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浅谈箱梁徐变上拱度的控制

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：王极极

[导读] 摘要：本文通过客运专线预制箱梁徐变上拱度的成因分析，提出了徐变上拱的有效控制措施和观测手段。

        中铁七局集团西安铁路工程有限公司
        摘要：本文通过客运专线预制箱梁徐变上拱度的成因分析，提出了徐变上拱的有效控制措施和观测手段。
        关键词：客运专线；预制箱梁；徐变上拱度
        1 概述
        随着我国高速铁路的快速发展，后张法预应力混凝土简支梁的应用愈来愈广泛，跨度也加大到50 m以上。其主要优点是刚度大、整体性好、节约钢材，避免裂缝，能提供较好的舒适度和减少噪声。同时，由于工厂化预制，质量容易得到控制和保证，而且可与墩台平行施工，从而加快了工程进度。设计时速350km/h的高速铁路从线路的高平顺性、旅客的高舒适度及列车运行的高安全性方面出发，多实行“以桥代路”，桥面最终上拱度不超过10mm。
        相对于过去桥梁以考虑活载产生的挠度影响为主而言，在衡量结构能否满足正常的使用条件时，除了考虑应力、强度、抗裂等因素外，还必须考虑结构变形。尤其是无碴轨道的预应力梁，由于扣件可调量极小，预应力梁徐变上拱度的问题就成为重中之重。
        2 徐变上拱度的分析
        2.1 徐变上拱的成因分析
        徐变上拱度多是由梁体混凝土的收缩和徐变引起的。由于梁体截面长期处于预应力偏心受压状态，下缘预压应力大，上缘预压应力为零或存在少量拉应力。随着时间的变化，逐渐产生不同的塑性变形即徐变压缩变形。下缘压缩最大、向上逐渐减小，故变形后下缘缩短、上缘伸长，形成了梁体向上拱起，即徐变上拱。
        2.2 徐变上拱的影响因素
        徐变上拱是由混凝土中水泥浆引起的，应力大小、材料组成、外部环境成为影响徐变的主要因素，其作用方式为：
        1）水泥凝胶体在荷载作用下产生黏性流动，并将压力转给骨料颗粒；
        2）内部微裂纹在荷载长期作用下不断发展和增加。
        一般来说，水灰比越大，徐变越大；水泥用量越大，徐变越大；骨料强度越高，徐变越小；养护环境湿度越大，温度越高，水化作用越充分，徐变越小；构件尺寸越大，表面积越小，徐变越小；混凝土弹性模量越大，徐变越小。
        3 徐变上拱度的控制
        3.1 底模预设反拱
        为减小抵消徐变上拱和预应力产生的拱度，应综合考虑梁体混凝土收缩徐变和二期恒载预设底模反拱值，以便预应力产生的上拱度和3年后的梁体徐变上拱度终极值之和能抵消预设反拱值。由于徐变上拱度的离散性很大，预设反拱值较难确定，过大时不能抵消，梁底呈下挠状态，对结构受力状态和运营均带来不利影响；过小时梁面上拱过大，超出了无碴轨道扣件的调整范围（仅10～20 mm），势必影响正常的轨顶高程，尤其是超高地段，直接影响列车的安全行驶。
        参考京沪、京津线路的经验，底模预设反拱按二次曲线y=ax2-c布置，跨中呈凹形。生产过程中每套模板每生产3孔梁即分析、调整。以31.5m梁为例，底模各点预设反拱值见表1。
        表1 31.5m梁底模预设反拱值

        3.2 优化混凝土配合比
        梁体的徐变上拱受混凝土配合比影响较大，在选配合比尽量选用低水胶比的材料，以利于提高混凝土密实性、减少徐变收缩，材料选用从以下方面考虑：
        1）粗骨料采用多级配，减小空隙率，降低胶凝材料用量；
        2）掺入高效减水剂，降低拌和用水量；
        3）避免高温，温度过高会使坍落度损失过快，加大拌和用水量；
        4）尽量选择同厂家、同品牌、同标号、同批次水泥，保证混凝土收缩均匀。
        拌和过程中，加大含水率的检测频次，及时调整施工配合比，混凝土坍落度控制在180mm±20mm，保证混凝土性能的稳定。要定期检查计量装置，水、水泥、掺合料、外加剂的称量精确至±1%，细骨料、粗骨料精确至±2%。
        梁体混凝土浇筑采用水平分层、斜向分段、连续浇筑、一次成型的方式进行，振捣采用插棒为主、附着式侧振为辅的方式，要保证振捣密实，不得拖振、漏振。梁体蒸养过程中确保升温、降温速度不大于10℃/h，并且底板、腹板、底板各位蒸汽均匀，温差不超过5℃，从而避免梁体不同部位间强度、弹模相差过大，造成梁体的收缩徐变不均匀、上拱不一致。
        4 徐变上拱度的观测
        4.1 徐变观测标的埋设
        在制梁工艺稳定、料源稳定的情况下，按每批量生产30孔一次的频率进行徐变观测。变形观测点设在支点和跨中截面，每孔梁的测点数应不少于6个，如图1所示。观测点采用5cm长Φ12预埋螺纹钢筋，在桥面上预留有3mm高度，外露端磨平并刻画十字线。

        图1 徐变观测的埋设位置
        4.2 徐变上拱度的观测
        徐变上拱首次观测需在预张拉前进行，各阶段观测频次要满足表2要求。
        表2 后张梁徐变观测周期

        5 结论和建议
        ⑴ 梁体的徐变上拱度可以按照一定的观测频率对预埋观测标进行测量，分析结果，再通过底模预设反拱、优化混凝土配合比等来进行控制。
        ⑵ 在满足工期要求和设计规定的前提下，尽量推迟终张拉时间，增加存梁时间，可以减少梁体后期徐变上拱。
        ⑶ 徐变上拱量还与预应力终张拉至无砟轨道铺设的时间间隔有着密切关系，随时间间隔的增大，徐变变化发展变小。因此无砟轨道铺设应在终张拉后至少60天后进行。
        参考文献：
        [1] 张谢东，林清.《预应力混凝土梁上拱度试验研究》.武汉理工大学学报.2003（3）
        [2] 严国毅.《预应力铁路简支梁上拱度的分析研究》.桥梁建设.1985（4）