跨座式单轨PC 轨道梁线形影响因素分析

胡国华

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

跨座式单轨交通轨道梁兼具承重梁和导向轨的双重功能。 这种“梁轨合一”的特性也使得其被誉为跨座式单轨交通系统的三大关键技术之一[1-2]。

传统的地铁、轻轨等轮轨式轨道交通中，列车车辆运行的轨道线形可通过轨道层(道砟和钢轨)进行调整，故其对结构几何尺寸或安装精度的要求相对较宽松，且对结构的线形精度没有具体要求[3-4]。

跨座式单轨交通中，单轨车辆环抱轨道梁运行，若梁宽误差较大，将引起车辆运行困难或不能运行。 轨道梁上表面和两个侧面的不平整度超限，将会极大地增加单轨车辆轮胎的磨耗，导致其运营维护费用增加，还会严重影响乘坐的舒适性和安全性。 因此，必须对轨道梁的水平及垂直线形做出严格要求。

已有部分学者对轨道梁的线性精度控制进行了相关研究。 余洋对轨道梁的制造工艺、原材料、配合比、施工过程的质量控制等方面进行了分析[5]，王贵明研究了PC 轨道梁线形控制的模板拼装技术[6]，赛铁兵等对PC 轨道架设过程中的线形调整方案进行了探索，这些研究从不同方面对PC 轨道梁的线形控制进行了分析[7-10]，但未对PC 轨道梁各变形因素进行定量研究。 因此，对影响PC 轨道梁线形的各种因素进行研究仍具有重要意义。

1 概述

线路不平顺会使车辆在运行过程中出现上下颠簸或左右摇晃等不平稳状况，严重影响行车质量和旅客出行体验。 《跨座式单轨交通施工及验收规范》(GB50614—2010)对轨道梁的制造和安装精度有明确、严格的要求:走行面、导向面、稳定面的线形精度为不大于L/2 000 mm(L 为梁长)[11]。

预应力混凝土结构具有刚度大，车辆冲击、振动效应小等优点;其表面与车辆轮胎间有足够的摩擦力，且混凝土材料耐久性好，不易受外部环境侵蚀，运营期基本不需养护维修。 因此，跨座式单轨交通大多采用预应力混凝土轨道梁(即PC 轨道梁)[12]。

PC 轨道梁是由混凝土、预应力筋、普通钢筋等组成的一种非匀质弹塑性材料，其结构变形与混凝土的收缩、徐变、应力状况、龄期及材料的均匀性等多种因素有关。 以25 m 简支PC 轨道梁为例，对影响PC 轨道梁变形的各因素进行分析。

2 线形影响因素

2.1 收缩徐变

混凝土收缩是指在混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象，主要包括水泥水化凝结导致的自生收缩和环境干燥所产生的干燥收缩。

徐变是指在持续荷载作用下，混凝土结构变形随时间不断增加的现象。 随着时间的延长，徐变越来越大，一般情况下，徐变较瞬时弹性变形大1 ～3 倍。 对于预应力混凝土结构，混凝土徐变还会引起预应力损失。

混凝土的徐变形态较复杂，影响因素也很多。 通过多年的研究，建立了不同的混凝土徐变预测计算模型[13-14]。 一般认为，混凝土徐变的影响因素有以下几项[15-16]。

①水灰比:混凝土中水与水泥的用量是影响徐变的主要因素，一般而言，徐变随混凝土水灰比的降低而减小。

②骨料:混凝土内骨料对水泥的变形起约束作用，骨料的弹性模量越小，或骨料含量越小，则徐变越大。

③加载龄期:开始时徐变发展最快，以后逐渐减慢，结构承受荷载后的龄期对徐变的影响很大，随着加载龄期的增大，徐变将有显著的降低。

④养护条件:养护时的温度与湿度都会影响水泥的水化速度和水化程度。 水化程度愈高，水泥凝胶体的密度也愈高，混凝土的强度和弹性模量也愈高，徐变则愈低。

⑤构件尺寸:构件的形状和尺寸对徐变也有影响，一般认为试件的尺寸越小，徐变越大。 随着构件尺寸的增大，混凝土收缩徐变的效应将有所降低。

⑥工作环境:工作环境的相对湿度是影响混凝土徐变的重要因素之一。 对于某种给定的混凝土来说，相对湿度越低，徐变就越大。

⑦应力状态:混凝土的徐变与应力水平有关。 当混凝土应力不大于0.5fc时为线性徐变，即徐变与应力成正比。 大于0.5fc时为非线性徐变。

2.2 弹性模量

在弹性极限限度内，材料的应力与应变的比值被称为弹性模量。 弹性模量是混凝土力学性能的一个重要参数，可表征在外力作用下材料结构产生变形的难易程度，弹性模量值越大，变形就越小。 对于PC 轨道梁梁体混凝土来说，除了控制其强度外，还要对其弹性模量进行特别规定。 为控制轨道梁的变形，提高结构的刚度，设计中要求梁体C60 混凝土的弹性模量(Ec)应不小于3.75×104MPa。

混凝土是一种非均匀的弹塑性材料，要得到满足要求的混凝土，需在施工中采用优质的砂石与水泥、合适的外加剂以及合理的施工配合比。

2.3 预应力

通过张拉预应力筋可抵消结构自重和梁上所承受的荷载，预应力的作用使截面在受压的同时产生偏心弯矩。 偏心弯矩会使结构产生挠曲变形，导致结构上拱，若对预应力产生的反拱变形预估不足(造成过分的反拱)，可能导致结构因变形过大而影响正常使用，甚至产生裂缝等不利情况[17]。

对于预应力筋，受多种因素的影响，在张拉、锚固和整个使用过程中，其预应力值会不断减小，产生预应力损失，设计时应予以考虑。 扣除预应力损失之后的有效预应力过大或过小对结构都是不利的[18]。

预应力损失与许多因素有关，在预应力筋的计算时，一般应考虑下列因素引起的预应力损失:锚口、喇叭口摩擦;预应力筋与孔道壁之间摩擦;锚具变形、预应力筋回缩;混凝土弹性压缩;预应力筋松弛;混凝土收缩徐变等。

在预应力混凝土结构中，预应力筋的张拉应力控制直接影响预应力的使用效果。 因此，预应力筋的张拉施工通常采取双控措施，即预加应力值以油表读数为主，以预应力筋伸长量作校核。

考虑材料、设备、管道摩阻等各项损失，实测伸长量与设计理论伸长量允许有不超过±6%的偏差。 这也使得实际的预应力效果与理论计算有所不同。

2.4 施工影响

轨道梁预制施工中，不可避免地会产生一定的放样误差。 轨道梁截面为中空，需设置内模，内模加工误差也会影响截面尺寸，由此产生的结构自重偏差会对结构变形产生影响。 另外，不同材料和构造的内模也会对结构自重产生一定的影响。

预应力管道一般采用波纹管，预应力钢筋穿入相应孔洞后形成预应力筋管道。 施工中可能产生定位偏差，进而影响预应力效果。

张拉:轨道梁预应力筋分两批进行张拉，龄期4 d时张拉第一批，龄期14 d 时张拉第二批。

养护:混凝土养护是指人为造成一定的湿度和温度条件，使混凝土得以正常硬化和强度增加的过程。浇筑完成后的混凝土必须经一定的养护时间才能达到设计强度和弹性模量。

2.5 可调式模板

为适应各种复杂的梁体线形，采用了专用的高精度可调式模板及配套设备。 模板系统主要由侧模、底模台车、端模三大部分组成。

预制施工采用流水作业。 首先按照制作工法指导书的要求，进行台车放线、钢筋绑扎，以及内模及各种预埋管件的安装。 待梁体钢筋骨架成型后安装端模。根据工法指导书的要求，进行侧模的拉、压量调节及安装。

模板系统及其调整精度对确保轨道梁的线形至关重要，尤其是侧模调整对轨道梁工作面的线形更是有着直接影响。 《跨座式单轨交通施工及验收规范》(GB50614—2010)中对模板系统的总装精度、零调整、台车放线、端模安装、侧模调整有着严格的要求。

2.6 安装架设

预制好的PC 轨道梁必须经过精确的线形调整，修正桥墩施工和轨道梁制造过程中产生的误差，把单榀的轨道梁顺序连接成圆顺、连续的线路。

PC 轨道梁的铸钢拉力支座在顺桥向、横桥向、纵桥向均留有一定的调整量，通过支座凸轮板下的调整垫片可以调整轨面高程、横坡。 纵向和横向移动PC轨道梁，可以调整梁缝、线间距及梁端连接处的平曲线和竖曲线矢高。

轨道梁的线形调整应在架设一定数量的轨道梁以后进行，平曲线段应从圆曲线部分向两端延伸调整，以消除横坡累计误差。

架设安装过程中，可通过调整支座来调整线形，消除一定程度内的施工误差，使线路线形符合设计技术要求。

3 变形影响分析

3.1 计算条件

选取25 m 简支PC 轨道梁进行理论计算分析。轨道梁为空心矩形截面，两端及中间设横隔板(见图1)。

梁高1.600 m，梁宽0.69 m，单侧梁缝取0.025 m，支点距梁端0.385 m，计算跨度为24.18 m。 梁体混凝土强度等级为C60，弹性模量Ec=3.75×104MPa。

采用强度级别为1 860 MPa 的低松弛预应力钢绞线，2 列6 孔形式布置(见图2)，分两批进行张拉。 龄期4 d 张拉第一批预应力筋，要求的混凝土弹性模量为3.45×104MPa，龄期14 d 张拉第二批预应力筋，要求的混凝土的弹性模量为3.75×104MPa。

图1 轨道梁轮廓(单位：mm)

图2 轨道梁预应力钢束布置(单位：mm)

3.2 计算结果

对PC 轨道梁的线形影响因素进行分析，考虑以下方面的偏差。

①结构自重:因预拱度、线形、内模加工误差、尺寸放样、模板调整偏差等引起的截面尺寸变化导致的结构自重偏差。

②预应力管道:定位网偏差、管道安装偏差引起的预应力管道位置偏差。

③预应力筋:材料、设备、管道摩阻等各项损失引起的有效预应力偏差(可通过超张或少张来模拟)。

④弹性模量:原材料、配合比、施工工艺等波动引起的弹性模量变化，按初张拉、终张拉两个阶段考虑。

⑤收缩徐变:水灰比、骨料与配合比密切相关，其影响并入弹性模量综合考虑。 PC 轨道梁一般采用等截面，不同跨度的轨道梁截面尺寸相同;正常使用状态下轨道梁处于弹性工作状态。 构件尺寸与应力状态对不同跨度PC 轨道梁的影响基本相同。 因此，应考虑养护条件、工作环境、张拉加载龄期对收缩徐变的影响。

预应力管道位置偏差按2 cm 考虑，其它各项因素取5%的偏差幅度。 表1 中数值正值表示相对设计值的正向偏差(高于或大于设计值)，负值表示相对设计值的负向偏差(低于或小于设计值)。

表1 变形计算结果 mm

3.3 结果分析

(1)当结构自重偏差达5%时，轨道梁线形约有2 mm 左右的偏差。 因设置预拱度、线形等引起的结构自重偏差在1%左右，对轨道梁线形的实际影响不大，但应予以注意。 重点在于控制内模、外形尺寸的放样精度，以免引起较大的偏差。

(2)预应力管道位置偏差2 cm 时对轨道梁的线形影响较小。 根据《跨座式单轨交通施工及验收规范》(GB50614—2010)，预应力管道位置的允许偏差为0.2 cm，在满足施工定位精度的前提下，预应力管道位置偏差引起的线形影响很小。

(3)预应力对结构变形影响较大，且初张拉的影响大于终张拉的影响。 通过计算可知，当张拉应力偏差5%时，对应钢束伸长量的偏差约为5.3%。 也就是说施工中若实测伸长量与理论伸长量偏差为±6%时，梁体变形将高达6 mm 左右，对轨道梁的线形影响较大。

(4)弹性模量对变形的影响不容忽视。 若实际弹性模量较设计值偏差10%时，将有2 mm 左右的偏差，对轨道梁线形有一定程度的影响。

4 结束语

(1)在跨座式单轨PC 轨道梁的施工过程中，必须加强施工精度控制和现场施工质量管理，以消除各环节的偏差。

(2)预拱度的准确设置事关PC 轨道梁线形控制的成败，需根据本地气候条件、原材料、制梁工艺、实测混凝土弹性模量以及变形观测数据进行核算调整。

(3)预应力对结构变形影响很大，预应力张拉施工中实测伸长量与理论伸长量的偏差建议按±3%控制;弹性模量的偏差应控制在设计值的5%以内。

(4)鉴于混凝土徐变的复杂性和轨道梁对线形的高精度要求，制梁前期应选择一定数量的梁进行长期的变形观测，以便对线形控制参数进行校核调整。 应根据实测数据选取合适的徐变预测模型，同时调整相关的参数，才能较好地与实际情况相符合。