无碴轨道预应力混凝土梁设计

    摘 要：通过对预应力混凝土梁在徐变上拱的控制的分析研究，对无碴轨道梁设计的关键技术作了简要介绍，以便为今后的同类工程提供借鉴。关键词：无碴轨道、预应力混凝土梁、设计介绍１概述
      无碴轨道可以从根本上解决传统的有碴轨道在频繁动载作用下轨道状态的稳定问题，从而大幅度减少轨道结构的维修作业量，简化了轨道的维修管理，使线路养护维修费用也大大降低。为了保证旅客乘坐的舒适度以及对轨道的平顺性要求，在各国高速铁路桥梁设计中，目前已大量采用了无碴轨道结构。
      随着我国经济的发展，作为城市公交体系的轨道交通已成为大中城市的重要组成部分，而作为该体系中的城市轻轨由于其具有显著的经济性也将大量使用，由于无碴轨道桥梁具有上述的优点，对于城市轨道交通具有较好的适应性，因而在我国的城市轨道交通的桥梁结构中被普遍采用，如上海的明珠线、北京城市轻轨等等。然而，桥上无碴轨道的应用与隧道、路基不同，桥梁结构在活载作用下的弹性变形以及恒载作用下的长期变形都会直接影响到桥上轨道结构的受力、平顺性及行车安全及舒适性。而且无碴轨道设备在铺就后，其扣件的调整量有限，因此，对于预应力产生的徐变上拱的控制就成为无碴轨道预应力混凝土梁设计的关键。
2预应力混凝土梁桥徐变上拱的控制
      当前我国的铁路以及城市轨道交通桥梁基本上是按全预应力箱形混凝土梁设计，在使用阶段活载作用时截面下缘要求不能出现拉应力，为尽量发挥预应力筋作用，预筋重心尽量偏下，以抵抗荷载作用，于是，在使用阶段全部恒载的作用下，截面将长期处于偏心受压状态，由此产生徐变上拱。
2.1 影响预应力混凝土梁徐变上拱的因素
      影响预应力混凝土梁徐变上拱的因素较多，有设计方面因素、施工方面因素及梁体所处环境的影响。
⑴.设计方面因素
      桥梁在使用阶段恒载作用下其截面下缘应力水平以及梁体的恒、活载设计弯矩比值是设计方面的主要因素。长期受压的混凝土徐变变形与其应力大小有直接关系，一般认为，当应力在0.4Ra（Ra为棱柱体抗压强度）以内时，徐变变形随应力增大呈线性发展；超过0.4Ra时，便产生非线性徐变，会导致变形及上拱迅速增大（CEP/FIP 混凝土结构设计 2.1.6.4.3条）。在设计过程中，可采用提高其高跨比以加大梁的竖向刚度来减小活载作用下的梁体下缘混凝土拉应力值，其次，通过调整预筋的布置使梁的截面上下缘应力在预筋及恒载的作用下尽力接近，从而将梁体徐变上拱值控制于规定的限值之内。
      从理论上讲，预应力筋对梁体截面产生的预应力效应包括轴力和弯矩两部分，当预应力与恒载产生的截面弯矩充分接近时，梁体截面将长期处于均匀受压状态，梁体的徐变上拱很小，甚至接近于零。这种理想状态对全预应力梁而言，只有当主梁截面的恒、活载设计弯矩比符合以下条件时才能实现，即：式中：M恒—桥梁自重及二期恒载产生的截面弯矩；
M活—桥梁设计活载产生的截面弯矩；
A---截面面积；
e---截面的预应力偏心距；
W下—截面的下缘弯曲抵抗矩。
      当 小于或大于 时，截面将长期处于偏心受压状态，必然出现徐变上拱或下挠，并随其差值的增大而增加。在梁体控制截面的设计中，计算表明，当恒载弯矩所占的比例大时，徐变上拱较小，因此，当线路标准制定后，在梁跨相同情况下，对于不同线路设备等二期恒载设计值及梁高，二期恒载设计值较大及梁高较大者，恒活载弯矩比值也相应增大，梁体徐变上拱则会相应降低。而当荷载、主梁截面确定后，可通过调整预应力筋的布置，使 值与 尽力接近，来降低梁体的徐变变形。
      国外在高速铁路无碴轨道桥梁设计中，亦将降低主梁在恒载作用下的截面下缘应力值（或者说降低主梁由活载产生的截面下缘拉应力）作为其控制桥梁徐变上拱度的一个主要手段。不同国家铁路无碴轨道预应力混凝土简支梁跨中截面下缘应力水平比较见表1。各国铁路预应力混凝土简支梁跨中截面下缘应力水平 表 1⑵ 施工方面因素
1.水灰比和水泥用量
      水灰比和水泥用量是影响徐变上拱的重要因素，这是因为混凝土的徐变主要由水泥浆的徐变引起的，在相同水灰比情况下，徐变变形随水泥用量增多而变大；当水泥用量一定时，又会随水灰比的增大而增加。
2.骨料的力学性能
      骨料在混凝土中主要是对水泥浆体徐变起约束作用，其程度取决于骨料的弹性模量和体积含量，因此，施工时应强调选用弹性模量较高的岩石和适宜的级配。试验表明；采用石灰石碎石骨料有助于降低混凝土的徐变变形。
3.施加预应力时梁体的弹性模量
      根据线性徐变理论，徐变上拱的大小取决于施加预应力时梁体的弹性上拱量，偏低的弹性模量会引起较大的徐变上拱。因此，在施加预应力前，除了检验混凝土强度外，还应同时检测其弹性模量，在两者均满足设计要求后，再予以施加预应力。
4.混凝土养护
      试验证明，采用蒸汽养护工艺可降低混凝土的徐变变形。
2.2 混凝土徐变终极系数的确定
      由于徐变系数φ∞的取值与结构的暴露条件、加载龄期、构件尺寸、截面形状等因素有关，并存在有箱梁内外在暴露条件不同的差异。有关混凝土徐变的计算，关键是要对其徐变系数φ∞取值尽量与实际条件相符，世界各国有关设计规范对混凝土徐变终极系数的取值也不尽相同，见表2。各国设计规范对徐变终极系数的取值表 表2* 由T型截面试验资料取得
** 按C/W=0.40，h=60cm,t=10d，湿度70%计算而得
      确定徐变系数φ∞的取值必须考虑结构的形状、尺寸以及加载龄期、所处环境条件等因素。考虑到我国铁路规范所确定的徐变系数是以T型梁为主的试验资料得出的，而T型梁与箱形梁存在有混凝土徐变参数取值的差异，确定预应力混凝土箱梁徐变上拱计算以参照英国规范所取徐变参数取值的计算结果，作为最终设计值。
2.3 预应力徐变上拱限值确定
      在采用工地制梁或工厂制梁时，无碴轨道残余徐变上拱设计限值还需考虑徐变变异系数的影响，经调查，铁路预应力混凝土梁实测徐变上拱度的变异系数为0.3，无碴轨道预应力箱梁预制的变异系数参照其调查结果取0.30，这样，在要求残余徐变上拱度不大于10mm时，按95%保证率时有：
[ft]≤1.0/（1+1.645×0.30）=0.67cm
设计中，将[ft]做为预应力混凝土梁的徐变上拱设计限值。
3 秦沈客运专线预应力混凝土无碴轨道梁设计简介
      秦沈客运专线是我国第一条时速在160km以上的新建铁路，为了推广无碴轨道在我国铁路桥梁上的应用，研制了两种轨道形式的预应力混凝土简支箱梁。
2结构设计
⑴.主要设计原则
①. 设计依据为《时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定》；
②. 结构按全预应力结构设计，桥面宽度为12.4m；
③.设计荷载：采用ZK活载；
④. 梁体的刚度通过车线桥动力响应计算确定，在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下，梁体的水平挠度应不大于梁体计算跨度的1/4000；在列车静活载作用下，梁体扭转角不得大于1‰；
⑤. 梁体徐变上拱度：自无碴轨道结构施工之日起梁体产生的残余徐变上拱值不大于10mm。
⑵.主要材料及数量
       主梁采用C50混凝土及公称直径15.20mm，强度级别为1860MPa的低松弛钢铰线，结构主要工程数量及尺寸见表3和图1。秦沈客运专线箱型无碴梁主要工程数量 表3 图1 无碴轨道简支箱梁结构形式图⑶.主要设计指标
      无碴轨道箱梁的梁高是通过动力仿真分析确定的，由于其梁高比同跨度有碴轨道箱梁高10～20cm，与有碴轨道箱梁相比，梁体刚度增大，截面抗弯能力得以提高，加之梁顶采用平置后，采用加铺垫层的方法进行排水处理，梁体自重与二期恒载比有碴轨道箱梁有所减少，在满足各项主要技术指标要求的条件下，无碴轨道箱梁所需的预应力材料比同跨度有碴轨道箱梁减少了约10%。各项主要设计指标计算值见表4。秦沈客运专线箱型无碴梁设计指标 表4       在秦沈客运专线箱型无碴梁徐变上拱值计算中，梁体截面应力需考虑剪力滞的影响，要对截面有效宽度进行修正，变形则采用全截面值，以反映梁体实际刚度，各阶段均梁体变形均未考虑剪切变形的影响。跨中挠度及有关徐变计算结果比较见表5，具体数值计算方法在此不在赘述。秦沈客运专线箱型无碴梁徐变上拱度数值 表 5 注:斜线上为按《桥规》TBJ2-96取φ∞计算值, 斜线下按参考国外规范取φ∞计算值。hm＞600mm。
      秦沈客运专线箱型无碴梁于2001年7月已全部完成预制架设，通过现场对先期预制的7孔梁的观测，在桥面前的梁体徐变上拱均控制于理论计算值以内，二期恒载施加后的梁体徐变上拱现仍处于观测中。
4 北京城市轻轨预应力混凝土连续梁徐变上拱的分析
      在北京城市轻轨铁路桥梁设计中，采用承轨台式无碴轨道结构，对于预应力混凝土梁因预应力产生的徐变上拱也相应需要有严格的限制。即自无碴轨道结构施工之日起产生的徐变上拱值也要求不大于10mm。       对于3x25m全支架现浇预应力混凝土连续梁，梁体预应力筋张拉按制梁后12天计，二期恒载按梁体预应力筋张拉按制梁后60天计，对该梁体的徐变变形的校核计算结果见表6。北京城市轻轨铁路3x25箱型无碴连续梁徐变上拱数值表 表 6注:斜线上为按《桥规》TBJ2-96取φ∞计算值, 斜线下按参考国外规范取φ∞计算值。
按C/W=0.40，h=333mm,t=12天，湿度40%计算而得
      通过初步计算分析，3x25m全支架现浇预应力混凝土连续箱梁边跨跨中为全桥徐变上拱控制点，在梁体预应力筋张拉完毕后60天计时，其值接近7mm。在设计过程中，可对预筋进行局部调整以及严格控制预筋张拉及二期恒载的施加时间，另外，环境的变化对该值也会产生一定的影响，如湿度控制满足徐变上拱限值的要求。
5结语
      无碴轨道预应力混凝土梁的徐变上拱必须予以严格控制，并且应考虑不同生产工艺、结构所处环境条件的综合影响。 首先，通过适当增加梁体的刚度，提高恒活载作用效应比值，降低对其施加的预应力水平，能够有效地降低结构徐变上拱。采用较大的高跨比通过加大梁的刚度，降低梁体下缘应力水平，是有效地降低结构徐变上拱的前提，建议无碴轨道梁的挠跨比不宜大于1/4000。
      其次，严格控制预应力张拉时间以及二期恒载施加期限是保证无碴轨道预应力箱梁残余徐变上拱度值控制于限值之内的关键。实践证明，预加应力龄期不宜早于10天，桥面轨道铺设宜在预应力终张拉60天后进行。 最后，无碴轨道梁在设计时还要对施工混凝土质量和工艺进行严格控制，如水灰比不得大于0.4、现场对预筋的管道摩阻进行实测并对其张拉应力进行修正、严格控制水泥用量以确保其弹性模量不低于设计值等等措施，另外，施加预应力要严格实行“双控”，严禁超张拉，以确保满足预应力徐变上拱限值的要求。参考文献：
[1] 铁科院，《高速铁路无碴轨道预应力混凝土箱形简支梁徐变上拱的限值与控制》
[2] 范立础 桥梁工程（第二版）.人民交通出版社.1987年.
[3] 日本《铁道结构设计等标准·同解说》（コンクリ－ト结构）1992年10月.
[4] 德国铁路桥梁设计规范（DS 804）.
[5] BS5400 Part 4 1990