铁路大跨度连续刚构收缩徐变计算分析

姜海君

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 研究背景

连续刚构是T构和连续梁的结合体，既保持了T构主墩不设支座、抗震性能好的优点，又继承了连续梁跨越能力强、行车舒适性好的特点；同时由于墩、梁和基础结为一体共同受力，大大增强了结构顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度，保证了行车舒适性。连续刚构相比于T构和连续梁，优化了桥墩纵向尺寸和梁部高度，减小了温度跨度。在大跨度混凝土桥梁中十分具有竞争力，尤其在山区铁路跨越沟壑或河流时更受工程师们的青睐。但连续刚构为超静定结构，受力复杂，混凝土收缩徐变、温度变化、墩台不均匀沉降和预应力作用等均会引起结构附加内力，并对结构受力产生较大影响[1－4]。大跨度预应力混凝土连续刚构，由于受混凝土收缩徐变的影响，成桥后可能出现较大的竖向变形，高速铁路桥梁出于行车安全性和乘坐舒适性考虑，规范规定成桥后有砟轨道桥梁竖向残余徐变变形不应大于20 mm；无砟轨道桥梁竖向残余徐变变形跨度小于等于50 m时，不应大于10 mm，跨度大于50 m时，不应大于L/5 000且不应大于20 mm[5]。

近年来，伴随着我国铁路建设的蓬勃发展，桥梁建设迎来了快速发展的春天，而大跨度预应力混凝土连续刚构桥作为主要的桥型之一，在我国铁路桥梁建设中被广泛应用。但此类桥型在施工及运营阶段出现了诸多问题，如施工期间应力和线形与设计不相符、运营后期主梁跨中下挠过大超过规范限值影响行车安全等，尤其主梁竖向变形过大问题已成为桥梁工程界在设计、施工、运营中不得不考虑的焦点问题。如何确保成桥后竖向残余徐变变形满足规范限值要求，是连续刚构设计的关键[6－8]。

2 收缩徐变计算方法

目前国内外关于混凝土收缩应变和徐变系数的计算方法众多，常用的有 CEB-FIP1978模式、CEB-FIP1990模式、FIB MC2010模式、ACI 209-92模式、B3模式、GL2000模式等，其中FIB(国际结构混凝土协会)是CEB(欧洲混凝土委员会)和FIP(国际预应力混凝土协会)合并后的名称。我国公路桥梁设计规范JTJ 023—85采用的模式是对CEB-FIP1978模式略作修改所得，而其后续规范JTG D62—2004和JTG 3362—2018均采用了CEB-FIP1990的修改模式；我国铁路桥梁设计规范自TB 10002.3—99起，经历TB 10002.3—2005、TB 10002—2017 及 Q/CR 9300—2018(极限状态法)版本，均采用了对CEB-FIP1978的修改模式。

3 主桥设计

本文以汉巴南铁路恩阳河特大桥(72＋136＋72)m连续刚构为工程背景，采用BSAS和Midas Civil有限元软件建立全桥计算模型，对六种(TB 10002.3—2005、TB 10002—2017、JTJ 023—1985、JTG 3362—2018、CEB-FIP1978、CEB-FIP1990)不同规范的收缩徐变变形结果进行对比分析。

汉巴南铁路恩阳河特大桥为时速250 km双线(线间距4.6 m)有砟桥梁，主桥采用(72＋136＋72)m连续刚构，为跨越恩阳河而设，引桥采用64 m节段胶拼简支箱梁。

(72＋136＋72)m连续刚构主梁全长281.6 m，计算跨度(72＋136＋72)m，边支点梁高5.2 m，中支点梁高9.2 m，边支座中心线至梁端0.8 m；梁体为单箱单室、变高度、变截面结构；箱梁顶宽12.2 m，箱梁底宽7.0 m，顶板厚度50～75 cm，底板厚度55～118.1 cm，按折线变化至中支点梁根部，中支点处加厚到200.0 cm，腹板厚60～90～110～130 cm，按折线变化。中支点和跨中横断面见图1。5～8号桥墩高度依次为73.5 m、80.5 m、87.5 m和73.5 m，均采用圆端型空心墩。

图1 (72＋136＋72)m连续刚构横断面(单位:cm)

4 计算对比分析

目前国内各铁路设计单位连续刚构设计采用的计算软件主要有BSAS、Midas Civil和桥梁博士三种，但由于Midas Civil和桥梁博士计算软件以服务公路桥梁为主，铁路桥梁相关规范更新较慢，且梁部结果后处理不太全面，故各铁路设计单位连续刚构设计时基本都是以BSAS软件计算为主，Midas Civil和桥梁博士软件为辅进行设计。

4.1 BSAS软件三种不同规范竖向残余变形对比分析

西南交通大学开发的BSAS Pro 2019软件中包含TB 10002.3—2005、TB 10002—2017 和 JTG 3362—2018三种不同规范收缩徐变模型供设计者进行选择。本文采用BSAS Pro 2019软件对(72＋136＋72)m连续刚构在三种不同规范下收缩徐变变形结果进行对比分析，得出三种规范下随时间变化的竖向残余变形曲线(见图2～图4)、三种规范竖向残余变形对比曲线(见图5)和三种规范不同时间段竖向残余变形占比(见表1)。

表1 三种规范不同时间段竖向残余变形占比

图2 TB 10002.3—2005规范时间—竖向残余变形曲线

图3 TB 10002—2017规范时间—竖向残余变形曲线

图4 JTG 3362—2018规范时间—竖向残余变形曲线

图5 三种规范竖向残余变形曲线对比

分别提取三种规范支点和跨中竖向残余变形值，见表2。由于桥墩存在竖向变形，提取三种规范扣除桥墩竖向变形后梁体跨中相对竖向残余变形值，见表3。

式中，Ti(i=1, 2, 3, 4)为各卫星的时间，T为用户接收机的时间，c为光速，(X, Y, Z)为用户接收机的坐标。各卫星的时间Ti和坐标(Xi,Yi, Zi)通过解析接收到的卫星报文获得[3-4]。

表2 三种规范支点和跨中竖向残余变形 mm

表3 三种规范跨中相对竖向残余变形 mm

由图2～图5和表1～表3可知:

(1)TB 10002.3—2005和 JTG 3362—2018规范计算结果相差不大；TB 10002—2017规范竖向残余变形值与前两种规范相差较大，约为前两种规范的1.5倍。

(2)收缩徐变第1年占比最大，TB 10002.3—2005规范第1年占比达49%；第2～5年三种规范占比相差不多；TB 10002.3—2005和TB 10002—2017规范10年时收缩徐变变形基本完成；JTG 3362—2018规范10年时收缩徐变变形仅完成74%。

(3)(72＋136＋72)m连续刚构为有砟轨道，根据规范要求竖向残余变形不应大于20 mm，如竖向残余变形结果不扣除桥墩竖向变形，不满足规范要求；规范中规定的竖向变形限值应为扣除桥墩竖向变形后的相对变形，否则桥墩较高时，桥墩变形就已经超过规范限值，扣除桥墩竖向变形后TB 10002.3—2005和JTG 3362—2018规范结果可满足规范要求。

(4)本桥主墩竖向变形值占总变形值40%左右；扣除桥墩竖向变形后可发现梁体竖向收缩徐变变形为中跨下挠、边跨上拱。

4.2 BSAS和Midas Civil软件五种不同规范竖向残余变形对比分析

JTJ 023—1985和TB 10002—2017规范收缩徐变模型采用CEB-FIP1978的修改模式；JTG 3362—2018规范收缩徐变模型采用CEB-FIP1990的修改模式。采用 Midas Civil软件对 CEB-FIP1978、JTJ 023—1985、TB 10002—2017、CEB-FIP1990 和 JTG 3362—2018五种规范收缩徐变变形结果进行对比分析，见图6～图8；并将BSAS和Midas Civil软件JTG 3362—2018规范收缩徐变变形结果进行比对。分别提取五种规范支点和跨中竖向残余变形值，见表4。由于桥墩存在竖向变形，提取五种规范扣除桥墩竖向变形后梁体跨中相对竖向残余变形值，见表5。

表4 不同规范支点和跨中竖向残余变形统计 mm

表5 不同规范跨中相对竖向残余变形统计 mm

图6 CEB-FIP1990模型系列竖向残余变形曲线对比

图7 CEB-FIP1978模型系列竖向残余变形曲线对比

图8 不同规范竖向残余变形曲线对比

由图6～图8和表4、表5可知:

(1)JTJ 023—1985、TB 10002—2017 和 CEBFIP1978规范计算结果相差不多；JTG 3362—2018和CEB-FIP1990规范计算结果相差不多；CEBFIP1978系列模型结果大于CEB-FIP1990系列模型结果，前者为后者1.5倍左右。

(2)BSAS和Midas Civil软件采用JTG 3362—2018规范计算结果相差不多，相对变形结果均满足规范要求，但BSAS和Midas Civil软件桥墩竖向变形结果相差较大，前者为后者的1.5倍左右。

5 研究总结

本文以恩阳河特大桥(72＋136＋72)m连续刚构为背景，采用BSAS和Midas Civil软件对六种不同规范收缩徐变变形结果进行对比分析，得出以下结论:

(1)CEB-FIP1978模型系列收缩徐变变形结果远大于CEB-FIP1990模型系列结果，前者为后者1.5倍左右，采用CEB-FIP1978模型系列竖向残余变形很难满足规范限值要求。多篇文献结果证明CEBFIP1990系列模型结果与实际值更接近[10－12]，且BSAS软件也推荐采用JTG 3362—2018规范模型。故建议后续铁路桥梁收缩徐变计算采用JTG 3362—2018规范模型。

(2)梁体收缩徐变变形第一年占比最大，延迟铺轨时间可有效减小梁体竖向残余变形。

(3)铁路规范收缩徐变变形10年内变形基本完成，公路规范收缩徐变变形10年时间仅完成74%，建议收缩徐变计算时间统一按30年考虑。

(4)规范中规定的竖向变形限值应为扣除桥墩竖向变形后的相对变形，否则桥墩较高时，桥墩竖向变形就已经超过规范限值。桥墩竖向变形占比较大，为保证计算结果的准确性，建模时一定要含桥墩(包括边墩)。

(5)BSAS和Midas Civil软件采用JTG 3362—2018规范计算结果相差不多，但BSAS和Midas Civil软件桥墩竖向变形结果相差较大，前者为后者1.5倍左右。

6 存在问题

(1)梁体收缩徐变竖向变形可通过设置预拱度的方式解决，但桥墩收缩徐变变形较大且随时间变化较为明显，预拱度该如何设置，需进一步研究探讨。

(2)桥墩高差相差较大时，收缩徐变变形相差较大，对于梁体来说，相当于梁体存在一个较大的不均匀沉降差，对梁体受力影响较大，设计时需注意。

(3)规范中仅对梁体竖向残余徐变变形限值进行了规定，但是软件计算时，收缩和徐变变形根本无法区分开来，可以进一步研究探讨规范限值可否改为梁体竖向收缩徐变变形限值。

7 结束语

本文通过对恩阳河特大桥(72＋136＋72)m连续刚构在六种不同规范模式下的收缩徐变变形结果对比分析，提出了一些铁路连续刚构收缩徐变计算存在的问题及设计注意事项，对后续类似工程具有一定的借鉴意义。