城际铁路无砟轨道大跨度预应力混凝土连续梁设计研究

柳学发,杨海洋

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

莞惠城际轨道交通(以下简称“莞惠城际”) 设计时速200 km，采用跨区间无砟无缝线路，布置了(80+150+80) m混凝土连续梁(以下简称“三跨连续梁”)、(80+150+150+80) m混凝土连续梁(以下简称“四跨连续梁”)各一联。主跨150 m混凝土连续梁为已通车铁路最大跨度混凝土连续梁[1]。无砟轨道对混凝土梁徐变要求极高，且徐变受众多因素影响，不易控制，对大跨度混凝土连续梁难度更大[2]。通过对主跨150 m无砟轨道铁路混凝土连续梁徐变控制、关键施工方案的计算对比分析，提出了大跨度混凝土连续梁徐变控制的综合措施、合理施工方案和关键施工要点，并对三跨、四跨混凝土连续梁进行了对比。

1 大跨度混凝土连续梁徐变控制研究

影响预应力混凝土收缩徐变的工程因素众多，且是随机的，收缩徐变是十分复杂而难以准确计算的非线性问题[3-5]。

现代桥梁结构尺寸越来越小，混凝土强度越来越高，预应力越来越大，因此收缩徐变的问题更突出。多座公路大跨度预应力混凝土桥出现下挠过大、腹板开裂等现象[6]说明对混凝土收缩徐变要格外引起重视[7-8]。

1.1 影响收缩徐变因素分析

1.1.1 梁体截面偏心受压

在预应力和自重(包括线路设备等重力)的作用下，铁路预应力混凝土梁各截面长期处于偏心受压状态，且上下翼缘压应力不同，因此上下翼缘会产生不同的徐变，引起向下或向上的徐变弯曲变形。截面上下缘应力差越小，截面受力就越均衡，徐变就越小[9]。

1.1.2 加载龄期

混凝土收缩徐变随加载龄期的增长而减小。对铁路预应力混凝土梁，与28 d加载龄期徐变相比，按理论厚度200 mm计，3 d龄期加载约为1.7倍，7 d龄期加载约为1.8倍，10 d龄期加载约为1.4倍[10]。

1.1.3 应力水平

关于应力水平与徐变的关系，不少学者进行了试验，得出的结论不完全一致。但一般认为当混凝土正应力不超过强度的0.4倍时，徐变与应力成正比。

1.1.4 持荷时间

混凝土徐变随持荷时间的增长而增加，但徐变速率随持荷时间的增长而降低。铁路预应力混凝土梁收缩徐变可近似认为在3年内完成，60 d完成50%，90 d完成60%[10]。

1.1.5 相对湿度

桥梁暴露在野外，风吹日晒会加速水分蒸发，引起相对湿度的降低和快速干燥，从而使徐变增大。但在2年以后，与相对湿度基本无关[9]。

1.1.6 温度

温度提高，混凝土的黏性降低，弹性模量降低，变形加大。但加荷前，低压蒸养能使徐变减少，例如加荷前蒸汽(65 ℃)养护13 h，可使徐变降低30%～50%[9]。

1.1.7 结构尺寸、形状

(1)梁体尺寸越小，徐变越大。当结构尺寸超过90 cm时，其对徐变的影响可以忽略不计[9]。但铁路混凝土箱梁顶板、底板、腹板厚度一般小于90 cm，因此需考虑梁体尺寸对徐变的影响。

(2)梁体体积比与表面积比影响梁体湿度的分布，进而影响收缩徐变。徐变系数随体积和表面积比的增加而减小[10]。

1.1.8 施工因素

(1)原材料、配合比的变化，混凝土弹性模量与理论值有出入。

(2)模板定位及混凝土浇筑方量偏差，结构截面尺寸、混凝土体积与理论值有出入。

(3)预应力管道的实际位置与设计位置有偏差，预应力产生的弯矩与理论值有偏差。

(4) 由于受张拉设备精度、管道不平顺等多种因素影响，张拉预应力、预应力损失与理论值有出入。

1.2 收缩徐变控制技术路线

桥位处的温度、湿度不能改变；结构尺寸和形状要满足功能和构造要求，也不易改变；持荷是桥梁的功能，桥梁建成后就会承受荷载。从上述影响收缩徐变的因素分析可知，以下措施和方案可以用于工程中控制徐变。

(1)适当增加梁高

混凝土徐变是以弹性变形为基础，减少弹性变形则可减少徐变。减小弹性变形的有效手段是加大刚度值，弹性模量可以通过提高混凝土强度等级及延长加载龄期来实现，梁体截面惯性矩则由梁体截面尺寸决定，增加梁高可以明显提高结构刚度。此外，增加梁高，可以减少预应力，从而有利于徐变控制；减少梁高，则需要配置较多的预应力筋，预应力越大，混凝土徐变就越大。

(2)控制梁体截面上下缘应力差

通过调整预应力束布置和张拉力，可以控制恒载作用下梁体截面上、下缘应力差在4～5 MPa以内[11]。

(3)控制截面正应力水平

通过调整截面尺寸、预应力布置等手段控制恒载作用下截面应力不超0.4fc(fc为棱柱体抗压强度)[12-13]，避免收缩徐变与应力成非线性增长。

(4)选择合适的预应力张拉龄期

加载龄期的增加，一方面可减少徐变终极值，另一方面随着混凝土弹性模量的提高，也可减少弹性变形值，从而有利于减少工后徐变。在满足施工组织和工期的前提下，尽量加大预应力张拉龄期。

(5)选择合适的线路设备铺设时间

在轨道板浇筑前梁体的徐变不影响轨道线形。早铺轨，有利于减少总的收缩徐变，但工后收缩徐变更大；晚铺轨总的收缩徐变会增大，但有利于减少工后徐变。因此要结合工期和施工组织，合理确定铺轨时间。

(6)精心施工

好的设计只有通过好的施工才能实现，徐变控制一方面要从设计源头解决，另一方面也要求施工预以保障。

①选好混凝土骨料，做好混凝土配比，保证混凝土弹性模量。

②控制好模板，减少截面尺寸误差。

③保证预应力管道位置和平顺度，测试管道摩阻和锚口摩阻，保证张拉设备状态合格，并按“双控”要求张拉预应力，避免预应力偏差。

④做好混凝土振捣和养护。

⑤按设计要求的混凝土龄期张拉预应力束。

1.3 控制收缩徐变措施研究

1.3.1 梁高对收缩徐变的影响

梁高决定桥梁竖向刚度，也影响徐变值。大跨度连续梁采用悬臂浇筑法施工，为适应悬臂浇筑法的受力，梁体需要采用变高度。根据国内外铁路桥梁的统计，支点处梁高与梁跨的比值一般为112～116，跨中梁高与支点处梁高的比值为1/1.3～1/2。

主跨150 m连续梁中支点处梁高取11.5 m，为跨度的1/13；中跨跨中及边跨支点梁高取6.5 m，为中跨支点处梁高的1/1.77。对三跨连续梁，梁高增大0.5 m时中跨跨中工后徐变减小了3.369 mm(-38.5%)，梁高减小0.5 m时中跨工后徐变增大了4.448 mm (50.8%)；对四跨连续梁，梁高增大0.5 m时中跨跨中工后徐变减小了2.121 mm(-45.6%)，梁高减小0.5 m时中跨工后徐变增大了2.901 mm(62.4%)(表1、表2)。对三跨连续梁，当梁高减小0.5 m时跨中工后徐变为13.2 mm，大于限值10 mm，不满足无砟轨道的要求；设计梁高的最大工后徐变为8.753 mm，说明设计梁高取值合理。

表1 梁高对工后徐变影响(三跨连续梁)

表2 梁高对工后徐变影响(四跨连续梁)

1.3.2 铺轨时间对收缩徐变的影响

从表3、表4可知，不同时间铺轨，对工后徐变影响较大，各铺轨时间均可满足无砟轨道要求。铺轨时间推迟，工后徐变减少，如90 d铺轨比30 d铺轨三跨连续梁中跨工后徐变减少1.15 mm，四跨连续梁减少0.567 mm。由图1、图2可见,小于60 d铺轨工后徐变成非线性增大，大于60 d铺轨徐变成线性减小，因此铺轨时间不宜早于2个月。在工期许可时，推迟铺轨对控制工后徐变有利。

表3 铺轨时间对工后徐变影响(三跨连续梁)

表4 铺轨时间对工后徐变影响(四跨连续梁)

图1 不同铺轨时间与60 d铺轨工后徐变比值曲线(三跨连续梁)

图2 不同铺轨时间与60 d铺轨工后徐变比值曲线(四跨连续梁)

1.3.3 张拉时混凝土龄期对收缩徐变的影响

从3、5、7、10 d四种张拉龄期的对比计算分析(表5、表6)可以发现，工后徐变随张拉龄期的增加而减小，但影响不大，与其它跨度混凝土连续梁规律相同[14]。各龄期张拉预应力工后徐变均可满足要求。

表5 龄期对工后徐变影响(三跨连续梁)

表6 龄期对工后徐变影响(四跨连续梁)

对三跨连续梁，不同龄期的中跨跨中竖向工后徐变与龄期7 d相比，10 d减小了0.314 mm(-3.6%)、5 d增加了0.223 mm(2.6%)、3d增加0.503 mm(5.8%)。对四跨连续梁，不同龄期的中跨跨中竖向工后徐变与龄期7 d相比，10 d减小了0.188 mm(-4.0%)、5 d增加了0.136 mm(2.9%)、3 d增加0.316 mm(6.8%)。

一般地，采用5 d龄期张拉预应力，考虑到跨度150 m为无砟轨道最大跨度预应力混凝土梁，增加张拉龄期有利于徐变控制，且能满足工期要求，莞惠城际采用7 d龄期张拉预应力。

1.3.4 合龙顺序对收缩徐变的影响

由表7可知，不同合龙顺序对中跨、边跨最大工后徐变影响不大，对中跨的影响大于边跨。

先中跨后边跨的合龙顺序比先边跨后中跨的合龙顺序中跨跨中工后徐变，三跨连续梁减小了0.497 mm(约5.7%)，四跨连续梁增大了0.191 mm(约4.1%)。

虽然合龙顺序对梁体应力、后期徐变影响不大，但先边跨后中跨合龙顺序稳定性更好控制且梁体线形更平顺，因此应采用先边跨后中跨合龙方案。

表7 合龙顺序对工后徐变影响

2 三跨、四跨连续梁徐变影响对比分析

梁高对三跨、四跨连续梁徐变影响对比分析见表8。 从表8可知，不同梁高下，四跨连续梁的工后徐变较三跨连续梁小，且梁高越大，影响越大。说明相同梁高时，四跨连续梁比三跨连续梁具有更大的刚度。

表8 梁高对工后徐变影响对比

铺轨时间对三跨、四跨连续梁徐变影响对比分析见表9。由表9可见，不同铺轨时间四跨连续梁的工后徐变较三跨连续梁小， 四跨连续梁的中跨工后徐变约为三跨连续梁的1/2；不同铺轨时间对三跨、四跨连续梁徐变的影响相当。

表9 铺轨时间对工后徐变影响对比

预应力张拉龄期对三跨、四跨连续梁徐变影响对比分析见表10。由表10可见，不同预应力张拉龄期四跨连续梁的工后徐变较三跨连续梁小，四跨连续梁的中跨工后徐变约为三跨连续梁的一半；预应力张拉龄期不同对三跨、四跨连续梁的徐变影响相当。

表10 张拉龄期对工后徐变影响对比

合龙顺序对三跨、四跨连续梁徐变影响对比分析见表11。由表11可知，不同合龙顺序，四跨连续梁的工后徐变比三跨连续梁小。对三跨连续梁，先边跨后中跨合龙顺序后期徐变略大，对四跨连续梁，先中跨后边跨合龙顺序后期徐变略大。

表11 不同合龙顺序对工后徐变影响对比

3 包络设计[15]

预应力不足是预应力混凝土梁下挠和腹板开裂的主要因素[16]，对特别重要的桥梁，应进行预应力敏感性分析，必要时可按某一指定的有效预应力不足比例进行补偿配束。

规范容许预应力有±6%的施工误差，结构尺寸有±5%的施工误差，因此设计时要考虑规范允许的施工误差对桥梁的不利影响。此外应充分考虑收缩徐变的偏差对结构受力和变形的不利影响，对大跨度混凝土桥梁更应如此。

莞惠城际在主跨超过100 m混凝土连续梁设计时，除顶板、底板预留一定量的备用束作为施工阶段应急措施外，还采用了体外预应力作为应急措施[17]，进一步提高了大跨度桥梁的抗风险能力。

4 关键施工方案研究

大跨度铁路混凝土连续梁，结构尺寸大，各节段混凝土数量大，施工时不平衡弯矩大，徐变控制难度大，因此施工方案尤其是关键施工方案要认真研究，并精心施工。

4.1 梁体临时固结方案

临时固结是采用悬臂浇筑施工时保持梁体稳定的一种措施，待合龙后，再拆除。目前临时固结设计并无统一标准或规范[18]。一般有以下几种方案:硫磺砂浆块、钢筋混凝土块、砂筒、临时墩以及组合方案，各方案工艺和优缺点比较如表12所示。

表12 梁体临时固结方案比较

莞惠城际铁路主跨150 m，为当时最大跨度铁路混凝土连续梁，墩身不高，且珠三角位于台风地区，施工期间需经多次台风，为确保悬臂施工安全，采用方案4与方案1或方案4与方案2的组合方案，即墩侧设钢管混凝土或钢筋混凝土临时墩+硫磺砂浆块或混凝土块作为梁体临时固结方案。

4.2 不平衡弯矩

不平衡弯矩关系到梁体临时固结结构的设计，关系到悬臂浇筑施工的安全，但其设计荷载的取值，不论是相关设计规范还是相关施工技术规范，没有作出明确规定[19]。不平衡弯矩需考虑以下荷载效应，并取其最不利工况。

(1)施工机具：梁体上的不平衡机具、材料和施工人员。

(2)施工误差：施工误差引起的不平衡梁体自重。

(3)机具冲击：机具吊装作业时对梁体的冲击。

(4)不同步浇筑：T构两端梁段浇筑混凝土不同步引起的偏差。

(5)风力：T构两端所受风力。

(6)预应力：预应力引起的不平衡效应。

(7)梁体构造：T构两端由于梁体结构构造(如锯齿块的布置与类型不同)引起的不平衡。

(8)挂篮坠落：挂篮连同未凝固的混凝土意外坠落。

施工机具不平衡、风力作用等不可避免，施工不同步、施工误差是可以控制的，应严格控制结构尺寸，对称、平衡浇筑。挂篮坠落引起不平衡弯矩大且影响大，应加强挂篮锚固，杜绝发生挂篮突然坠落的事故，遇大风天气应退至0号块锚固。

莞惠城际 (80+150+80) m、(80+150+150+80) m混凝土连续梁不平衡弯矩计算参数取值如下：①施工机具一侧取0.48 kN/m，另一侧取0.24 kN/m；②施工误差取±2.5%已施工梁重；③机具冲击作用系数取机具重的±20%；④浇筑不同步可取最后一个梁段底板重、节段±20%或一个合理吨位如200 kN；⑤风力取1 250 Pa。未计挂篮突然坠落，按①+②+③+④和①+②+③+⑤最不利组合最大不平衡弯矩为111 794 kN·m，竖向支反力为93 568 kN。为安全起见，也可考虑挂篮底篮系统突然坠落引起的不平衡弯矩[18]，设计临时固结。

4.3 支架预压及高程控制

支架预压的目的是消除支架及挂篮(包括模板)的塑性变形，同时得到支架及挂篮较真实的弹性变形值，以此作为立模高程的依据，从而保证梁体线形。

支架拼装或挂篮安装完毕后进行预压，预压重力为梁段自重的1.2倍，分60%、90%、120%三级或50%、75%、100%、120%四级加载，可用砂袋等堆载。堆载时要按照单位横断面荷载分布情况进行堆放，从中间向两侧对称均匀堆载，以便能真正模拟混凝土荷载，达到预压的目的。如采用砂袋预压，雨天应注意防水，避免砂袋吸水超出支架承载能力而压垮支架。

每个截面设5个沉降观测点，分别位于左翼缘、左腹板中、底板中、右腹板中和右翼缘板。观测时间定在预压加载前、各级加载24 h后、卸载50%后、卸载完后，随即绘制荷载与沉降量曲线，以此计算支架或挂篮弹性变形值和塑性变形值。通过预压，可以得出支架或挂篮的非弹性值(消除非弹性变形)及弹性变形值；卸载后，根据观测到的弹性变形值，结合设计给定的预拱值确定梁体施工的底模高程，调整模板和检查支架。

4.4 混凝土浇筑

主跨150 m连续梁各节段混凝土方量都较大，尤其是0号块达660多m3。应选择一天中温度最低时浇筑，并控制浇筑速度，并在混凝土初凝前全部浇筑完成。

桥墩两侧混凝土应对称、平衡浇筑，不平衡重不应大于设计允许值。

由于梁体变高度，底板为曲线线形，因此要注意底板预应力筋防崩，加强底板上下钢筋网间联系筋，联系筋要钩住上下钢筋网，必要时用箍筋代替拉筋；加强底板预应力管道定位，避免预应力管道上浮，尤其是要避免两相邻节段处管道的不平顺。

(1)0号块混凝土浇筑

0号块混凝土按施工规程要求应一次浇筑[19]，但大跨度连续梁0号块混凝土数量大，有时一次浇筑有困难，需采用二次浇筑。

如0号块混凝土采用一次浇筑，应采取缓凝措施，保证梁体混凝土在最先浇筑的混凝土初凝前全部浇完。

如0号块混凝土采用竖向分二次浇筑时，应采取以下措施：①接缝位置宜位于上梗胁20～50 cm、横隔板横向预应力管道以上并避开纵向预应力管道；②应尽量缩短两次浇筑时间间隔，不宜超过10 d；③防止分层处产生收缩裂纹，可在混凝土接缝表面布置φ8 mm护面钢筋网或φ16 mm接茬钢筋；④提高接缝面凿毛质量，凿毛时混凝土强度不低于2.5 MPa(人工)、10 MPa(机械)，接缝表面松弱层应凿除、清理干净，露出不少于75%的新鲜混凝土面，浇筑混凝土前应将接缝面混凝土充分润湿但不能有积水；⑤0号块钢筋、预应力管道密集，结构复杂，应加强振捣。

(2)合龙段混凝土浇筑

合龙段混凝土浇筑前，应在合龙口两端悬臂压重稳定悬臂。每一悬臂端预压重力可取合龙段现浇混凝土重力之半，并在浇筑过程中按混凝土等重方式逐步撤除。

合龙段混凝土应采用补偿收缩混凝土，混凝土强度等级宜较梁体提高一个等级。

4.5 预应力张拉

对主跨150 m连续梁，除满足常规要求外，还有以下特殊要求。

(1)张拉龄期增加至7 d，即在混凝土强度达到28 d强度的95%、弹性模量达到设计值的100%，且龄期大于7 d后方可进行钢绞线的张拉工作。

(2)竖向预应力对主拉应力影响很大[8,20]。竖向预应力筋采用两次张拉，即竖向预应力筋在第一次张拉完成1 d后进行第二次张拉，以保证竖向预应力。

(3)每一梁段悬臂端的最后一根横向预应力筋，应在下一梁段横向预应力筋张拉时进行张拉。

(4)横、竖向预应力筋张拉滞后纵向预应力筋张拉不宜大于3个悬臂段。

4.6 临时锁定和合龙

(1)莞惠城际设计要求的合龙顺序为先合龙边跨后合龙中跨。施工时应按设计要求的合龙顺序进行，以确保结构全体系转换后梁体内力及变形符合设计要求。

(2)合龙口临时锁定力，必须大于解除合龙口任何一侧梁体临时固结后各墩全部活动支座的摩擦力，以保证合龙梁段混凝土从开始浇筑至完成纵向预应力张拉时不承受任何拉力，避免合龙段混凝土开裂。

(3)合龙口应在合龙口最大、悬臂端高程符合要求时锁定。由于梁体收缩变形滞后于最低环境温度2～3 h，故一般宜在一日之晨锁定。

(4)合龙口临时锁定后，应立即将合龙口一侧的梁体固结及支座临时锁固约束解除，使梁的一侧能在合龙口临时锁定装置连接下沿支座自由伸缩。

4.7 结构体系转换

利用连续梁成桥负弯矩预应力筋是连续梁悬臂浇筑施工的特点。悬浇过程中各独立T构的梁体处于负弯矩受力状态，随着T构的依次合龙，梁体也依次转化为不同的受力状态。

结构体系转换施工时应注意以下几点。

(1)结构由双悬臂状态转换成单悬臂受力状态时，梁体有些部位的弯矩方向发生转换。所以在拆除梁体锚固前，应按设计要求，张拉一部分或全部张拉布置在梁体下部的正弯矩预应力束。对活动支座还需保证解除临时固结后的结构稳定，采取措施限制单悬臂梁发生过大纵向水平位移。

(2)梁体临时锚固的放松，应均衡对称进行，确保逐渐均匀地释放。在放松前应测量各梁段高程，在放松过程中，注意各梁段的高程变化，如有异常情况，应立即停止作业，找出原因，以确保施工安全。

(3)在结构体系转换中，临时固结解除后，将梁落于正式支座上，并按高程调整支座高度及反力。调整以高程控制为主，反力作为校核。

5 结论

(1)通过对主跨150 m连续梁梁高、铺轨时间、张拉时混凝土龄期、合龙顺序的对比计算分析表明，梁高对徐变影响大，增大梁高是控制工后徐变的最有效措施。铺轨时间对工后徐变影响较大，成桥后不少于60 d铺轨较合理。张拉龄期对工后徐变影响不大，合龙顺序对工后徐变影响很小，但延长预应力张拉龄期对工后徐变控制有利，合龙顺序影响梁体线形，宜先边跨后中跨。

(2)通过对主跨150 m三跨、四跨连续梁徐变计算对比分析表明，四跨连续梁比三跨连续梁刚度大，相同条件下四跨连续梁工后徐变比三跨连续梁更小。

(3)大跨度连续梁宜预留体外预应力条件，进行包络设计，以增加大跨度桥梁的应急能力和抗风险能力。

(4)大跨度连续梁悬臂浇筑时临时固结宜采用组合方案以提高安全性。当采取二次浇筑时，要合理选择接缝位置并采取防裂措施。

本文研究成果应用于莞惠城际中，莞惠城际全线已于2017年12月正式运营。多年的运营证明，主跨150 m无砟轨道混凝土连续梁，通过采取适当增加梁高，控制截面应力水平及其应力差，选择合理铺轨时间等措施，可以满足无砟轨道工后徐变毫米级要求。工程应用实例证明，设计研究取得了成功。