高速鐵路無砟軌道矮塔斜拉橋豎向變形研究*

張發奎，楊正華，蘇鵬超，徐 杰，葉小鋒

(1.西安工業大學 建筑工程學院,西安 710021;2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043;3.陜西中立檢測鑒定有限公司,西安 710075)

矮塔斜拉橋作為拉索體系和梁式體系的組合結構,是預應力混凝土梁橋與斜拉橋之間的過渡橋型,結構上具有塔矮、梁剛、索集中布置的特點,且造型美觀,經濟指標好。高速鐵路行車速度高,運營期間對梁體結構動力作用及其顯著,而且無砟軌道橋梁無法通過調節道砟厚度來調節軌道高程,因此,高速鐵路無砟軌道矮塔斜拉橋需有足夠的剛度、平順性和較小的殘余變形[1-3]。矮塔斜拉橋屬于高次超靜定結構,復雜的受力形式與眾多影響變形因素使得研究該橋型的梁體豎向變形控制對橋梁設計與建造有重要意義。

近年來,針對矮塔斜拉橋的變形控制多數學者開展大量研究工作,在橋梁結構與施工技術方面,文獻[4]分析了矮塔斜拉橋的梁高、塔高對梁體變形的影響規律,發現隨著梁高的增高,由溫度產生的軌道不平順值呈降低的趨勢;隨著塔高的增大,溫度變形及由其產生的軌道不平順值呈增大的趨勢;文獻[5-6]研究了三塔矮塔斜拉橋合理的結構參數(邊中跨比、外伸跨長、塔跨比),斜拉索二次張拉技術對收縮徐變效應的影響,發現斜拉索二次張拉,可有效控制主梁殘余徐變變形。文獻[7]對鐵路預應力混凝土(Prestressed Concrete,PC)部分斜拉橋進行了不同工況作用下線形控制施工技術研究;文獻[8]分析了不同合攏順序對矮塔斜拉橋撓度變形的影響,得出先合攏邊跨再合攏中跨,相應的撓度變化更合理;針對高速鐵路無砟軌道橋梁,為了滿足后續鋪軌需求并保障鐵路運營安全,關鍵在于減小成橋線形與設計線形的偏差。為實現這一目標,有必要深入研究可能導致橋梁偏離設計理想狀態的各種因素,并分析成橋狀態下結構變形對各參數的敏感程度[9-10],文獻[11-15]對影響矮塔斜拉橋線形的關鍵參數(索力、主梁容重、主梁預應力、橋面鋪裝等)進行了敏感性分析,確定了各參數對橋梁線形的影響程度;同時矮塔斜拉橋作為高次超靜定復雜結構,混凝土收縮徐變將會引起梁體內力重分布和不均勻變形,這對于橋梁線形控制不可忽視,對于一座已建成橋梁,結構形式固定,分析橋梁使用期限內混凝土收縮徐變作用下梁體變形更有實際價值。大跨度斜拉橋的線形及受力狀態易受環境因素的影響,如日照、溫度等[16-18],針對斜拉橋溫度效應的影響,文獻[19]針對漂浮和半漂浮雙塔斜拉橋體系,通過研究拉索、主梁和橋塔溫度變化對跨中豎向位移的影響,提出了豎向位移的通用計算公式;文獻[20]研究了施工過程中溫度對斜拉橋主梁的影響效應,發現主梁撓度變化與溫度變化呈相反的趨勢,且腹板的存在其豎向溫度梯度的溫差值減小;文獻[21]構建了考慮溫度效應的塔-索-主梁連續耦合非線性振動精細化模型,通過編程研究發現索梁溫差的拉索振動具有明顯"拍"特征;文獻[22]以港珠澳大橋中的青州航道橋為研究對象,建立了橋塔的太陽溫度場計算模型。實際情況中拉索材質和混凝土比熱容不同,拉索升降溫快,索梁溫差對整體結構影響不可忽視,分析橋梁各構件溫度耦合效應下的梁體變形更符合實際情況,目前對于此類問題研究較少。

基于此,文中以廣汕鐵路長沙灣特大橋主橋為工程背景,運用數值模擬的方法,系統的對拉索索力、溫度荷載、混凝土收縮徐變等影響橋梁豎向變形關鍵參數開展研究,分析了拉索索力對梁體豎向變形的影響程度,環境溫度變化對梁體線形的影響以及橋梁各構件溫度耦合效應下的梁體變形,加載齡期、年平均濕度變化以及成橋時間對梁體豎向變形的影響。

1 工程背景

長沙灣特大橋位于廣東汕尾市境內,是廣東境內最長跨海大橋,主橋為(90+180+90)m預應力混凝土矮塔斜拉橋,設計時速350 km·h-1,結構體系為塔梁固結、墩梁分離,主梁采用預應力混凝土結構,索塔采用雙塔鋼筋混凝土結構,斜拉索采用平行雙索面體系扇形布置,每個索塔設7對拉索,斜拉索在梁上間距為 9.0 m,塔端拉索間距為1.1 m。梁體為單箱雙室、變高度直腹板箱梁,梁高按圓曲線變化,邊跨直線段梁高5 m,中支點處截面梁高9.9 m,主梁跨中截面如圖1所示。

圖1 主梁跨中截面圖

施工方案為:施工過程中將主梁對稱劃分19塊,0號塊位于中支點處。主梁除邊跨直線段和0號塊采用膺架法施工外,其余均采用采用掛籃施工。首先進行0號塊施工,并將墩梁臨時固結形成“T構”,再進行塔身施工,在連續梁懸臂施工各個節段過程中進行斜拉索的施工張拉,合龍順序為先邊跨后中跨,體系轉換后形成連續梁,停梁60 d后,經斜拉索二次調索后,最終成橋。

2 建立有限元模型

采用Midas Civil軟件建立全橋有限元模型如圖2所示,其中橋塔、主梁采用梁單元進行模擬,斜拉索采用桁架單元進行模擬,支座采用“一般支承”模擬,全橋有限元模型共有211個單元,227個節點,施工過程嚴格按照實際施工順序進行模擬,其中梁體劃分19塊,26個施工階段。

圖2 有限元模型

全橋固定支座設于2#墩,其余均為縱向滑動支座,支座按照表1進行數值模擬。

表1 支座模擬

3 橋梁豎向變形參數分析

3.1 拉索索力對梁體豎向變形影響分析

矮塔斜拉橋斜拉索的索力通過索塔分配給主梁水平與豎直方向分力,水平分力可以解決梁體內預應力不足問題,豎向分力可以提高橋梁豎向承載力,設計中可以通過調節索塔高度、調整索力等優化結構豎向承載性能。

橋梁在施加二期恒載以后豎向支反力總和為426 350.2 kN,通過計算各拉索索力豎向分力之和為161 188.3 kN,占豎向支反力之和的37.8%。為研究矮塔斜拉橋結構中拉索索力對結構變形的影響程度,對有無拉索索力情況下靜活載作用下的梁體豎向變形進行了對比分析,活載采用《鐵路列車荷載圖示》TB 3466-2016 中的ZK(中國客運)活載,根據結構影響線和活載最不利布置,得到ZK活載下主梁各位置的最大豎向變形如圖3所示。

圖3 ZK活載作用下梁各位置最大豎向變形圖

由圖3可知,在ZK活載作用下矮塔斜拉橋各跨的豎向變形最大位置都在跨中,邊跨豎向變形最大值為-18.5 mm;中跨豎向最大值為-90.6 mm,為跨度的1/1987。無拉索索力情況下,邊跨豎向變形最大值為-19.6 mm;中跨豎向變形最大值為-106.8 mm,為跨度的1/168 5;分析得拉索豎向分力之和占橋梁豎向支反力之和的37.8%時,邊跨最大豎向變形僅減少了5.6%,橋梁中跨最大豎向變形減少了15.2%。由此可得,在ZK活載作用下,梁體主要依靠自身剛度抵抗變形;拉索可有效減小橋梁中跨跨中位置處的豎向變形。

3.2 溫度荷載作用下橋梁豎向變形分析

橋梁溫度的變化受當環境溫度,日照角度以及自身材料導熱性能的影響。結合橋址處氣候環境,本文的溫度荷載按整體溫差、溫度梯度、索梁溫差三種考慮,整體升降溫按照20 ℃考慮;索梁溫差按10 ℃考慮;日照引起橋梁沿梁高方向的溫度變化按《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》TB 10092-2017取值,溫度梯度計算公式為

Ty=T0e-ay,

(1)

式中:Ty為計算點y處的溫度,單位℃;T0為箱梁梁高方向溫差,單位℃,按規范取20 ℃;y為計算點至箱梁外表面的距離,單位m;a為計算參數,單位m-1,按規范取5 m-1。

箱梁溫差分布圖如圖4所示。

圖4 箱梁溫差分布圖

根據橋址處可能的溫度變化情況,進行溫度荷載工況分析,可能的溫度荷載工況見表2。通過有限元分析,開展了工況一至工況六下的橋梁結構位移變形分析,提取不同工況下橋梁縱向各位置點的豎向位移,生成不同溫度工況下的梁體豎向變形變形圖如圖5所示。

表2 溫度荷載工況

圖5 不同溫度荷載作用下梁體變形

由圖5得到,三跨矮塔斜拉橋在溫度荷載作用下,主梁在豎向平面內會產生一定的凸起與下撓變形。具體表現在:① 在整體升溫、梯度升溫或索梁溫差+10 ℃作用下,橋梁邊跨發生凸起變形,中跨發生下撓變形,反之,橋梁的變形相反;② 在橋梁中跨,由索梁正溫差引起的豎向變形最大為-8.77 mm,梯度升溫引起的豎向變形最大為-6.15 mm,整體升溫引起的豎向變形最大為-2.34 mm;在橋梁邊跨,由梯度升溫引起的豎向變形最大為2.85 mm,索梁正溫差引起的豎向變形最大為1.08 mm,整體升溫引起的豎向變形最大為0.57 mm。分析得,溫度荷載作用下中跨豎向變形大于邊跨,中跨索梁溫差影響豎向變形最大,邊跨溫度梯度影響豎向變形最大,在索梁正溫差作用下的中跨最大豎向變形值是整體升溫作用下的3.75倍,是梯度升溫作用下的1.43倍,三者引起的豎向變形值差異較大,因此在橋梁線形控制中需要考慮橋梁各構件溫差引起的溫度耦合效應。

由于主梁與拉索自身材質不同,導熱性能也不同,因此隨著環境溫度的變化,橋梁自身溫度隨之變化的同時拉索與塔梁之間也存在局部溫差,現分析塔梁、拉索溫度耦合效應對梁體豎向變形的影響,建立溫度耦合工況見表3,各工況下梁體豎向變形如圖6所示。

表3 橋梁構件溫度耦合工況

圖6 溫度耦合效應下梁體豎向變形

從圖6可知,在溫度耦合效應下,橋梁最大豎向變形在中跨跨中位置,索梁溫差從0 ℃增大至+10 ℃過程中,中跨跨中位置處豎向變形0 ℃時為-2.33 mm,5 ℃時為-6.68 mm,10 ℃時為-11.11 mm,分析得:梁體豎向變形隨著索梁溫差的增大近似呈線形增長,從-2.33 mm增長至-11.11 mm,增長量是0℃時的3.77倍,由此得橋梁豎向變形對索梁溫差極其敏感。因此,橋梁運營時若遇到極端氣候變化使環境溫度驟升驟降時,應重點監測拉索與塔梁之間的溫差以及中跨跨中豎向變形。

3.3 收縮徐變對橋梁豎向變形影響分析

收縮徐變是混凝土固有的屬性,混凝土構件收縮徐變是不可避免的。高速鐵路矮塔斜拉橋作為高次超靜定結構,收縮徐變將會引起橋梁內力重分布和不均勻變形,因此收縮徐變是影響橋梁線形的重要因素之一。影響混凝土收縮徐變因素眾多,總的能夠分為內外部兩種因素。內部因素主要包括混凝土的材料及配合比,外部因素主要包括加載應力、持荷時間、加載齡期、環境相對濕度與溫度等[23]。在材料選用一定的情況下,重點是要研究各外部因素對高速鐵路矮塔斜拉橋收縮徐變的影響,分析收縮徐變對梁體變形的影響規律。

當前國內外收縮徐變計算模式眾多并且其計算結果存在些許差異,沒有哪一種計算模式是公認更精確的。我國現行公路與鐵路橋梁設計規范有JTG D62-2004,JTG 3362-2018,TB 10002-2017及Q/CR 9300-2018(極限狀態法)版本等,文獻[24]結合實際工程背景,運用有限元軟件對比六種不同規范收縮徐變對橋梁的變形結果,得出采用JTG 3362-2018 規范計算收縮徐變引起的變形與工程實際更為接近。

綜上論述,本次研究采用JTG 3362-2018規范中的混凝土收縮徐變模型分析收縮徐變對橋梁豎向變形的影響。

3.3.1 混凝土加載齡期對梁體收縮徐變變形影響

不同加載齡期下,混凝土的力學性能差異較大,因此橋梁的收縮徐變效應也顯著不同?，F分析不同加載齡期下,成橋10年收縮徐變對橋梁豎向變形的影響,建立工況情況見表4,不同工況下梁體豎向變形如圖7所示。

表4 施工工況對比表

由圖7可知,成橋10年收縮徐變使橋梁邊跨發生下撓,中跨發生上凸,最大豎向變形發生在中跨跨中位置處;隨著加載齡期的延長,梁體由收縮徐變引起的豎向位移也隨之減小;加載齡期從5 d增長至28 d的過程中,邊跨豎向變形曲線基本重合,梁體中跨跨中位置處的豎向變形最大減小量為2.7 mm,占5 d加載齡期引起的豎向變形的15.8%,8 d加載齡期減小量為0.9 mm,與最大減小量相差1.8 mm,14 d加載齡期減小量為2.4 mm,與最大減小量僅相差0.3 mm。分析可得,隨著加載齡期的延長,收縮徐變對邊跨豎向變形的影響可忽略不計,對中跨豎向變形影響較大,但當橋梁在14 d與28 d不同加載齡期條件下,收縮徐變引起梁體的豎向變形相差極小。

3.3.2 年平均相對濕度對梁體收縮徐變變形影響

年平均相對濕度作為影響混凝土收縮徐變的重要因素之一,混凝土作為橋梁的主要材料之一,因此需研究年平均相對濕度對橋梁收縮徐變的影響?，F分析不同年平均相對濕度環境下,成橋10年收縮徐變對橋梁豎向變形的影響如圖8所示。

圖8 梁體豎向變形圖

圖8顯示:徐變效應引起梁體的豎向變形遠大于收縮效應引起的,收縮與徐變效應引起梁體最大豎向變形均在中跨跨中;隨著年平均相對濕度(Relative Humidity,RH)的增大,對梁體收縮變形影響大,對梁體徐變變形影響小;當RH由50%增長至90%的過程中,梁體中跨跨中位置由徐變效應引起的豎向變形最大減小量為0.7 mm,僅占RH=50%引起豎向變形的2.7%,由收縮效應引起的豎向位變形最大減小量為4.7 mm,占RH=50%引起豎向變形的69.1%。在實際工程中,混凝土的收縮與徐變效應是密不可分的,現分析不同年平均相對濕度下,收縮徐變共同作用下對梁體豎向變形的影響。

由圖8可知,成橋10年收縮徐變引起梁體豎向變形主要取決于徐變效應,邊跨下撓,中跨上凸;隨著RH的增大,橋梁中跨跨中位置豎向變形也隨著增大,收縮徐變效應對梁體豎向變形呈增大趨勢,這是由于隨著RH的增大,徐變效應作用下梁體中跨跨中上凸變形減小量小,收縮效應作用下梁體下撓變形減小量大,故二者疊加后梁體豎向變形呈增長趨勢。因此,年平均相對濕度變化引起梁體豎向變形主要取決于收縮效應。

3.3.3 成橋時間對梁體收縮徐變變形影響

由于混凝土的水化作用是長期性的,隨著持荷時間的增長混凝土的收縮徐變效應也在不斷增加。通過前面分析可得,在收縮徐變作用下,橋梁的最大豎向變形發生在中跨跨中位置處,現以中跨跨中位置為控制點,分析不同成橋時間收縮徐變對梁體豎向變形的影響,結果如圖9所示。

圖9 成橋時間對梁體豎向變形的影響

由圖9可知,徐變作用下引起的梁體豎向變形在成橋5年內增長速率較快,成橋10年變形量趨于穩定并有減小的趨勢;隨著成橋時間的增長,收縮效應引起梁體變形量逐漸增大,但增長速率逐漸減小。在收縮徐變共同作用下,在成橋前5年橋梁中跨跨中位置豎向變形量逐漸增大,最大值為+15.43 mm;第5年以后,豎向變形量逐漸減小,運營30年時變形量為+7.49 mm,占最大變形量的48.5%。

4 結 論

文中以廣汕鐵路長沙灣特大橋主橋為工程背景,通過數值模擬對拉索索力、溫度荷載、混凝土收縮徐變等影響橋梁豎向變形關鍵參數進行對比計算,得到以下結論:

1) 梁體主要依靠自身剛度抵抗變形,拉索索力可有效減小橋梁中跨跨中位置處的豎向變形。在有拉索索力情況下,邊跨跨中豎向變形減少了5.6%,橋梁中跨跨中豎向變形減少了15.2%;

2) 邊跨豎向變形受溫度梯度影響較大,中跨豎向變形對索梁溫差極其敏感。在塔梁與拉索整體升溫20 ℃與局部索梁溫差耦合效應下,索梁溫差從0 ℃增長至10 ℃,中跨跨中位置豎向變形增長量是0 ℃時的3.77倍。因此,為降低溫度荷載對橋梁豎向變形的影響,運營時應采取必要措施,中跨應著重降低索梁溫差,邊跨應著重減小梁截面溫度梯度;若遇到惡劣氣候變化使得溫度驟升驟降,應重點監測索梁溫差以及中跨跨中位置豎向變形。

3) 混凝土不同加載齡期對成橋10年橋梁邊跨豎向變形影響不大,但對中跨豎向變形影響較大,但混凝土加載齡期14 d與28 d對梁體豎向變形影響相差極小,中跨跨中位置豎向變形僅相差0.3 mm。因此,為減小成橋后橋梁的豎向殘余變形,在施工條件允許的情況下,應延長混凝土加載齡期至14 d。

4) 混凝土徐變效應引起的梁體豎向變形遠大于收縮效應。RH變化主要影響收縮變形,RH從50%增長至90%,收縮效應下中跨跨中豎向變形減小了69.1%。

5) 隨著成橋時間的增長,梁體豎向殘余變形呈現出先增長后減小的規律,收縮徐變作用下梁體中跨跨中豎向變形在成橋5年時達到峰值,最大值為+15.43 mm,之后隨著成橋時間的增長變形量逐漸減小。

文中研究了部分關鍵參數對高速鐵路無砟軌道矮塔斜拉橋的梁體豎向變形規律,期望為矮塔斜拉橋的設計和線形控制提供理論參考。下一步將考慮研究布索方式、拉索長度、各構件溫度梯度耦合效應等參數對橋梁豎向變形的影響。