大跨高鐵梁拱組合橋軌底標高精調(diào)影響因素分析

徐漢斌， 李 杰*， 高清炎， 賀 崢

(1.鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001；2.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

由于高速列車對運行的平穩(wěn)性和舒適性要求高，因此高鐵線路對線形精度要求嚴苛，且為了保證結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定之后線形能夠精準預測，橋梁工程成為高速鐵路主要工程載體。為了滿足高速鐵路運行需求，一般采取跨度較小橋梁，但是由于特殊地貌、地形需要，修建大跨度橋梁不可避免，而大跨度梁拱組合體系橋在高鐵橋梁選型中具有一定優(yōu)勢。大跨度高鐵橋梁的成橋線形影響因素多而復雜，軌底標高控制為施工中主要難點。目前國內(nèi)外學者主要開展了橋梁結(jié)構(gòu)變形研究[1-6]，如吊桿張拉和混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)線形影響，對于高鐵橋梁軌底標高精調(diào)相關(guān)研究較少，還需進一步加強。因此，研究后期施工因素對軌底高程及軌底標高精調(diào)影響，并將實測值與理論值進行對比分析以便指導線形精調(diào)施工十分有必要。

1 工程概況

某高速鐵路跨越南水北調(diào)干渠特大橋，該橋采用(74+160+74)m預應力連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)形式，橋跨結(jié)構(gòu)為剛性梁—柔性拱。主梁采用單箱雙室變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁，上部鋼管混凝土拱肋由預制鋼構(gòu)件拼裝成拱后泵送混凝土，采用“先梁后拱”施工順序。拱軸線采用二次拋物線形式，拱軸線方程為y=-1/200x2+0.8x。其中計算矢高f=32 m，計算跨徑L=160 m，矢跨比為1/5；橫橋向設(shè)置兩道拱肋，拱肋中心距為11.8 m。施工矢高f=32.12 m，拱肋實際施工均采用施工拱軸線制作和拼裝。

2 建立有限元模型

采用有限元軟件Midas/Civil建立該橋桿系模型，其中橋墩、主梁及拱肋采用梁單元進行模擬，拱腳采用實體單元進行模擬，吊桿采用只受拉桁架單元進行模擬。邊界的模擬主要包括橋墩永久支座和0#段臨時固結(jié)。按照設(shè)計圖紙，每個主墩上各有3個球形鋼支座，在對支座進行模擬時，在支座位置處建立上下2個節(jié)點，其中上節(jié)點與主梁剛接，下節(jié)點與主墩剛接，上下節(jié)點采用一般支承中的彈性支承進行連接，彈性連接的剛度大小由支座剛度確定。0#段臨時固結(jié)采用6根鋼管混凝土樁，在建立模型時，臨時固結(jié)按照設(shè)計圖紙建立鋼管混凝土樁模型，節(jié)點與主梁采用剛性連接。全橋有限元模型共計1 733個節(jié)點和1 638個單元。

3 軌底標高精調(diào)影響因素分析

由于高速鐵路運行速度較高，成橋線形會直接影響軌面標高以及行車舒適和安全性[7]。不同吊桿張拉方案、存梁時間長短、二期鋪裝等因素均會對成橋線形產(chǎn)生一定影響，不同因素對其影響也不同。本文假定結(jié)構(gòu)線形變化與軌底標高直接相關(guān)。

3.1 吊桿張拉方案影響

為分析吊桿分次張拉對全橋橋面位移影響，建立兩個理想狀態(tài)下的模型進行對比，且張拉前存梁時間設(shè)置為3個月，兩種張拉方案如下。

方案一：15組吊桿同時張拉，且初張拉每根吊桿張拉力為50 kN(約20%)，二期鋪裝完成后，進行索力調(diào)整，一次張拉直接調(diào)整至設(shè)計張拉力大小，稱為一次張拉一次調(diào)整。

方案二：15組吊桿同時張拉，且初張拉每根吊桿張拉力為50 kN(約20%)，二期鋪裝完成后，進行索力調(diào)整，依次同時張拉至40%、60%、80%、100%(期間不考慮張拉力的損失，張拉力大小采用理論計算值)，稱為一次張拉分次調(diào)整。

3.1.1 梁面位移分析

僅考慮張拉吊桿引起的主梁豎向變形時，方案一和方案二主梁合計豎向位移大小如圖1所示。

圖1 不同張拉方案對梁面豎向位移的影響

由圖1可知，對于方案一，邊跨累計位移向下，最大位移處位于邊跨跨中，最大位移為-0.83 mm；中跨累計位移向上，最大位移處靠近跨中，最大位移為1.62 mm。對于方案二，邊跨累計位移向上，最大位移處位于邊跨跨中，最大位移為11.31 mm；中跨累計位移向下，最大位移處位于中跨跨中，最大位移為-57.03 mm。由圖1也可以得出，采用一次張拉一次調(diào)整方案時，梁面位移變化較小，采用一次張拉分次調(diào)整時梁面位移變化較大。

3.1.2 成橋線形分析

依據(jù)成橋分析，吊桿張拉前邊跨梁面高程高于設(shè)計標高，最大高程高于設(shè)計高程20.08 mm；中跨梁面高程低于設(shè)計高程，最低高程低于設(shè)計高程47.82 mm。吊桿初張拉后，邊跨梁面高程高于設(shè)計標高，最大高程高于設(shè)計高程17.43 mm；中跨梁面高程低于設(shè)計高程，最低高程低于設(shè)計高程33.59 mm。

當剩余吊桿力一次張拉調(diào)整，吊桿張拉完成后邊跨梁面高程高于設(shè)計標高，最大高程高于設(shè)計高程11.51 mm；中跨梁面高程低于設(shè)計高程，最低高程低于設(shè)計高程63.43 mm。當剩余吊桿力多次張拉調(diào)整，吊桿張拉完成后邊跨梁面高程高于設(shè)計標高，最大高程高于設(shè)計高程22.71 mm；中跨梁面高程低于設(shè)計高程，最低高程低于設(shè)計高程121.73 mm。吊桿張拉完成后，兩種張拉方案成橋線形如圖2所示。

圖2 不同張拉方案對成橋線形的影響

由圖2可知，兩種不同張拉方案對主橋線形影響不同，且差別較大。采用方案二吊桿拉力損失較大，線形與設(shè)計線形相差較大；采用方案一吊桿張拉力損失較小，且成橋線形更接近設(shè)計線形，也更利于后期鋪軌。因此，在實際施工中應優(yōu)化吊桿力張拉工藝，盡可能減少張拉次數(shù)。

3.2 存梁時間對軌底線形影響

存梁時間實質(zhì)是收縮徐變發(fā)生過程[8]。假設(shè)成橋1 000 d時主梁收縮徐變?nèi)客瓿?，某一齡期主梁關(guān)鍵截面梁頂面由收縮徐變引起的豎向總變形可以分為兩部分：當前存梁狀態(tài)下由于收縮徐變引起主梁豎向變形；當前存梁階段已經(jīng)發(fā)生的豎向變形量與成橋1 000 d豎向變形量差值，即豎向剩余變形量。

該橋設(shè)計要求成橋后存梁半年左右，然后進行軌道板等二期恒載施工；但由于工期原因，軌道板需要提前施工，這可能影響橋面最終線形進而影響鋪軌。以下考慮不同存梁時間，探討其對成橋線形的影響。

3.2.1 梁面位移分析

由于混凝土收縮徐變作用，梁面會產(chǎn)生豎向位移，且存梁時間不同梁面位移也不同[9]。吊桿初張拉及全橋剩余鋼束張拉完成后，開始進行存梁，考慮存梁時間最大為1 a。當僅考慮收縮徐變效應對梁面位移影響時，根據(jù)計算模型可知，不同存梁時間關(guān)鍵截面位移變化情況見表1(“+”值表示向上位移，“-”值表示向下位移，下同)。

表1不同存梁時間關(guān)鍵截面梁頂面豎向位移mm

存梁時間/月邊跨跨中中跨1/4截面中跨1/2截面中跨3/4截面邊跨跨中10.01-0.110.80-0.110.0120.06-0.261.41-0.260.0630.14-0.421.95-0.420.1440.21-0.582.43-0.580.2150.29-0.752.88-0.750.2960.37-0.913.29-0.910.3770.52-1.234.04-1.230.5280.67-1.554.71-1.550.67120.82-1.845.33-1.840.82

由表1可知，由于中跨跨徑遠大于邊跨跨徑，故存梁時間對邊跨豎向位移影響較小，對中跨豎向位移影響較大。當存梁時間為6個月時，邊跨跨中豎向向上位移為0.37 mm，中跨1/4截面豎向向下位移為0.91 mm，中跨跨中豎向向上位移為3.29 mm；其余截面豎向位移關(guān)于跨中位置對稱。根據(jù)計算可知，以中跨1/2截面為例，存梁第2個月主梁豎向位移相對變化量為(1.41 mm-0.80 mm)/1.41 mm=0.43，同理可得其他存梁時間下主梁關(guān)鍵截面梁頂面豎向位移相對變形量，不同存梁時間下主梁關(guān)鍵截面梁頂面豎向位移相對變形量見圖3。

圖3 主梁關(guān)鍵截面梁頂面豎向位移相對變化量

由圖3可知，當存梁時間為6個月時，由收縮徐變引起主梁豎向位移相對變化量逐漸穩(wěn)定且各截面相對變形量均小于22%，這與設(shè)計要求存梁時間一致，因此存梁時間為6個月的方案相對合理。但由于工期要求，實際施工中存梁時間縮短為2.5個月，由圖3可知，相對于設(shè)計要求，存梁縮短為2.5個月時各截面相對變形量較大，均大于31%，此時收縮徐變對梁面位移影響較大。

3.2.2 梁面剩余變形分析

吊桿調(diào)索和二期鋪裝結(jié)束后，假定混凝土1 000 d完成收縮徐變。根據(jù)計算模型，當僅考慮收縮徐變效應時，關(guān)鍵截面梁頂面豎向剩余變形見表2。

表2不同存梁時間關(guān)鍵截面梁頂面豎向剩余變形mm

存梁時間/月邊跨跨中中跨1/4截面中跨1/2截面中跨3/4截面邊跨跨中14.73-4.047.09-4.044.7324.68-3.896.48-3.894.6834.60-3.735.94-3.734.6044.53-3.575.45-3.574.5354.45-3.405.01-3.404.4564.37-3.244.60-3.244.3784.22-2.923.85-2.924.22104.07-2.613.18-2.614.07123.92-2.312.56-2.313.92

根據(jù)計算模型可知，以存梁6個月時中跨1/2截面剩余變形為基準，其存梁時間為1個月時主梁豎向剩余相對變形量為7.09 mm/4.60 mm=1.54，同理可得，當僅考慮收縮徐變效應時，關(guān)鍵截面梁頂面豎向相對剩余變形量見圖4。

圖4 主梁關(guān)鍵截面梁頂面豎向剩余相對變形量

由圖4可知，僅考慮收縮徐變時，存梁時間對邊跨剩余變形影響小，對中跨剩余變形影響大。存梁時間1個月時，邊跨跨中剩余變形是存梁時間6個月時剩余變形的108.7%，中跨跨中剩余變形是存梁時間6個月剩余變形的154.0%；存梁時間3個月時，邊跨跨中剩余變形是存梁時間6個月時剩余變形的105.3%，中跨跨中剩余變形是存梁時間6個月剩余變形的129.1%。存梁2.5個月時，除中跨1/2截面豎向剩余相對變形量較大，為135.0%，其余截面豎向剩余變形較小，均小于120.0%。綜上所述，當存梁時間為6個月時，各截面位移相對變形量和剩余相對變形量均較小。相對變形量越小，后續(xù)軌底線形精調(diào)就越方便且越精準，存梁時間為6個月的方案相對合理。

3.3 二期恒載對軌底標高影響

施工過程中，二期恒載會使梁面產(chǎn)生豎向位移，由于高速鐵路橋?qū)壝鏄烁咭蟾?，且一般要求在施工中不宜對軌道扣件、彈簧、墊板等進行調(diào)整(留作后期運營)，施工中調(diào)整二期鋪裝(主要是軌道板)可改善線形以滿足后期鋪軌。因此，根據(jù)現(xiàn)場實際高程，在允許范圍內(nèi)調(diào)整二期鋪裝，使成橋時軌面高程與設(shè)計高程更為吻合。

3.3.1 二期恒載的確定

橋面二期恒載重量包括鋼軌、扣件、軌道板、混凝土基座等線路設(shè)備重，以及防水層、人行道欄桿、防護墻、防拋網(wǎng)、電纜槽蓋板及豎墻等附屬設(shè)施重量。本梁為直線無聲屏障，設(shè)計給出的二期恒載集度為145 kN/m，通過調(diào)整軌道板厚度改變二期恒載分析其對梁面變形影響。不同模型二期恒載集度及軌道板厚度如表3所示，其中模型四為設(shè)計值。為了簡化問題，假設(shè)二期恒載引起軌道板厚度變化沿橋縱向相同。

表3 不同模型軌道板厚度及二期恒載

3.3.2 軌底標高分析

根據(jù)數(shù)值分析，不同軌道板澆筑厚度下，主梁關(guān)鍵截面梁頂面豎向變形見表4。

表4 二期恒載作用下主梁關(guān)鍵截面梁頂面軌面豎向變形mm

以軌道板厚度為500 mm對應的軌底標高為基準，即假設(shè)500 mm對應的軌底高程為0，那么以模型一為例，由于軌道板厚度不同引起相對向上變形量為25.28 mm -22.2 mm =3.08 mm，但軌道板厚度薄了60 mm，故軌底標高實際下降了56.92 mm。同理可得其余模型實際軌底標高變化量，不同軌道板厚度實際軌底標高變化見圖5(以中跨1/2截面為例)。

圖5 不同軌道板厚度對應中跨1/2截面實際軌底標高變化

由圖5可知，軌道板澆筑厚度與軌底標高基本呈線性變化。當軌道板鋪設(shè)厚度為440 mm時，中跨1/2截面對應軌底標高為-56.92 mm；當軌道板鋪設(shè)厚度為480 mm時，中跨1/2截面對應軌底標高為-18.97 mm；其余截面對應軌底標高關(guān)于中跨跨中截面對稱?？梢钥闯?，通過合理范圍內(nèi)調(diào)整軌道板厚度可以精調(diào)軌底標高。

4 現(xiàn)階段軌底線形精調(diào)建議

現(xiàn)場實際施工過程中，主梁合龍完成后存梁2個月，隨后進行拱肋拼接與吊裝；待拱肋吊裝完成后，在45 d內(nèi)進行鋼管拱混凝土灌注；之后2個月進行吊桿安裝以及初張拉；2.5個月后，進行橋面軌道板以及混凝土基座的鋪裝；最后調(diào)整吊桿張拉力值至設(shè)計要求。在調(diào)索完成后，立即對全橋軌底高程進行了測量，軌底現(xiàn)階段實測高程與設(shè)計高程差值對比情況如圖6所示。

圖6 軌底實測高程與設(shè)計高程差值對比

由圖6可知，除邊跨附近軌底實測高程高于設(shè)計高程外，其余位置軌底實測高程均略低于設(shè)計高程，最大高程差15.4 mm，位于中跨3/4截面附近，其余截面軌底高程差均小于15 mm。鑒于上述分析與實際線形，對于大橋靜態(tài)驗收前軌底線形精調(diào)，建議在鋪設(shè)軌道板的時候，可以通過調(diào)整每段里程對應軌道板厚度，以達到所需軌底標高的精度要求。

5 結(jié)論

(1)施工過程中，不同張拉方案對主橋線形影響不同，且差別較大。當采用分次張拉時，吊桿拉力損失較大，線形與設(shè)計線形相差較大，且分次越多，吊桿拉力損失越大；但當采用一次張拉時，吊桿張拉力損失較小，且成橋線形更接近設(shè)計線形，建議施工中采用吊桿一次張拉的施工方案。

(2)由于中跨跨徑遠大于邊跨跨徑，故存梁時間對邊跨豎向位移影響較小，對中跨豎向位移影響較大。但由于工期要求，實際施工中存梁時間縮短為2.5個月，此時收縮徐變對梁面位移影響相對較大，但仍處于可控范圍之內(nèi)，可通過最終軌底標高精調(diào)以保證順利鋪軌。

(3)僅考慮收縮徐變時，存梁時間對邊跨剩余變形影響小于對中跨剩余變形影響。存梁2.5個月時，各關(guān)鍵截面梁頂面豎向剩余相對變形量較小，處于可控范圍之內(nèi)，后續(xù)施工的高鐵線路軌底線形精調(diào)可通過調(diào)整軌道板或者扣件等方式進行精調(diào)。

(4)本橋除邊跨附近軌底實測高程高于設(shè)計高程外，其余位置軌底實測高程均略低于設(shè)計高程，最大高程差位于中跨3/4截面處附近，最大差值為15.4 mm，橋梁靜態(tài)驗收前軌底標高精調(diào)可通過調(diào)整軌道板厚度實現(xiàn)。