無碴軌道預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)計研究

      摘要：通過秦洗客運專踐無碴軌道頹應(yīng)力混凝土簡支箱梁的介紹，對預(yù)應(yīng)力混凝土梁徐變上拱的控制方法做了較為深入的探討，以便為今后的同類工程提供借鑒。

      關(guān)鍵詞：無碴軌道 預(yù)應(yīng)力混凝土梁 設(shè)計 研究

1概述

      在各國高速鐵路橋梁設(shè)計中，為了保證旅客乘坐的舒適度以及對軌道的平順性要求、已大量采用了無碴軌道結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的有碴軌道相比，無碴軌道結(jié)構(gòu)由于其維修作業(yè)量顯著減少，其有軌道穩(wěn)定性與耐久性好、平順性高的突出優(yōu)點，因而，在日本、德國、英國、意大利等國家的高速鐵路橋梁設(shè)計中，已得到了廣泛應(yīng)用。

      無碴軌道從根本上解決了傳統(tǒng)的有碴軌道在頻繁動載作用下軌道狀態(tài)的穩(wěn)定問題，從而大幅度減少軌道結(jié)構(gòu)的維修作業(yè)量，使線路養(yǎng)護維修費用大大降低，并簡化軌道的維修管理。

      橋上無碴軌道的應(yīng)用與隧道、路基不同，橋梁結(jié)構(gòu)在活載作用下的彈性變形以及恒載作用下的長期變形都會直接影響到橋上軌道結(jié)構(gòu)的受力、平順性及行車安全，由于無碴軌道設(shè)備在鋪設(shè)后，不能象有碴軌道那樣進行起道和撥道作業(yè)，而且軌道扣件的調(diào)高量有限，因此，無碴軌道要保證軌道的平順性，就必須解決軌道鋪設(shè)后預(yù)應(yīng)力混凝士梁的后期徐變上拱問題。即對預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的徐變上拱需要有嚴格的限制。

      秦沈客運專線是我國第一條時速在160km以上的新建鐵路，為了推廣無碴軌道在我國鐵路橋梁上的應(yīng)用，研制了不同軌道形式的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計

      (1) 主要設(shè)計原則

      ① 設(shè)計依據(jù)為《時速200km新建鐵路線橋隧站設(shè)計暫行規(guī)定》；
      ② 結(jié)構(gòu)按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計，適用于雙線線間距為4．6m的直線橋梁，橋面寬度為12．4m；
      ③ 設(shè)計荷載：采用ZK活載；
      ④ 梁體的剛度通過車線橋動力響應(yīng)計算確定，在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力的作用下，梁體的水平撓度應(yīng)不大于梁體計算跨度的1／4000；在列車靜活載作用下，梁體扭轉(zhuǎn)角不得大于1‰；
      ⑤ 梁體徐變上拱度：自無碴軌道結(jié)構(gòu)施工結(jié)束之日起梁體產(chǎn)生的殘余徐變上拱值不大于10mm。

      (2) 主要材料及數(shù)量

      主梁采用C50混凝土及公稱直徑15．20mm，強度級別為1860MPa的低松弛鋼絞線，結(jié)構(gòu)主要工程數(shù)量及尺寸見表1和圖1。

      (3) 主要設(shè)計指標

      無碴軌道箱梁的梁高是通過動力仿真分析確定的，由于其梁高比同跨度有碴軌道箱梁高10～20cm，與有碴軌道箱梁相比，梁體剛度增大．截面抗彎能力得以提高，加之梁頂采用平置后，用加鋪墊層的方法進行排水處理，梁體自重與二期恒載比有碴軌道箱梁有所堿少。在滿足各項主要技術(shù)指標要求的條件下，經(jīng)計算．無碴軌道箱梁所需的預(yù)應(yīng)力材料比同跨度有碴軌道箱梁減少了約10%。各項主要設(shè)計指標計算值見表2。

3梁體徐變上拱值的控制

      (1) 影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁徐變上拱的因素

      有關(guān)研究表明(參見鐵科院《高速鐵路無碴軌道預(yù)應(yīng)力混凝土箱形簡支梁像變上拱的限值與控制》，影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁徐變上拱的因素較多，有設(shè)計、施工、環(huán)境等。

      設(shè)計方面因素主要有：橋梁在使用階段恒載作用下的橋梁截面下緣應(yīng)力水平和橋梁的恒、活載設(shè)計彎矩比值。長期受壓的混凝土徐變變形與其應(yīng)力大小有直接關(guān)系，一般認為，當應(yīng)力在0.4R（R為棱柱體抗壓強度)以內(nèi)時，徐變變形隨應(yīng)力增大呈線性發(fā)展；超過0．4R時，便產(chǎn)生非線性徐變，會導(dǎo)致變形及上拱迅速增大(歐洲CEB—FIP混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計2．1．6.4.3條)。在設(shè)計過程中，一般采用較大的高跨比以加大梁的豎向剛度，來減小活載作用下的梁體下緣混凝土拉應(yīng)力值；其次，通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋的布置使梁的截面上下緣應(yīng)力在預(yù)應(yīng)力筋及恒載的作用下盡量接近．從而將梁體徐變上拱值控制在規(guī)定的限值之內(nèi)。

      從理論上講，預(yù)應(yīng)力筋對梁體截面產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)包括軸力和彎矩兩部分，當預(yù)應(yīng)力彎矩與恒載產(chǎn)生的截面彎矩充分接近時，梁體截面將長期處于均勻受壓狀態(tài)，梁體的徐變上拱很小，甚至接近于零。這種理想狀態(tài)對全預(yù)應(yīng)力梁而言，只有當主梁截面的恒、活載設(shè)計彎矩比符合以下條件時才能實現(xiàn)，即：

      M恒/M活≈A*e/W下

      式中M恒——撟梁自重及二期恒載產(chǎn)生的截面彎矩；
            M活——橋梁設(shè)計活載產(chǎn)生的截面彎矩；
                A——截面面積；
                e——截面的預(yù)應(yīng)力偏心距；
            W下——截面的下緣彎曲抵抗矩。

      當M恒/M活小于或大于A*e/W下時，截面將長期處于偏心受壓狀態(tài)，必然出現(xiàn)徐變上拱或下?lián)希㈦S其差值的增大而增加：在梁體控制截面的設(shè)計彎矩中，當恒載彎矩所占的比例大時，徐變上拱較小。因此，當線路標準制定后，設(shè)計活載為定值，在梁跨相同情況下，對于不同線路設(shè)備等二期恒載設(shè)計值及梁高，二期恒載設(shè)計值較大及梁高較大者，恒活載彎矩比也相應(yīng)增大，梁體徐變上拱值會相應(yīng)降低。當荷載、主梁截面確定后，可通過調(diào)整預(yù)應(yīng)筋布置，使A*e/W下值與M恒/M活盡量接近，越接近者其徐變變形值越小。

      （2）混凝土徐變終極系數(shù)的確定

      由于徐變系數(shù)Ф的取值與結(jié)構(gòu)的暴露條件、構(gòu)件齡期、構(gòu)件尺寸、截面形就等因素有關(guān)，并存在箱梁內(nèi)外在暴露條件不同時的差異。有關(guān)混凝土徐變的計算，關(guān)鍵是要對其徐變系數(shù)Ф取值盡量與實際條件相符。目前世界各國有關(guān)設(shè)計規(guī)范對混凝土徐變終級系數(shù)的取值也不盡相同，見表3：

      從表3可看出，采用不同的計算規(guī)范．徐變終級系數(shù)有一定的差異。經(jīng)分析比較及參照有關(guān)研究資料，確定以參照英國規(guī)范BS5400所取徐變參數(shù)來計算梁體各階段混凝土徐變。

      (3)預(yù)應(yīng)力絳變上拱限值確定

      在采用工地制梁或工廠制梁時，無碴軌道殘余徐變上拱設(shè)計限值需考慮徐變變異系數(shù)的影響；目前，鐵路上預(yù)應(yīng)力混凝土梁實測徐變上拱度的變異系數(shù)為0．3，因此，對無碴軌道預(yù)應(yīng)力箱梁預(yù)制的變異系數(shù)也取為0.30，在殘余徐變上拱度不大于10mm時，有：

      保證率下預(yù)應(yīng)力徐變上拱設(shè)計限值。

4無碴軌道梁徐變上拱度控制

      梁體截面應(yīng)力需考慮剪力滯的影口，要對截面有效寬度進行修正，變形則采用全截面值，以反映梁體實際剛度。各階段均梁體變形均未考慮剪切變形的影響，經(jīng)過對預(yù)應(yīng)力筋的布置調(diào)整，秦沈客運專線無碴軌道箱形梁在使用階段按全部恒載作用下的截面上下緣應(yīng)力值及恒、活載設(shè)計彎矩比見表4。

      另外，無碴軌道箱形梁的設(shè)計還必須考慮施工方面因素，并在施工過程中進行控制。

      首先，水灰比和水泥用量對混凝土徐變變形有一定影響，在相同水灰比情況下，徐變變形隨水泥用量增多而變大；當水泥用量一定時，又會隨水灰比的增大而增加。其次，考慮到骨料在混凝土中主要是對水泥漿體徐變起約束作用，其程度取決于骨料的彈性模量和體積含量，因此，要求施工時應(yīng)強調(diào)選用彈性模量較高的巖石和適宜的級配。最后，還要考慮施加預(yù)應(yīng)力時梁體的彈性模量的影響，偏低的彈性模量會引起較大的徐變上拱。在施加預(yù)應(yīng)力前．除了檢驗混疑土強度外，還應(yīng)同時檢測其彈性模量，在兩者均滿足設(shè)計要求后，再予以施加預(yù)應(yīng)力。

      另外，徐變及徐變上拱度對環(huán)境濕度、溫度相當敏感，其影響具有滯后性，溫度升高，梁體上拱度增大；濕度加大，梁體上拱度會相應(yīng)減小設(shè)計要求水灰比不大于0．40，終張拉期限不小于10d，二期恒載施加期限在終張拉后不少于60d進行控制。

      有關(guān)梁體跨中撓度及徐變上拱計算結(jié)果比較見表5，具體數(shù)值計算方法在此不在贅述。

      從表5結(jié)果看，最終殘余徐變上拱度均滿足了設(shè)計要求。

      5結(jié)語

      無碴軌道預(yù)應(yīng)力混凝土整孔簡支箱梁的殘余徐變上拱必須予以嚴格控制，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮不同生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)所處環(huán)境條件等因素的影響。

      實踐證明，采用較大的高跨比通過加大梁的剛度，降低梁體下緣應(yīng)力水平，是有效地降低結(jié)構(gòu)徐變上拱的前提，而嚴格控制預(yù)應(yīng)力張拉時間及橋面軌道鋪設(shè)時間是控制無碴軌道預(yù)應(yīng)力箱梁殘余徐變上拱度值的關(guān)鍵。秦沈客運專線無碴軌道梁現(xiàn)正處于施工階段，通過施工期間的監(jiān)測，目前梁體在預(yù)筋張拉后的前期徐變上拱值與設(shè)計計算接近；對二期恒載施加后的梁體徐變上拱值與設(shè)計計算的符合程度，還需在今后進一步得到驗證。

      建議在今后同類型無碴軌道梁的設(shè)計中，要控制其撓跨比不宜大于1／400O，預(yù)加應(yīng)力齡期不宜早于l0d，橋面軌道鋪設(shè)應(yīng)在預(yù)應(yīng)力終張拉后60d進行。無碴軌道梁除了在設(shè)計中要采用較大剛度，按梁體彎矩共軛軸合理地布置預(yù)筋位置外，施工中還必須嚴格控制混凝土質(zhì)量和工藝，水灰比不得大于0.4，并嚴格控制水泥用量，確保其彈性模量不低于設(shè)計值，施加預(yù)應(yīng)力嚴格實行“雙控”，嚴禁超張拉，確保滿足預(yù)應(yīng)力徐變拱限值的要求。

參考文獻

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