高速鐵路剛構矮塔斜拉橋徐變影響因素分析

王鴻飛

(中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070)

近年來，矮塔斜拉橋以其剛度大，施工方便、經濟性好的優(yōu)點，在高速鐵路領域得到廣泛應用[1-2]。目前，建成或在建的高速鐵路矮塔斜拉橋主要有商合杭鐵路(94.2 m+220 m+94.2 m)穎上特大橋、黃岡至黃梅鐵路(108 m+200 m+200 m+108 m)巴河特大橋、贛深客專(136 m+260 m+136 m)劍譚東江特大橋、池黃高速鐵路(48 m+118 m+2×228 m+118 m+48 m)太平湖特大橋[3-4]等。

高速鐵路對線路的平順性要求遠高于普通鐵路，對于無砟軌道，沒有道砟來調節(jié)軌道高度，后期只能通過扣件調整，由于扣件可調節(jié)量有限，后期調軌困難，所以必須嚴格控制鐵路后期變形[5-6]。因而大跨度無砟軌道橋梁的工后徐變成為計算過程中的主要控制因素之一，在規(guī)范中對工后徐變的數值進行了嚴格的規(guī)定。

1 工程背景

1.1 工程概況

本文依托工程為新建淮北-宿州-蚌埠城際鐵路淮河特大橋主橋，為剛構體系矮塔斜拉橋，計算跨徑為(124 m+248 m+124 m)，全長497.5 m，為塔梁墩固結體系。橋面板寬14.3 m，塔梁墩固結處局部加寬至18.3 m。

主墩采用雙薄壁實體截面，順橋向寬度2.7 m，雙薄壁間距3.6 m，橫向寬度15.5 m。主墩承臺順橋向×橫橋向×厚度為21.6 m×21.6 m×6 m，樁基礎采用16根直徑2.8 m鉆孔灌注樁，按柱樁設計。

邊墩采用圓端形實體橋墩，墩底截面尺寸4.0 m×14.2 m(順橋向×橫橋向)，承臺尺寸8.4 m×18.8 m×4.0 m(順橋向×橫橋向×厚)，基樁采用8根直徑2.0 m 的鉆孔灌注樁，按柱樁設計。橋型布置圖見圖1。

圖1 淮河特大橋主橋橋型布置圖(單位：cm)

1.2 主橋截面設計

梁體截面為單箱雙室、變高度、變截面箱梁，頂板、底板、腹板局部向內側加厚，按線性變化。中支點截面梁高為13.0 m，跨中直線段及邊跨直線段梁高6.0 m，梁底下緣按二次拋物線變化。橋面以上塔高47.1 m，最上排斜拉索理論錨固點距離橋面44 m，塔梁高跨比為1/5.636。主橋箱梁截面見圖2和圖3。

圖2 箱梁跨中等截面圖(單位:cm)

圖3 箱梁變截面圖(單位:cm)

1.3 有限元模型

采用有限元軟件midas Civil建立空間桿系計算模型。主梁、橋塔、橋墩和承臺、樁均采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型

2 徐變系數及延續(xù)期選取

橋梁徐變系數取值，國內主要規(guī)范依據有TB 10092-2017 《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》(以下稱《TB 10092規(guī)范》)和JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(以下稱《JTG 3362規(guī)范》)。

《TB 10092規(guī)范》中規(guī)定徐變系數計算方法如式(1)。

φ(t,τ)=βa(t)+0.4βd(t-τ)+φf[βf(t)-βf(τ)]

(1)

式中：φ(t,τ)為徐變系數；βd(t-τ)為隨時間增長的滯后彈性應變；φf為流塑系數；βf(t)、βf(τ)為隨混凝土齡期增長的滯后塑性應變，與理論厚度有關。

其中，βa(t)計算方法見式(2)。

(2)

式中：fτ為混凝土齡期為τ的強度；f∞為最終強度。

計算齡期與加載齡期差值大于1 000 d后，混凝土強度變化引起應變和滯后彈性應變?yōu)槌Ａ?，塑性應變隨著時間的增加繼續(xù)增大。

《JTG 3362規(guī)范》中規(guī)定徐變系數計算方法見式(3)。

φ(t,t0)=φ0·βc(t-τ)

(3)

式中：φ(t,t0)為加載齡期為t0時，計算考慮齡期為t時的混凝土徐變系數；φ0為名義徐變系數；βc(t-τ)為加載后徐變隨時間發(fā)展系數。

《JTG 3362規(guī)范》規(guī)定延續(xù)期為10年。根據熊志朋等[5]的研究，實測跨中徐變與規(guī)范值吻合較好。

針對(124 m+248 m+124 m)矮塔斜拉橋徐變系數及延續(xù)期，分別按3種方案進行計算。

方案一：采用公路《JTG 3362規(guī)范》延續(xù)期10年。

方案二：采用鐵路《TB 10092規(guī)范》延續(xù)期1 000 d。

方案三：采用鐵路《TB 10092規(guī)范》延續(xù)期10年。

計算結果見圖5。

圖5 不同規(guī)范及延續(xù)期徐變

由圖5可以得到以下結論：

①鐵路規(guī)范延續(xù)期10年工后徐變最大，為跨中-19.4 mm(負號表示方向向下，后同)；②鐵路規(guī)范延續(xù)期1 000 d與公路規(guī)范延續(xù)期10年跨中工后徐變接近，分別為-14.1 mm和-14.7 mm。

3 徐變影響因素分析

矮塔斜拉橋塔高、索力、無索區(qū)長度，以及預應力均會影響結構的受力狀態(tài)，進而影響結構的徐變。

3.1 塔高對徐變影響

隨著橋塔高度增加，拉索的傾角增大，其豎向支承能力提高。針對本橋最外排斜拉索理論錨固點距離橋面不同，設計比較了4種方案。

方案一：索塔高度40.0 m。

方案二：索塔高度42.0 m。

方案三：索塔高度44.0 m。

方案四：索塔高度46.0 m。

徐變計算結果見圖6。

圖6 塔高-徐變影響圖

由圖6可以得到以下結論。

①矮塔斜拉橋索塔高度的變化對跨中徐變影響明顯，在索塔40～46 m范圍內，隨著矮塔斜拉橋塔高度增加，跨中彎矩減小，上翼緣應力減小，下翼緣應力增加，跨中工后徐變變小。塔高增加15%，徐變減少52.7%。

②索塔高度的變化對邊跨徐變影響不明顯。

③在滿足拉索疲勞性能要求和橋塔受力合理的前提下，可以通過增加矮塔斜拉橋塔高減小跨中工后徐變。

3.2 索力對徐變影響

隨著斜拉索索力增加，拉索承擔的豎向荷載比例隨之增大。保持斜拉索根數及面積不變，改變斜拉索索力，設計了3種方案進行比較。

方案一：90%斜拉索索力。

方案二：1.0倍斜拉索索力。

方案三：1.1倍斜拉索索力。

徐變計算結果見圖7。

圖7 斜拉索索力-徐變影響圖

由圖7可知，矮塔斜拉橋索力對跨中工后徐變影響明顯。隨著斜拉索索力的增加，跨中彎矩減小，上翼緣應力減小，下翼緣應力增加，徐變降低。索力增加22.2%，工后徐變減少73.5%。當索力增加到一定數值時，跨中工后徐變由下撓變?yōu)樯瞎啊?/p>

3.3 無索區(qū)長度對徐變影響

矮塔斜拉橋無索區(qū)比一般斜拉橋要長，主梁有3處無索區(qū)，即邊跨無索區(qū)、塔旁無索區(qū)和跨中無索區(qū)。針對本橋無索區(qū)長度，保持斜拉索根數及索力不變，設計比較以下3種方案。

方案一：塔旁無索區(qū)長度50.2 m，邊跨無索區(qū)長度26.9 m，跨中無索區(qū)長度53.8 m。

方案二：塔旁無索區(qū)長度66.2 m，邊跨無索區(qū)長度18.9 m，跨中無索區(qū)長度37.8 m。

方案三：塔旁無索區(qū)長度82.2 m，邊跨無索區(qū)長度10.9 m，跨中無索區(qū)長度21.8 m。

徐變計算結果見圖8。

圖8 跨中無索區(qū)長度-徐變影響圖

由圖8可知，矮塔斜拉橋跨中無索區(qū)長度對中跨工后徐變影響明顯。跨中工后徐變隨跨中無索區(qū)的長度縮短而減小。當跨中無索區(qū)長度減小到一定數值時，跨中工后徐變由下撓變?yōu)樯瞎??？缰袩o索區(qū)長度減少40.5%，跨中工后徐變減少77.6%。

3.4 預應力鋼束對徐變影響

預應力鋼束通過改變截面應力分布影響徐變。預應力鋼束分為腹板鋼束、邊跨底板鋼束、中跨底板鋼束、中支點頂板鋼束及邊跨頂板鋼束。

3.4.1腹板預應力鋼束對徐變影響

保持張拉應力不變，修改腹板預應力鋼束的面積。對以下3種方案進行比較。

方案一：采用80%腹板預應力鋼束面積。

方案二：采用實際腹板預應力鋼束面積。

方案三：采用1.2倍腹板預應力鋼束面積。

計算結果見圖9。

由圖9可知，腹板束的變化對跨中徐變影響不明顯，隨著腹板預應力鋼束面積增加，梁體跨中徐變略有減小。

3.4.2邊跨底板預應力鋼束對徐變影響

保持張拉應力不變，改變邊跨底板鋼束的面積。對以下3種方案進行研究。

方案一：采用80%邊跨底板預應力鋼束面積。

方案二：采用實際邊跨底板預應力鋼束面積。

方案三：采用1.2倍邊跨底板預應力鋼束面積。

計算結果見圖10。

圖10 邊跨底板預應力鋼束-徐變影響圖

由圖10可知，邊跨底板束的變化對跨中徐變幾乎無影響。

3.4.3中跨底板預應力鋼束對徐變影響

保持張拉應力不變，修改中跨底板預應力鋼束的面積。按以下3種方案進行比較。

方案一：采用80%中跨底板預應力鋼束面積。

方案二：采用實際中跨底板預應力鋼束面積。

方案三：采用1.2倍中跨底板預應力鋼束面積。

計算結果見圖11。

圖11 中跨底板預應力鋼束-徐變影響圖

由圖11可知，中跨底板預應力鋼束的變化對跨中工后徐變影響明顯。跨中工后徐變隨中跨底板預應力鋼束面積增加而減小。中跨底板預應力鋼束面積增加50%，跨中工后徐變減少38.7%。

3.4.4中支點頂板預應力鋼束對徐變影響

保持張拉應力不變，修改中支點位置頂板預應力鋼束的面積。按以下3種方案進行比較。

方案一：采用80%中支點頂板預應力鋼束面積。

方案二：采用實際中支點頂板預應力鋼束面積。

方案三：采用1.2倍中支點頂板預應力鋼束面積。

計算結果見圖12。

圖12 中支點頂板預應力鋼束-徐變影響圖

由圖12可知，中支點頂板預應力鋼束的變化對跨中工后徐變影響明顯?？缰泄ず笮熳冸S頂板預應力鋼束面積增加而減小。中跨底板預應力鋼束面積增加50%，跨中工后徐變減少41.7%。

3.4.5邊跨頂板預應力鋼束對徐變影響

保持張拉應力不變，修改邊跨頂板預應力鋼束的面積。設計比較了3種方案。

方案一：采用80%邊跨頂板預應力鋼束面積。

方案二：采用實際邊跨頂板預應力鋼束面積。

方案三：采用1.2倍邊跨頂板預應力鋼束面積。

計算結果見圖13。

圖13 邊跨頂板預應力鋼束-徐變影響圖

由圖13可知，邊跨頂板預應力鋼束面積的變化對跨中工后徐變影響甚微。

4 結語

高速鐵路無砟軌道對工后徐變有著嚴格的要求，大跨度橋梁的工后徐變控制對結構尺寸的擬定和設計影響甚大。本文通過分析得到了針對剛構矮塔斜拉橋的如下結論。

1) 鐵路規(guī)范采用1 000 d延續(xù)期與公路規(guī)范采用10年延續(xù)期計算所得跨中徐變接近，鐵路橋涵計算采用1 000 d延續(xù)期計算較為合理。

2) 在滿足結構設計合理的條件下，可以增加斜拉橋塔高、提高索力和減小跨中無索區(qū)長度，改善結構跨中的受力狀態(tài)，增加下翼緣應力，進而減小矮塔斜拉橋跨中徐變。

3) 適當增加中支點頂板預應力鋼束和跨中底板預應力鋼束，可以改善矮塔斜拉橋跨中截面應力，進而達到減小跨中徐變的目的。