無碴軌道預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)計(jì)
摘 要：通過對預(yù)應(yīng)力混凝土梁在徐變上拱的控制的分析研究，對無碴軌道梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)作了簡要介紹，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(jì)介紹
１概述
無碴軌道可以從根本上解決傳統(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，簡化了軌道的維修管理，使線路養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用也大大降低。為了保證旅客乘坐的舒適度以及對軌道的平順性要求，在各國高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)中，目前已大量采用了無碴軌道結(jié)構(gòu)。
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為城市公交體系的軌道交通已成為大中城市的重要組成部分，而作為該體系中的城市輕軌由于其具有顯著的經(jīng)濟(jì)性也將大量使用，由于無碴軌道橋梁具有上述的優(yōu)點(diǎn)，對于城市軌道交通具有較好的適應(yīng)性，因而在我國的城市軌道交通的橋梁結(jié)構(gòu)中被普遍采用，如上海的明珠線、北京城市輕軌等等。然而，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、平順性及行車安全及舒適性。而且無碴軌道設(shè)備在鋪就后，其扣件的調(diào)整量有限，因此，對于預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的徐變上拱的控制就成為無碴軌道預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
2預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋徐變上拱的控制
當(dāng)前我國的鐵路以及城市軌道交通橋梁基本上是按全預(yù)應(yīng)力箱形混凝土梁設(shè)計(jì)，在使用階段活載作用時截面下緣要求不能出現(xiàn)拉應(yīng)力，為盡量發(fā)揮預(yù)應(yīng)力筋作用，預(yù)筋重心盡量偏下，以抵抗荷載作用，于是，在使用階段全部恒載的作用下，截面將長期處于偏心受壓狀態(tài)，由此產(chǎn)生徐變上拱。
2.1 影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁徐變上拱的因素
影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁徐變上拱的因素較多，有設(shè)計(jì)方面因素、施工方面因素及梁體所處環(huán)境的影響。
⑴.設(shè)計(jì)方面因素
橋梁在使用階段恒載作用下其截面下緣應(yīng)力水平以及梁體的恒、活載設(shè)計(jì)彎矩比值是設(shè)計(jì)方面的主要因素。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(rèn)為，當(dāng)應(yīng)力在0.4Ra（Ra為棱柱體抗壓強(qiáng)度）以內(nèi)時，徐變變形隨應(yīng)力增大呈線性發(fā)展；超過0.4Ra時，便產(chǎn)生非線性徐變，會導(dǎo)致變形及上拱迅速增大（CEP/FIP 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1.6.4.3條）。在設(shè)計(jì)過程中，可采用提高其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)筋的布置使梁的截面上下緣應(yīng)力在預(yù)筋及恒載的作用下盡力接近，從而將梁體徐變上拱值控制于規(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(dāng)預(yù)應(yīng)力與恒載產(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(dāng)主梁截面的恒、活載設(shè)計(jì)彎矩比符合以下條件時才能實(shí)現(xiàn)，即：
M活—橋梁設(shè)計(jì)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(dāng) 小于或大于 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(jì)中，計(jì)算表明，當(dāng)恒載彎矩所占的比例大時，徐變上拱較小，因此，當(dāng)線路標(biāo)準(zhǔn)制定后，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(jì)值及梁高，二期恒載設(shè)計(jì)值較大及梁高較大者，恒活載彎矩比值也相應(yīng)增大，梁體徐變上拱則會相應(yīng)降低。而當(dāng)荷載、主梁截面確定后，可通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋的布置，使 值與 盡力接近，來降低梁體的徐變變形。
國外在高速鐵路無碴軌道橋梁設(shè)計(jì)中，亦將降低主梁在恒載作用下的截面下緣應(yīng)力值（或者說降低主梁由活載產(chǎn)生的截面下緣拉應(yīng)力）作為其控制橋梁徐變上拱度的一個主要手段。不同國家鐵路無碴軌道預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁跨中截面下緣應(yīng)力水平比較見表1。
各國鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁跨中截面下緣應(yīng)力水平 表 1
1.水灰比和水泥用量
水灰比和水泥用量是影響徐變上拱的重要因素，這是因?yàn)榛炷恋男熳冎饕伤酀{的徐變引起的，在相同水灰比情況下，徐變變形隨水泥用量增多而變大；當(dāng)水泥用量一定時，又會隨水灰比的增大而增加。
2.骨料的力學(xué)性能
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，施工時應(yīng)強(qiáng)調(diào)選用彈性模量較高的巖石和適宜的級配。試驗(yàn)表明；采用石灰石碎石骨料有助于降低混凝土的徐變變形。
3.施加預(yù)應(yīng)力時梁體的彈性模量
根據(jù)線性徐變理論，徐變上拱的大小取決于施加預(yù)應(yīng)力時梁體的彈性上拱量，偏低的彈性模量會引起較大的徐變上拱。因此，在施加預(yù)應(yīng)力前，除了檢驗(yàn)混凝土強(qiáng)度外，還應(yīng)同時檢測其彈性模量，在兩者均滿足設(shè)計(jì)要求后，再予以施加預(yù)應(yīng)力。
4.混凝土養(yǎng)護(hù)
試驗(yàn)證明，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝可降低混凝土的徐變變形。
2.2 混凝土徐變終極系數(shù)的確定
由于徐變系數(shù)φ∞的取值與結(jié)構(gòu)的暴露條件、加載齡期、構(gòu)件尺寸、截面形狀等因素有關(guān)，并存在有箱梁內(nèi)外在暴露條件不同的差異。有關(guān)混凝土徐變的計(jì)算，關(guān)鍵是要對其徐變系數(shù)φ∞取值盡量與實(shí)際條件相符，世界各國有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對混凝土徐變終極系數(shù)的取值也不盡相同，見表2。
各國設(shè)計(jì)規(guī)范對徐變終極系數(shù)的取值表 表2
** 按C/W=0.40，h=60cm,t=10d，濕度70%計(jì)算而得
確定徐變系數(shù)φ∞的取值必須考慮結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸以及加載齡期、所處環(huán)境條件等因素。考慮到我國鐵路規(guī)范所確定的徐變系數(shù)是以T型梁為主的試驗(yàn)資料得出的，而T型梁與箱形梁存在有混凝土徐變參數(shù)取值的差異，確定預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁徐變上拱計(jì)算以參照英國規(guī)范所取徐變參數(shù)取值的計(jì)算結(jié)果，作為最終設(shè)計(jì)值。
2.3 預(yù)應(yīng)力徐變上拱限值確定
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(jì)限值還需考慮徐變變異系數(shù)的影響，經(jīng)調(diào)查，鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁實(shí)測徐變上拱度的變異系數(shù)為0.3，無碴軌道預(yù)應(yīng)力箱梁預(yù)制的變異系數(shù)參照其調(diào)查結(jié)果取0.30，這樣，在要求殘余徐變上拱度不大于10mm時，按95%保證率時有：
[ft]≤1.0/（1+1.645×0.30）=0.67cm
設(shè)計(jì)中，將[ft]做為預(yù)應(yīng)力混凝土梁的徐變上拱設(shè)計(jì)限值。
3 秦沈客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土無碴軌道梁設(shè)計(jì)簡介
秦沈客運(yùn)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，研制了兩種軌道形式的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。
2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
⑴.主要設(shè)計(jì)原則
①. 設(shè)計(jì)依據(jù)為《時速200公里新建鐵路線橋隧站設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》；
②. 結(jié)構(gòu)按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，橋面寬度為12.4m；
③.設(shè)計(jì)荷載：采用ZK活載；
④. 梁體的剛度通過車線橋動力響應(yīng)計(jì)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(jì)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)施工之日起梁體產(chǎn)生的殘余徐變上拱值不大于10mm。
⑵.主要材料及數(shù)量
主梁采用C50混凝土及公稱直徑15.20mm，強(qiáng)度級別為1860MPa的低松弛鋼鉸線，結(jié)構(gòu)主要工程數(shù)量及尺寸見表3和圖1。
秦沈客運(yùn)專線箱型無碴梁主要工程數(shù)量 表3
圖1 無碴軌道簡支箱梁結(jié)構(gòu)形式圖
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，采用加鋪墊層的方法進(jìn)行排水處理，梁體自重與二期恒載比有碴軌道箱梁有所減少，在滿足各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)要求的條件下，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(xiàng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算值見表4。
秦沈客運(yùn)專線箱型無碴梁設(shè)計(jì)指標(biāo) 表4
秦沈客運(yùn)專線箱型無碴梁徐變上拱度數(shù)值 表 5
秦沈客運(yùn)專線箱型無碴梁于2001年7月已全部完成預(yù)制架設(shè)，通過現(xiàn)場對先期預(yù)制的7孔梁的觀測，在橋面前的梁體徐變上拱均控制于理論計(jì)算值以內(nèi)，二期恒載施加后的梁體徐變上拱現(xiàn)仍處于觀測中。
4 北京城市輕軌預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁徐變上拱的分析
在北京城市輕軌鐵路橋梁設(shè)計(jì)中，采用承軌臺式無碴軌道結(jié)構(gòu)，對于預(yù)應(yīng)力混凝土梁因預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的徐變上拱也相應(yīng)需要有嚴(yán)格的限制。即自無碴軌道結(jié)構(gòu)施工之日起產(chǎn)生的徐變上拱值也要求不大于10mm。 對于3x25m全支架現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁體預(yù)應(yīng)力筋張拉按制梁后12天計(jì)，二期恒載按梁體預(yù)應(yīng)力筋張拉按制梁后60天計(jì)，對該梁體的徐變變形的校核計(jì)算結(jié)果見表6。
北京城市輕軌鐵路3x25箱型無碴連續(xù)梁徐變上拱數(shù)值表 表 6
按C/W=0.40，h=333mm,t=12天，濕度40%計(jì)算而得
通過初步計(jì)算分析，3x25m全支架現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁邊跨跨中為全橋徐變上拱控制點(diǎn)，在梁體預(yù)應(yīng)力筋張拉完畢后60天計(jì)時，其值接近7mm。在設(shè)計(jì)過程中，可對預(yù)筋進(jìn)行局部調(diào)整以及嚴(yán)格控制預(yù)筋張拉及二期恒載的施加時間，另外，環(huán)境的變化對該值也會產(chǎn)生一定的影響，如濕度控制滿足徐變上拱限值的要求。
5結(jié)語
無碴軌道預(yù)應(yīng)力混凝土梁的徐變上拱必須予以嚴(yán)格控制，并且應(yīng)考慮不同生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)所處環(huán)境條件的綜合影響。 首先，通過適當(dāng)增加梁體的剛度，提高恒活載作用效應(yīng)比值，降低對其施加的預(yù)應(yīng)力水平，能夠有效地降低結(jié)構(gòu)徐變上拱。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，建議無碴軌道梁的撓跨比不宜大于1/4000。
其次，嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力張拉時間以及二期恒載施加期限是保證無碴軌道預(yù)應(yīng)力箱梁殘余徐變上拱度值控制于限值之內(nèi)的關(guān)鍵。實(shí)踐證明，預(yù)加應(yīng)力齡期不宜早于10天，橋面軌道鋪設(shè)宜在預(yù)應(yīng)力終張拉60天后進(jìn)行。 最后，無碴軌道梁在設(shè)計(jì)時還要對施工混凝土質(zhì)量和工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，如水灰比不得大于0.4、現(xiàn)場對預(yù)筋的管道摩阻進(jìn)行實(shí)測并對其張拉應(yīng)力進(jìn)行修正、嚴(yán)格控制水泥用量以確保其彈性模量不低于設(shè)計(jì)值等等措施，另外，施加預(yù)應(yīng)力要嚴(yán)格實(shí)行“雙控”，嚴(yán)禁超張拉，以確保滿足預(yù)應(yīng)力徐變上拱限值的要求。
參考文獻(xiàn)：
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[2] 范立礎(chǔ) 橋梁工程（第二版）.人民交通出版社.1987年.
[3] 日本《鐵道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等標(biāo)準(zhǔn)·同解說》（コンクリ－ト結(jié)構(gòu)）1992年10月.
[4] 德國鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（DS 804）.
[5] BS5400 Part 4 1990
