無(wú)碴軌道預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)計(jì)
摘 要：通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁在徐變上拱的控制的分析研究，對(duì)無(wú)碴軌道梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)作了簡(jiǎn)要介紹，以便為今后的同類(lèi)工程提供借鑒。關(guān)鍵詞：無(wú)碴軌道、預(yù)應(yīng)力混凝土梁、設(shè)計(jì)介紹
１概述
無(wú)碴軌道可以從根本上解決傳統(tǒng)的有碴軌道在頻繁動(dòng)載作用下軌道狀態(tài)的穩(wěn)定問(wèn)題，從而大幅度減少軌道結(jié)構(gòu)的維修作業(yè)量，簡(jiǎn)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(duì)軌道的平順性要求，在各國(guó)高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)中，目前已大量采用了無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)。
隨著我國(guó)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(wú)碴軌道橋梁具有上述的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于城市軌道交通具有較好的適應(yīng)性，因而在我國(guó)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(wú)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(zhǎng)期變形都會(huì)直接影響到橋上軌道結(jié)構(gòu)的受力、平順性及行車(chē)安全及舒適性。而且無(wú)碴軌道設(shè)備在鋪就后，其扣件的調(diào)整量有限，因此，對(duì)于預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的徐變上拱的控制就成為無(wú)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(guó)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)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?xún)?nèi)時(shí)，徐變變形隨應(yīng)力增大呈線性發(fā)展；超過(guò)0.4Ra時(shí)，便產(chǎn)生非線性徐變，會(huì)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(guò)程中，可采用提高其高跨比以加大梁的豎向剛度來(lái)減小活載作用下的梁體下緣混凝土拉應(yīng)力值，其次，通過(guò)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(duì)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(shí)，梁體截面將長(zhǎng)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(duì)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(shí)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(shí)，截面將長(zhǎng)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(shí)，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(duì)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(huì)相應(yīng)降低。而當(dāng)荷載、主梁截面確定后，可通過(guò)調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋的布置，使 值與 盡力接近，來(lái)降低梁體的徐變變形。
國(guó)外在高速鐵路無(wú)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(shuō)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(gè)主要手段。不同國(guó)家鐵路無(wú)碴軌道預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁跨中截面下緣應(yīng)力水平比較見(jiàn)表1。
各國(guó)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)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(shí)，又會(huì)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(duì)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(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)選用彈性模量較高的巖石和適宜的級(jí)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(shí)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(shí)梁體的彈性上拱量，偏低的彈性模量會(huì)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(shí)檢測(cè)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(duì)其徐變系數(shù)φ∞取值盡量與實(shí)際條件相符，世界各國(guó)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)混凝土徐變終極系數(shù)的取值也不盡相同，見(jiàn)表2。
各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)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(guó)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(guó)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(shí)，無(wú)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(cè)徐變上拱度的變異系數(shù)為0.3，無(wú)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(shí)，按95%保證率時(shí)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(zhuān)線預(yù)應(yīng)力混凝土無(wú)碴軌道梁設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
秦沈客運(yùn)專(zhuān)線是我國(guó)第一條時(shí)速在160km以上的新建鐵路，為了推廣無(wú)碴軌道在我國(guó)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(jiǎn)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(shí)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(guò)車(chē)線橋動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算確定，在列車(chē)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(chē)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(wú)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(chēng)直徑15.20mm，強(qiáng)度級(jí)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(jiàn)表3和圖1。
秦沈客運(yùn)專(zhuān)線箱型無(wú)碴梁主要工程數(shù)量 表3
圖1 無(wú)碴軌道簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)形式圖
無(wú)碴軌道箱梁的梁高是通過(guò)動(dòng)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(wú)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(jiàn)表4。
秦沈客運(yùn)專(zhuān)線箱型無(wú)碴梁設(shè)計(jì)指標(biāo) 表4
秦沈客運(yùn)專(zhuān)線箱型無(wú)碴梁徐變上拱度數(shù)值 表 5
秦沈客運(yùn)專(zhuān)線箱型無(wú)碴梁于2001年7月已全部完成預(yù)制架設(shè)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)先期預(yù)制的7孔梁的觀測(cè)，在橋面前的梁體徐變上拱均控制于理論計(jì)算值以?xún)?nèi)，二期恒載施加后的梁體徐變上拱現(xiàn)仍處于觀測(cè)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(tái)式無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)，對(duì)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(wú)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(duì)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(duì)該梁體的徐變變形的校核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。
北京城市輕軌鐵路3x25箱型無(wú)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(guò)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(shí)，其值接近7mm。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可對(duì)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(shí)間，另外，環(huán)境的變化對(duì)該值也會(huì)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(yǔ)
無(wú)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(guò)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(duì)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(guò)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(wú)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(shí)間以及二期恒載施加期限是保證無(wú)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(wú)碴軌道梁在設(shè)計(jì)時(shí)還要對(duì)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(chǎng)對(duì)預(yù)筋的管道摩阻進(jìn)行實(shí)測(cè)并對(duì)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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[4] 德國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（DS 804）.
[5] BS5400 Part 4 1990
