无砟轨道大跨连续梁-拱组合桥长期变形影响因素分析

郑宏利 郝学光 乔建岗 王新亮

(中铁十六局集团路桥工程有限公司,北京 101500)

1 概述

高速铁路广泛铺设无砟轨道[1],由于很难对其进行后期变形调节,故大跨混凝土梁桥的长期变形不仅影响高速列车旅客的舒适性,同时对其安全性也有较大影响[2]。已有许多学者进行相关研究,勾红叶等认为轨道变形与主梁变形成正比,为保证行车平顺,必须控制主梁竖向变形[3];徐庆元等通过建立车桥耦合模型研究主梁徐变对无砟轨道桥梁动力性能的影响[4];Yang发现徐变变形会在梁端引起较为明显的冲击,不利于高速行车[5]。

大跨混凝土连续梁-拱组合体系为上述问题提供了一种解决方案[6]。相较于连续梁桥,该体系具有承载能力大、刚度大等优点[7]。目前,这方面也有一些研究,张运波等从影响收缩徐变的主要因素出发,探究各因素对连续梁长期变形的影响[8];王琦等以无砟轨道矮塔斜拉桥为例,研究主梁高度、主塔高度及铺轨时间对结构刚度和平顺性的影响[9];陈克坚等以铁路大跨度混凝土拱桥为研究对象,以工法的选取、加载龄期、铺轨时间等因素为变量,分析影响混凝土拱桥徐变变形的主要因素[10]。不难看出,研究连续梁-拱组合结构体系长期变形的影响因素与规律,可为无砟轨道大跨连续梁桥的合理设计与安全运维提供科学依据。

2 工程背景

以跨越东江的赣州—深圳高速铁路(76+160+76)m预应力混凝土连续梁拱组合桥为研究对象,根据TB10621—2014《高速铁路设计规范》进行校核。主梁截面为单箱双室变高度箱形截面,梁底按圆曲线过渡;拱肋截面为哑铃形截面,理论计算跨径为160m,计算矢高32m,矢跨比1/5,拱肋弦管及缀板内填充微膨胀混凝土;吊杆顺桥向间距9m,全桥共设15组双吊杆。主桥采用“先梁后拱”的施工方法,在成桥6个月后铺设轨道。主桥立面布置及有限元模型如图1所示。

图1 桥梁总体布置及有限元模型(单位:cm)

分别采用Midas/Clivil与桥梁博士4.0建立有限元模型。全桥共计610个节点,859个单元。采用空间梁单元模拟主梁、横撑和拱肋,采用桁架单元模拟吊杆,全桥边界条件按三跨连续梁约束条件布置,吊杆及拱肋通过刚臂与主梁进行连接,拱肋与横撑之间采用弹性连接中的刚性连接进行连接。

3 大跨连续梁-拱组合体系的长期变形影响因素

目前,针对预应力混凝土连续梁结构长期变形问题,国内外学者开展了大量研究,研究表明,影响结构长期下挠的因素众多[11-15],主要有收缩徐变、有效预应力损失及恒载增大等。

图2 引起长期变形的主要因素

由于结构自重弯矩与跨径三次方成正比,对于跨径超过100m的梁桥,在设计时不仅需要确定合适的预应力度,还需设置恰当的预拱度。实际工程中,由于施工误差,尤其是模板变形及桥面找平等引起的施工超重、有效预应力损失、二期铺装时间过早等因素,使设计预拱度与有效预应力不足以平衡外荷载产生的弯矩,不平衡弯矩引起梁体发生转动主梁变形,在徐变作用下变形进一步加剧。而徐变变形又会引起预应力损失,不断往复循环。

当有效预应力持续降低,截面受拉区拉应力超过限值后截面开裂,由于应力重分布,使混凝土截面压应力增大,进一步加剧了徐变变形。同时,随着裂缝的发展,梁段刚体位移使结构长期挠度显著增大。

图3 大跨径梁桥长期挠度过大历程

无砟轨道后期可调节量小,故对后期变形要求严格。根据TB10621—2014《高速铁路设计规范》,预应力混凝土的竖向徐变变形应符合以下规定:主跨L≤50m时,竖向变形不大于10mm;L>50m,竖向变形不大于L/5000且不大于20mm。

根据已有研究,通过分析影响主梁长期变形的主要因素,从收缩徐变、预应力损失、铺轨时间、梁体开裂和施工超重等方面研究对大跨度连续梁拱组合桥长期挠度的影响。

4 影响因素分析

4.1 收缩徐变

计算徐变模式采用JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》,在设计荷载作用下,主梁后期变形曲线如图4所示。

由图4可知,跨上挠前期发展较慢,后期上挠增大速率较快,边跨下挠正好与之相反。按该徐变模式,计算出成桥10年后中跨长期变形值为3.81mm,满足规范要求。

图4 收缩徐变引起的变形

4.2 梁体开裂

梁体开裂后,不仅使截面刚度降低,开裂处截面还因应力重分布使混凝土截面压应力增大,进一步加剧徐变变形。通过降低主梁混凝土弹性模量的方法来模拟主梁开裂,主梁刚度折减10%、20%、30%后主梁长期挠度变化规律见图5和表1。

由图5及表1可知,刚度折减后主梁边跨跨中下挠和中跨跨中上挠均增大,由于中跨竖向吊杆的存在,主梁中跨竖向刚度远大于边跨,随刚度损失增加,边跨挠度变化比中跨更敏感。成桥10年后,刚度损失由20%增加到30%时,中跨竖向挠度增长率降低,边跨竖向挠度增长率基本保持一致。上述结果表明,当主梁开裂后,竖向吊杆的存在对主梁跨中长期挠度变形有抑制作用。

图5 刚度折减对主梁长期挠度的影响

表1 刚度折减后边跨及主跨长期挠度值

4.3 预应力损失

对于预应力混凝土桥梁,其长期变形主要由与结构恒载引起的下挠及预应力产生的上拱共同作用引起。因此,结构有效预应力损失对长期变形有显著影响[15]。为探究预应力损失对大跨RPC连续梁拱组合桥长期挠度的影响,考虑纵向预应力分别损失5%、10%、20%、30%后,计算从成桥到成桥10年不同阶段主梁长期挠度的变化,结果见图6。

图6 预应力损失对主梁中跨跨中长期挠度的影响

由图6可知,不同成桥阶段都会受预应力损失的影响,随着预应力损失的增大,跨中长期变形逐渐增大。成桥10年后,预应力损失由10%增大到30%时,跨中挠度增大幅度约为12%,而预应力损失由5%增加到10% 时,跨中长期变形增大17%。随着预应力损失不断增加,主梁跨中长期挠度变化速率降低,说明连续梁拱组合桥对预应力损失引起的长期挠度有抑制作用。

为分别探究顶、底板预应力损失对连续梁拱组合桥长期挠度的影响,分别计算顶板预应力和底板预应力损失10%、20%、30%下主梁长期变形,结果见图7、图8。

图7 底板预应力损失对跨中长期挠度影响

由图7、图8可以看出,顶板和底板预应力损失在成桥各阶段都会影响长期变形,这是由于墩顶负弯矩和跨中正弯矩对挠度变化很敏感,而连续梁拱组合桥大部分弯矩由主梁承担,通过顶板束和底板束提供弯矩平衡自重。

图8 顶板预应力损失对跨中长期挠度影响

底板和顶板预应力损失由5%增加到10%时,主梁跨中长期挠度值分别增大6%和16%;当底板和顶板预应力损失10%以后,预应力损失每增加10%,跨中长期挠度值分别增大2%和11%。由此可见,顶板预应力损失对主梁跨中竖向挠度影响更明显,这是由于结构自身纵向刚度较大,实际底板束的变化不会对整体挠度有显著影响,平衡弯矩、控制结构挠度主要由顶板束完成。

4.4 铺轨时间

全桥合龙后,铺设轨道的时间对后期徐变变形影响显著,为此,将铺轨时间设为成桥3个月、6个月、9个月、12个月,其边跨跨中和中跨跨中竖向后期挠度如图9、图10所示。

图9 铺轨时间对中跨跨中长期挠度的影响

图10 铺轨时间对边跨跨中长期挠度的影响

从图9、10可知,在成桥6个月后,中跨跨中竖向挠度各阶段挠度的增量几乎相同,边跨跨中竖向挠度在成桥后前期增量较大,后期挠度增量逐渐减小;成桥6个月后,铺轨时间每延长3个月,中跨跨中挠度减少约7%,边跨跨中挠度减少9%左右,相较于成桥6个月,成桥3个月铺轨时中跨跨中挠度增大20%,边跨跨中挠度增加14%左右。虽然随着铺轨时间的延长,边跨跨中下挠和中跨跨中上挠均降低,但成桥6个月铺轨对主梁长期挠度改善效果最明显,故从减小后期挠度和节省施工时间综合考虑,在成桥6个月后铺轨较为合适。

4.5 自重集度

施工过程中,由于模板变形及桥面找平等都会引起施工超重,结构自重增大必会导致结构长期变形增大。增加自重1%～6%后,计算在成桥1年、5年、10年、20年、30年后主梁中跨跨中长期变形,结果见图11、图12。

图11 自重集度对中跨跨中长期挠度的影响

由图11、图12可知,不同成桥阶段中跨跨中竖向挠度与自重增大比例基本呈线性增加,成桥5年内长期挠度发展最快,后期速率逐渐降低。主梁中跨跨中长期变形的增长速率较结构自重增大的比例更快,对于成桥5年后,施工每超重1%,长期变形平均会增大5.2%。

图12 自重集度增大比例与长期挠度增大比例关系

5 结论

(1)主梁中跨上挠前期发展较慢,后期上挠增大速率增快,边跨下挠与之相反。

(2)改变铺轨时间对边跨和跨中都有不同程度的影响,其中对跨中的影响更明显。由于徐变变形早期发展快,延长铺轨时间能有效降低中跨和跨中长期变形,且成桥6个月后铺轨对改善边跨及跨中长期挠度的效果最明显。

(3)随着预应力损失的增加,主梁跨中竖向挠度变化速率降低,说明连续梁拱组合桥对预应力损失引起的长期挠度有抑制作用。由于结构自身纵向刚度大,底板束的变化不会对整体挠度有显著影响,平衡弯矩、控制结构挠度主要是由顶板束完成,顶板预应力损失对结构影响显著。

(4)刚度折减后主梁边跨跨中下挠和中跨跨中上挠均增大,由于中跨竖向吊杆的存在,主梁中跨竖向刚度远大于边跨,随刚度损失增加边跨挠度变化比中跨更敏感。成桥10年后随着刚度损失增大,边跨竖向挠度增长率基本保持一致,但中跨竖向挠度增长率降低。上述结果表明当主梁开裂后,竖向吊杆的存在对主梁跨中长期挠度变形有抑制作用。

(5)主梁中跨跨中长期变形的增长速率较结构自重增大的比例更快,对于成桥5年后,施工每超重1%,长期变形平均会增大5.2%。