大跨度铁路预应力混凝土斜拉桥收缩徐变影响及控制措施研究

郭安娜

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.中国铁建股份有限公司桥梁工程实验室，武汉 430063)

收缩徐变会导致预应力混凝土构件的预应力损失，影响结构受力和变形[1-2]。大跨度铁路混凝土斜拉桥作为一种超静定结构[3]，在运营阶段，桥梁结构的内力状态和线形会随着混凝土收缩徐变的发生不断变化[4]，从而影响列车高速行车性能[5]。郭远航[6]系统总结了收缩徐变效应对大跨度高速铁路混凝土斜拉桥斜拉索索力.桥塔截面弯矩.变形等影响；叶梅新[7].曹建安等[8]提出对于铺设无砟轨道的大跨度预应力混凝土桥，一般采用延长铺轨时间的方法来减小后期变形；邹红等[9]建议通过适当降低预应力偏心距以减小截面上下缘应力差，从而提高考虑徐变效应的上拱变形可靠度；陈克坚等[10]提出工法和铺轨时间对后期混凝土收缩徐变影响较大，可作为大跨度拱桥徐变变形控制技术的关键因素。

以杭温铁路楠溪江特大桥主桥为例，对运营阶段收缩徐变影响下不同时期桥梁的内力状态和线形进行研究[11]，找出其中变化趋势并提出合理的控制措施，为同类型桥梁设计提供参考。

1 工程概况

新建杭州—温州铁路(义乌—温州段)工程楠溪江特大桥主桥为(40.5+79.5+240+79.5+40.5)m混凝土斜拉桥，双塔双索面平行布置，半漂浮体系，桥面铺设有砟轨道，主桥总体布置如图1所示。

图1 主桥总体布置(单位：m)

主梁采用预应力混凝土单箱单室截面，顶宽14.4 m，底宽12 m，中心处梁高4.0 m，顶板横桥向设2%的“人”字横坡。主梁横截面分标准横截面和加厚横截面2种，标准横截面顶板厚35 cm，底板厚35 cm，腹板厚110 cm；加厚横截面顶板厚50 cm，底板厚50 cm，腹板厚110 cm。混凝土箱梁每7.5 m设置1道厚30 cm斜拉索横隔梁，与斜拉索对应设置。主梁标准横断面如图2所示。

图2 主梁截面构造(单位：cm)

桥塔采用H形桥塔，塔承台以上平均高度85.5 m，上塔柱为两分离式竖直塔柱，中塔柱和下塔柱为两分离式倾斜塔柱，倾斜度为1∶7.125，为满足景观和受力要求，塔柱在主梁下方设分离式下横梁[12]，如图3所示。

图3 桥塔构造(单位：m)

斜拉索采用φ7 mm热挤聚乙烯低松弛锌铝合金镀层平行钢丝拉索，平行双索面体系，扇形布置，全桥共60对斜拉索，横向索距10.9 m，纵向间距为7.5 m，竖向间距2.0 m和2.2 m，索梁锚固构造如图4所示。

图4 索梁锚固开槽(单位：cm)

2 计算模型

主桥收缩徐变分析采用有限元方法计算[13]，通过Midas Civil空间有限元软件建立梁单元模拟主塔和主梁，索单元模拟斜拉索，采用刚度矩阵模拟主塔桩基础刚度。计算模型见图5，模型计算节点662个，计算单元537个。计算中收缩徐变函数按TB10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》中相关规定办理[14]，采用CEB-FIP(1978)模型，加载龄期3 d。

图5 Midas有限元模型

按大桥实际施工顺序模拟，成桥后分运营1年.3年.5年.10年.30年5个阶段分析桥梁结构的收缩.徐变效应[15-16]。其中，成桥状态[17]按照“塔偏梁拱”控制[18]，运营验收时主梁跨中上拱351.6 mm，桥塔向边跨偏移62.0 mm。

3 收缩徐变对结构的影响

混凝土收缩徐变会引起斜拉桥桥塔和主梁变形，带来这种高次超静定结构的内力重分布，对结构产生附加变形，导致结构内力变化[19]。

3.1 对主梁线形和内力影响

成桥运营30年，收缩徐变引起主梁竖向变形曲线如图6所示。从图6可知，混凝土收缩徐变引起主梁向下“松弛”，1年.3年.5年完成变形值分别占前10年徐变变形值的4%.41%.66%。

图6 主梁竖向收缩徐变变形

在收缩徐变影响下，主梁纵向向跨中收缩，收缩变形值如图7所示，1年.3年.5年完成变形值分别占前10年徐变变形值的33%.61%.78%。

图7 主梁纵向收缩徐变变形

主梁上.下缘的应力变化值如图8.图9所示，图中应力正值表示增加，负值表示减小，可以看出，随着运营时间增长上缘压应力在辅助墩和桥塔位置减小.在主跨跨中位置增加；下缘压应力在辅助墩和桥塔位置增大.在主跨跨中位置减小。运营30年桥塔处上缘压应力减少4.24 MPa，占成桥状态储备应力的35.9%，主跨跨中位置下缘压应力减小3.86 MPa，占了成桥下缘储备压应力的35.4%。可以看出，主梁的应力状态在收缩徐变效应的作用下变化显著，考虑在结构设计中预留收缩徐变对主梁压应力的影响。

图8 主梁上缘应力变化值

图9 主梁下缘应力变化值

3.2 对桥塔线形和内力影响

由图10可知，混凝土收缩徐变引起桥塔向中跨“倾倒”，1年.3年.5年完成变形值分别占前10年徐变变形的23%.54%.74%。运营30年后，在收缩徐变效应的影响下，塔身基本呈现竖直状态，抵消了成桥时桥塔向边跨的预偏量。

图10 桥塔纵向收缩徐变变形

由桥塔塔底轴力和顺桥向弯矩值(表1)可以看出，收缩徐变对桥塔轴力影响很小，对索塔弯矩影响明显，表现为，由成桥状态的负弯矩(主跨侧受拉为负)逐渐减小，到运营30年，桥塔塔底弯矩反向，说明桥塔塔底截面边跨侧由受压变为受拉。桥塔弯矩变化趋势与索塔纵向位移一致。成桥状态下通过索力优化使得桥塔向边跨“倾倒”，以抵消收缩徐变对桥塔的不利影响。

表1 桥塔塔底内力值

3.3 对斜拉索线形和内力影响

斜拉索的变形状态和主梁.桥塔保持一致，在此不做赘述。

由于混凝土收缩徐变影响，斜拉索索力变化如图11所示，随着运营时间的增加，索力整体呈现减小趋势，边跨斜拉索较中跨斜拉索索力减小值更大，边跨越靠近桥塔，这种减小趋势越明显，运营30年最大变化率达到了-8.0%。

图11 斜拉索索力变化率曲线

4 收缩徐变控制措施

通过以上分析得出，混凝土收缩徐变对大跨度铁路混凝土斜拉桥的主梁.桥塔.斜拉索线形及受力有不同程度的影响，表现为主梁下挠.桥塔向跨中倾斜.斜拉索索力减小等。

研究通过改变主梁中跨底板索和斜拉索索力两种方式控制主梁后期徐变，工况1～工况4调整主梁中跨底板索面积，斜拉索索力不变；工况5.工况6在工况2基础上增大斜拉索索力。对比主梁底板索和斜拉索索力对成桥线形.主梁上下缘应力和运营3年后期徐变值的影响，结果见表2.表3。

表2 主梁底板索对工后徐变影响

表3 斜拉索索力对工后徐变影响

从表2.表3可以看出，通过增大斜拉索索力，使主梁在成桥状态产生上拱的位移，通过调整主梁线形和主梁跨中截面上下缘的应力状态，可以降低后期收缩徐变变形；增加底板预应力钢束也可以降低收缩徐变效应带来的不利影响，但不如调整斜拉索索力有效。

通过斜拉索和混凝土主梁预应力索调整，本桥3年运营期，主跨跨中因混凝土收缩徐变产生的下挠值为16.9 mm，如图12所示。

图12 3年运营主梁混凝土下挠值(单位：mm)

5 结论

对新建杭温铁路跨楠溪江斜拉桥进行运营阶段收缩徐变分析研究，得出以下结论。

(1)收缩徐变效应引起斜拉桥主梁向跨中“松弛”.桥塔向中跨“倾倒”，变化呈现运营前期发展快.后期慢的趋势。

(2)收缩徐变导致斜拉索产生卸载，对边跨斜拉索的影响更为明显，引起桥塔塔柱底部弯矩大小和方向发生改变。

(3)收缩徐变引起桥塔处主梁上缘及跨中处主梁下缘的压应力减小，30年运营期减小值占成桥状态下主梁压应力储备数值的35.5%。

(4)楠溪江特大桥设计中通过调整成桥状态斜拉索索力和增加主梁底板预应力钢束面积，调整主梁线形和主梁跨中截面上.下缘的应力状态，有效降低了后期收缩徐变变形，且增大斜拉索索力对控制变形效果更加明显。