高速铁路连续梁桥徐变特性及施工控制要点分析

陈 麟

(中铁五局集团有限公司，贵阳 550002)

1 概述

由于高速铁路对预应力混凝土连续梁桥长期竖向变形有严格的要求，特别是竖向残余徐变变形。在施工过程中，征地拆迁、工期调整、气象、材料供应、施工设备、连续梁前后的简支梁制、架进展，沉降评估，CPⅢ测设，无砟轨道施工等相关因素的变化，均会直接或间接对连续梁桥的施工产生影响;另外，连续梁在悬臂浇筑周期、二期恒载上桥时间等方面，也会因种种因素影响而有较大的差异，从而使连续梁桥结构有不同的变形差异及残余徐变变形。这一情况既使在同一项目中的不同连续梁也普遍存在，如哈大客运专线铁路DK185+275～DK233+011段内的5座连续梁桥，计有(32+48+32)m、(40+56+40)m、2×(40+64+40)m、(60+100+60)m 4种跨径组合布置，分别位于西海特大桥(桥长25.6 km)和营海特大桥(桥长26.9 km)内，而这些连续梁前后均配有多跨简支箱梁。5座连续梁分别于2009年6～9月完成体系转换，并分别于2010年5～8月先后完成无砟轨道的施工，连续梁合龙后至二期恒载上桥平均有8～10个月的时间。

2 连续梁桥徐变特性及阶段变形分析

2.1 数值分析模型

以营海特大桥跨营盘高速公路匝道(60+100+60)m连续梁桥为例，其跨径布置、主梁截面及分析模型如图1、图2所示，桥梁位于7‰纵坡上。由于本文以桥梁纵向分析为主，所以主梁及桥墩均以梁单元进行模拟。为如实反映结构实际情况，桥面纵坡、桥墩等均按实际情况建模，T构悬臂浇筑期间墩梁临时固结，体系转换后桥梁支座(固定、纵向、横向、多向)上、下座板分别与主梁底、桥墩顶刚结，支座上下座板间则按厂商提供的各方向刚度以弹性连接考虑，现浇段支架、合龙段临时锁定等按施工组织设计要求指定，二期恒载按120 kN/m、施工挂篮及其附属荷载按800 kN计。

图1 (60+100+60)m连续梁布置示意(单位:cm)

图2 全桥分析模型

主梁按截面变化、支点及隔板位置、悬臂浇筑梁段长等因素共划分为90个单元，而桥墩则按截面变化划分。

2.2 按设计图条件计算的静力分析

按照国内平均施工水平，主梁0号块35 d，节段施工周期12 d/节段，边跨现浇段因可与T构并行施工，故只考虑其合龙段施工1 d(但计入实际加载龄期)，中跨合龙段15 d，所有主梁的预应力加载龄期按设计要求≥5 d考虑，T构间不考虑时间差，全桥合龙后60 d加载二期恒载，按此参数计算后所得结果如表1所示［1]。

表1 连续梁部分计算结果［注1]

由图3可知，中跨中截面60 d徐变拱度增量为6.8 mm，二期恒载前后的拱度增量为-15.2 mm，残余徐变拱度为6.1 mm。

图3 按平均周期计算的中跨中拱度时程

2.3 按实际工况的分析

在实际工况分析中，为了与实测情况进行对照，考虑了该连续梁的实际施工周期，即当168号主墩施工完2号梁段、169号主墩施工完1号梁段时，已经进入冬休期，因种种因素无法提供完善的冬季施工条件而停工，直至冬休结束才继续进行主梁的悬臂浇筑施工。因此在这2个梁段后考虑了3个月(冬休期)的徐变时间;2个T构实际完成的时间差在3 d以内，故未考虑T构间的时间差;由于该桥桥梁全长约26.9 km，又分属2个单位施工，因简支梁部分的施工进度、征地拆迁等因素影响，故其中许多连续梁二期恒载上桥时间均远大于60 d的最小要求，而该连续梁是时隔259 d才开始施工二期恒载;环境相对湿度按当地气象部门统计的年平均值采用;C50混凝土强度及弹性模量发展则按工地试验室统计出的5～56 d各级平均强度、弹性模量拟合后采用。

由图4可知，中跨跨中截面从全桥合龙至徐变259 d，其徐变拱度增量为13.0 mm;二期恒载完成前后的拱度增量为-14.8 mm;残余徐变拱度为3.3 mm。

图4 按实际周期计算中跨中拱度时程

图5则是徐变259 d时间内，从2009-06-28～2009-11-29约5个月时间，中跨跨中截面徐变拱度计算值与实测值的比较，其后期差异主要是无砟轨道施工前连续梁桥上堆放部分材料所致。

图5 二恒上桥前中跨中拱度实测变化

2.4 主要影响因素分析

2.4.1 环境温、湿度

在东北地区施工主要受冬休期的影响，特别是营口地处渤海湾，冬季桥梁高处寒风凛冽，无法提供冬季施工条件。如果刚好处于悬臂施工期间，一般均停工以待开春达到施工条件时才继续施工，这样已施工梁段的徐变以及后续施工梁段的拱度与正常周期施工的拱度就有差异，并最终影响主梁拱度。标准设计与具体施工的差异，通过图3、图4对比可知，这种影响主要是量值上的差异，而拱度变化规律则是相同的。

所以，对于东北地区而言，一般情况下，主梁悬臂浇筑应尽量安排在2个冬季之间完成体系转换。而一个不容忽视的较为普遍的现实是，在合同的执行过程中，业主通常以合同乙方是有经验的承包商为由，要求这些控制工期的工程必须在规定时限内完成。

2.4.2 预应力加载龄期

图6为加载龄期分别为3、5、7 d时徐变发展系数的对比［注2](相对湿度70%，相对尺寸≥0.6 m)。由图中可知，3 d加载预应力与5 d、7 d加载预应力相比较，其终极徐变值将分别增大5.3%、11.1%。

图6 不同加载龄期徐变系数比较

针对因各种因素而普遍加快工期的情况，连续梁的节段施工周期势必缩短才能满足要求。一个主梁节段的主要施工工序大体上可分为:挂篮移动→立模、扎筋→浇筑混凝土→预应力张拉。例如，当设计要求预应力加载的龄期为7 d时，最小的悬臂施工周期是:1对梁段/12 d，扣除7 d龄期后仅有5 d时间来完成上述4个工序(每天24 h作业)。当这些工序都优化调整到位后，缩短混凝土的预应力加载龄期就成了缩短施工周期的一个无奈的选项。由分析可知，虽然3 d与7 d加载龄期相比可以节约4 d时间，且对残余徐变拱度值影响甚小，但徐变完成时仅徐变拱度一项将会增大11.1%。

按目前国内客运专线连续梁桥设计图纸一般要求，预加应力时须满足混凝土强度和弹性模量达到设计值的95%以上，同时混凝土龄期必须大于5 d(如哈大客运专线沈大段)，或7 d(如沪昆客运专线长杭段)的条件。随着混凝土施工水平的提高，经过精心的配比设计、完善的施工保障以及良好的现场养护条件，高性能混凝土一般可以在3 d龄期时达到设计要求预加应力时的强度和弹性模量条件，现场施工人员虽然对这2个条件较为重视，却往往无意或被动地忽视预应力加载龄期这一条件。

另一方面，由于混凝土的强度和弹性模量要在3 d龄期达到95%的设计值，需要良好、持续的施工条件保障(混凝土配制、运输、浇筑、环境温湿度、养护等)，而现实的情况是:现场的施工条件往往不可能持续具有100%的保证率。这也意味着，可能有部分节段混凝土在3 d龄期加载预应力时达不到95%设计强度和弹性模量的要求，因而会造成较大的初期弹性变形以及徐变收缩变形。从图6可知，在相同条件下，7、5、3 d预应力加载龄期的终极徐变系数分别为1.733 1、1.829 4、1.925 7。所以，对于工程技术人员而言，认识到这3个条件的相互关系及其重要性是必要的。

2.4.3 二期恒载上桥时间

分析表明，随着二期恒载上桥时间的后延，残余徐变变形呈减小之势。而现场施工二期恒载前，必须通过无砟轨道铺设条件评估，其二期恒载上桥时间必定大于设计要求，所以这一条件均能得到满足。

就本案例来说，由于桥梁全长26.9 km，其中连续梁上的无砟轨道施工有一个较长的等待时间，实际连续梁二期恒载上桥时间为全桥合龙后259 d。

分析同时也表明，二期恒载上桥时间不同，桥梁的最终竖向变形和残余徐变变形均会随之变化，预拱度的设置应考虑这种变化。但由于桥梁的线形控制是在悬臂浇筑阶段实现的，对于以后二期恒载什么时间上桥并不能确定，这样就给桥梁线形控制带来了不确定性。

2.5 施工控制要点

2.5.1 保持正常的施工节奏

保证了正常的施工节奏，也就保证了桥梁线形控制有良好的质量。尽管这个道理尽人皆知，但越是浅显易明的事实越是容易遭遇忽视。我们从来不缺乏设计规范、施工规范、质量验收标准、实施性施工组织方案以及相应的监理程序;但往往缺乏的是，与工程实施密切相关的单位在执行这些规定过程中的严谨、认真和始终如一。

2.5.2 环境温、湿度的影响

我国幅员广阔，各地气候差异极大，所以，合理避免与极端气候条件产生不利组合是必要的。收集当地历年气象资料并进行必要的整理分析，然后及时与获取的当地短期气象资料进行综合研判后制定相应的施工组织方案和桥梁线形监控程序，必要时尚应考虑应对偶然事件的预案，这对桥梁线形控制及残余徐变变形能否达到设计目标来说，是非常重要的。

图7以湿度变化为例，经理论计算，对同一主梁截面，当环境年平均相对湿度分别为RH=80%与RH=65%时，主梁的徐变发展系数及其终极值均发生了变化。虽然徐变系数终极值仅相差0.9%，但在主梁施工期间(相当于图7(b)中时间坐标的0～573 d，约1年半时间)，2种徐变发展系数在同一时刻相差5.5%～8.0%，平均达到了7.2%。

图7 不同相对湿度徐变系数比较

2.5.3 严格控制预应力加载龄期

这一点主要针对连续梁桥预应力加载中最容易忽视加载龄期的现象而提出。从图6可以知道，不同的加载龄期将会给桥梁竖向变形带来很大的影响。

2.5.4 尽量准确掌握二期恒载上桥时间

在控制好以上因素的基础上，准确控制二期恒载上桥时间就成了桥梁线形控制以及残余徐变拱度能否达到设计要求的关键所在。下面分两方面叙述:

首先，虽然铁道部已明确提出“任何单位和个人不得随意压缩工期”，但基本建设领域中，在各相关方利益的驱动下，压缩工期的动力依然存在。而桥梁实施的主体是承包商，所以要求实施主体来确定不由自己掌控的事项是有困难的。在这样的条件下，工程技术人员只能在桥梁线形控制实施前，尽量了解二期恒载上桥的可能时间，从而制定出有条件的合理施工组织安排和桥梁线形控制方案。

其次，二期恒载的实施并非一次完成。这里牵涉到土木建筑、轨道铺设、电力、通信信号等诸专业、不同合同主体在桥上狭长通道内的交叉作业。在铺轨后，一部分桥梁栏杆、接触网支柱、声屏障等仍在持续进行安装的现象是存在的，特别对于数十千米的长大桥梁，则更是如此。鉴于无砟轨道扣件调整量十分有限的事实，从理论上来说，应考虑轨道铺设后仍在实施的恒荷载对桥梁竖向变形的影响。与此同时，在工程实践中也不能完全杜绝少部分二期恒载的内容持续到轨道铺设以后，这些少数恒载因项目条件的不同而具有较大的随机性，很难作出一个较为准确的评估。因此，尽量将二期恒载实施的内容安排在轨道铺设前完成就成了较佳的选择;或者考虑将部分必定在轨道铺设后发生的恒载作为后期恒载计算，从设计上来解决这一问题。

3 结语和建议

基于高速铁路对轨道静、动态变形的严格要求，只有在施工中严格遵照设计图纸、规范、验收及评估标准的每一步要求，结合具体施工条件制定合理的施工组织并认真执行的基础上所完成的结构工程才能达到设计要求。因此，对于在连续梁桥工程中上述容易被忽视的这些影响因素，则更应引起警觉。

目前高速铁路连续梁桥在主梁线形控制中，是否考虑静活载反拱的问题并无统一规定，这样就使得实际线形控制因人而异。据了解，有的项目在成桥预拱度中考虑1/2静活载反拱，而有的则考虑2/3静活载反拱。这些作法基本上参照了公路桥涵设计规范的规定，但实际应用中则又有不小的差别。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)第6.5.5条之规定，“1 钢筋混凝土受弯构件…;2)当不符合上述规定时应设预拱度，且其值应按结构自重和1/2可变荷载频遇值计算的长期挠度值之和采用。2 预应力混凝土受弯构件 …;2)当预加应力的长期反拱值小于按荷载短期效应组合计算的长期挠度时应设预拱度，其值应按该项荷载的挠度值与预加应力长期反拱值之差采用。”显然，目前高速铁路连续梁桥的预拱度设置是自主性地部分参照了JTG D62—2004的相应规定。

为避免这种无序状态，建议在《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10621—2009)中增加预拱度设置的相应条款。

［1]中华人民共和国铁道部.TB 10621—2009 高速铁路设计规范(试行)［S].北京:中国铁道出版社，2009.

［2]中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S].北京:中国铁道出版社，2005.

［3]中华人民共和国铁道部.铁建设［2007]47号 新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定［S].北京:中国铁道出版社，2007.

［4]中华人民共和国交通部.JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S].北京:人民交通出版社，2004.

［5]中华人民共和国铁道部.铁建设［2006]158号 客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南［S].北京:中国铁道出版社，2006.

［6]铁道部经济规划研究院.通桥(2008)2368A-Ⅴ、HD 无砟轨道现浇预应力混凝土连续梁(双线)60+100+60 m［S].北京:铁道部经济规划研究院，2008.

［7]乔 健，陈良江.铁路预应力混凝土桥梁收缩徐变控制技术探索［J].铁道标准设计，2007(6):1-5.

［8]陈 麟.哈大客运专线TJ-1标6、7号梁场简支箱梁徐变特性研究［J].铁道标准设计，2010(5):43-46.

［9]范立础.预应力混凝土连续梁桥［M].北京:人民交通出版社，1988.

［注1]悬臂浇筑计算中，假定沿前一梁段的切线方向新增下一梁段。因此，梁段在未加载任何荷载的情况下就已经产生了假想位移。本文中所有位移计算均扣除了假想位移，故位移量值与设计图纸略有不同。

［注2]因《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)没有关于徐变发展系数的计算规定，故按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)和铁建设［2007]47号《新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定》推荐的公式计算。