“中交04規(guī)范”、“中鐵05規(guī)范”的理論值都小，相對而言，與“中交04規(guī)范”的理論值接近。見圖1。

圖1　本橋徐變系數(shù)實測值與理論計算值比較曲線

(3)經(jīng)過比較計算，兩個結(jié)構(gòu)分析軟件橋梁博士(DB)和邁達(dá)斯(MIDAS)計算的后期變形，都比理論值大，相對而言，MIDAS的計算結(jié)果更接近理論值。

因此，本次研究建議后期變形取用MIDAS(內(nèi)置“中交04規(guī)范”)的計算結(jié)果，實際后期變形小于此值。

2.4.2后期徐變變形的控制方法研究

對本橋提出了延遲二期恒載鋪設(shè)時間、預(yù)留部分底板后張索、預(yù)留體外索三種控制措施[13]，控制效果取用MIDAS(內(nèi)置“中交04規(guī)范”)的計算結(jié)果，見表2。

表2　本橋采取控制措施后后期變形計算結(jié)果

注：上拱為正，下?lián)蠟樨?fù)。

2.5采用成橋后徐變的線形，模擬輪軌關(guān)系，對車-橋系統(tǒng)進(jìn)行動力分析，檢驗行車安全性和舒適性

2.5.1在設(shè)計給出的后期徐變變形條件下的列車走行安全性

隨著后期徐變變形改變，車橋系統(tǒng)橫向振動極限抗力作功變化不大。在容許的后期徐變變形范圍內(nèi)，后期徐變變形對橋上列車走行安全性影響很小。當(dāng)ICE3列車在250 km/h車速以下時，車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪對橫向力均低于規(guī)范規(guī)定的限值。車輛橫向與豎向加速度低于1.0 m/s2，達(dá)到優(yōu)秀等級。

2.5.2在設(shè)計給出的后期徐變變形條件下的列車走行舒適性

后期徐變變形對列車豎向振動有一定的影響，而對列車橫向振動響應(yīng)影響不大，主要原因是徐變變形改變了軌道豎向不平順狀態(tài)。鋼軌的橫向位移比橋梁橫向位移要大約0.2 mm，鋼軌的豎向位移比橋梁豎向位移要大0.45～0.55 mm。這一位移差值是由于扣件彈性變形所致。橫向位移差值相對總位移比例約為15%，豎向位移差值相對總位移比例約為5%。如果僅考慮車橋振動，不考慮鋼軌與扣件的振動，不計入這部分彈性變形的影響，對車橋系統(tǒng)橫向振動影響較大，對豎向振動影響較小。列車走行舒適性達(dá)到良好以上。

2.6施工監(jiān)測

對施工的每一步進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場材料實際彈模，實時修正模型，對施工線形進(jìn)行監(jiān)控，密切關(guān)注變形發(fā)展，必要時進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。本橋應(yīng)力監(jiān)控數(shù)據(jù)表明，梁部實測應(yīng)力與監(jiān)控計算結(jié)果基本吻合，各主墩混凝土應(yīng)力值滿足設(shè)計和規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)受力始終處于安全狀態(tài)。至最大懸臂狀態(tài)，梁頂實測高程與理論計算高程基本相符，差值普遍小于2 cm，最大差值3.5 cm發(fā)生在中墩頂附近個別梁段。兩個中跨懸臂端部，梁頂實測高程與理論計算高程差值分別為1.4、0.4、0.0、1.1 cm，實現(xiàn)了高精度合龍。

3　設(shè)計和施工中采取針對性措施，確保結(jié)構(gòu)對無砟軌道的適應(yīng)性[14]

設(shè)計采用的計算分析軟件是西南交大編制的BSAS結(jié)構(gòu)計算程序。

3.1合理選擇梁高

合理選擇梁高，特別是跨中梁高，保持梁部必要剛度，控制成橋后殘余徐變變形。本橋根部梁高11.0 m，跨中比較了5.5、5.0 m，計算表明，采用11.0～5.5 m的梁高，可使成橋后邊跨上拱減小102.7 mm，跨中下?lián)蠝p小17.8 mm。

3.2延遲鋪設(shè)二期恒載的時間

待全橋合龍180 d后再鋪設(shè)二期恒載，可有效減小成橋后跨中下?lián)?。計算表明可使成橋后邊跨上拱減小12.6 mm，跨中下?lián)蠝p小10.3 mm。

3.3合理布置底板索

預(yù)留部分跨中底板索在二期恒載鋪設(shè)后再張拉，可有效減小成橋后跨中下?lián)稀Ｓ嬎惚砻骺墒钩蓸蚝罂缰邢聯(lián)蠝p小24.5 mm。

3.4預(yù)留體外索

盡管計算已對徐變作了包羅，但鑒于混凝土徐變的不確定性，設(shè)計時仍在主梁上預(yù)留了體外索，運營期間如跨中發(fā)生較大下?lián)?，可啟用體外索調(diào)整撓度值，計算表明張拉體外索可使成橋后邊跨上拱減小1.7 mm，跨中下?lián)蠝p小5.0 mm。

3.5對施工時混凝土的初載齡期、強度、彈模作出嚴(yán)格要求

針對影響徐變系數(shù)的主要因素，如構(gòu)件理論厚度、混凝土初載齡期，提出改變工程搶進(jìn)度、縮短工期、添加早強劑的不當(dāng)方法，對混凝土初載齡期、強度、彈模作出了較以往更為嚴(yán)格的要求。

計算表明，本橋成橋后10年徐變殘余變形，中跨中下?lián)?9.3 mm、邊跨中上拱13.8 mm，分別為跨度的1/6 314、1/8 333，活載豎向撓跨比中跨中、邊跨中分別為1/3 606、1/5 901，活載梁端轉(zhuǎn)角0.888‰，均滿足規(guī)范要求。成橋時軌頂高程與考慮預(yù)拱度之后的設(shè)計高程基本吻合。運營期間監(jiān)測表明，主梁徐變變形小于同齡期的理論計算值，適應(yīng)城際列車高速運行的需要。

4　結(jié)語

容桂水道主橋(115+2×185+115) m連續(xù)剛構(gòu)，是目前國內(nèi)城際軌道交通無砟軌道條件下同類型橋梁的最大跨度，自2011年1月投入運營以來，列車運行平穩(wěn)、安全、舒適，本橋設(shè)計時采用的理論計算方法、模型試驗研究以及在此基礎(chǔ)上提出的控制后期徐變下?lián)系墓こ檀胧?，有效可靠，對城際軌道交通同類型橋梁的設(shè)計與施工具有借鑒價值。

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Research on Later Creep Control Measures of Large-span Continuous Rigid Frame Bridge on Intercity Rail Transit Ballastless Track

CHEN Xin

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

In view of Guangzhou-Zhuhai intercity rail transit project RongGui waterway main bridge(115 m+2×185 m+115 m)of large-span continuous rigid frame bridge， the key technologies related to ballastless track are analyzed. The mixing proportion， slump， erosion resistance and corrosion resistance of C60 high performance concrete are studied. The materials shipped from the construction site including cement， sand， stone， fly ash and mineral powder are used to fabricate test beams to find out later creep characteristics of prestressed concrete beams and the control method. On this basis， corresponding control measures applied to design and construction are put forward．

Intercity rail transit; Ballastless track; Continuous rigid frame bridge; Creep control measures

2016-01-12；

2016-01-28

鐵道部科技研究開發(fā)計劃(2006G009-C)

陳新(1969—)，男，高級工程師，1991年畢業(yè)于武漢水利電力學(xué)院，工學(xué)學(xué)士，E-mail：1158804043@qq.com。

1004-2954(2016)08-0050-04

U442

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.011