收缩徐变对高速铁路斜拉桥单箱单室混合梁位移的影响及调控

Influence and Control of Shrinkage and Creep on Displacement of Single-Box Single-Cell Hybrid Beam of High-Speed Railway Cable-Stayed Bridge

摘要

以某主跨300 m的高速铁路无砟轨道混合梁斜拉桥为背景，运用Midas/Civil有限元软件建立其数值模型，进行桥塔、桥面板、箱梁等混凝土构件收缩徐变对主梁位移影响研究，并提出主梁位移调控措施。结果表明：成桥10年后，混凝土收缩徐变引起的跨中主梁向下位移共计79 mm，桥塔、桥面板、箱梁收缩徐变的影响占比在施工阶段分别为58%，32%和10%，在运营阶段分别为48%，38%和14%；跨中主梁向下位移的主要原因是桥塔和桥面板变形，混凝土收缩徐变缩小了桥塔竖向及桥面板纵桥向尺寸，改变了斜拉索锚点位置及索力，导致主梁在施工阶段和运营阶段分别产生56和18 mm的向下位移；预抬高斜拉索的桥塔锚点位置10 mm，可消除混凝土收缩徐变引起的钢梁架设初始误差；混凝土桥面板预制后存放6个月、桥塔采用低徐变混凝土、成桥后延迟90 d铺轨等措施，能改善混凝土收缩徐变对单箱单室混合梁位移的不利影响，可减小跨中主梁向下位移3%~38%。

Abstract

Taking a high-speed railway ballastless track hybrid beam cable-stayed bridge with a main span of 300 meters as the background, Midas/Civil finite element software was used to establish its numerical model, to study the impact of shrinkage creep of bridge towers, deck slabs, box girders and other concrete components on the displacement of main girders, and to put forward the measures for the control of the displacement of main girders. The results indicated that after 10 years of bridge completion, the downward displacement of the mid-span main beam caused by concrete shrinkage and creep totaled 79 mm. The proportion of effects of shrinkage and creep on bridge towers, deck slabs, and box girders during construction were 58%, 32%, and 10%, respectively, and during operation were 48%, 38%, and 14%, respectively. The primary reason for the downward displacement of the mid-span main beam was the deformation of bridge towers and deck slabs. The shrinkage and creep of concrete shrank the size of the vertical direction of bridge towers and the longitudinal direction of deck slabs and altered the positions of anchorage points and cable forces of the stayed cable, resulting in a downward displacement of the main beam by 56 mm during construction and 18 mm during operation. Raising the cable-stayed bridge towers’anchorage points by 10 mm in advance can eliminate the initial error in steel beam erection caused by concrete shrinkage and creep. Measures such as storing the prefabricated concrete deck slabs for six months, using low-creep concrete for the bridge towers, and delaying track laying by 90 days after bridge completion can improve the adverse effects of concrete shrinkage and creep on the displacement of single-box single-cell hybrid beams. These measures can reduce the downward displacement of the mid-span main beam by 3% to 38%.

Graphical abstract

关键词

高速铁路 / 斜拉桥 / 收缩 / 徐变 / 单箱单室混合梁 / 位移

Key words

High-speed railway / Cable-stayed bridge / Shrinkage / Creep / Single-box single-cell hybrid beam / Displacement

斜拉桥跨越能力强，逐渐应用于高速铁路^［1-2］。对于高速铁路无砟轨道斜拉桥，单箱单室混合梁是一种新的主梁型式，具有施工方便、后期维护少、综合效益好等优点。但是，斜拉桥中混凝土构件的收缩徐变会导致主梁产生竖向位移。主梁竖向位移会降低轨道平顺度，恶化线路运营条件，进而影响高速列车的乘坐舒适度和安全行驶^［3-4］。因此，有必要研究混凝土收缩徐变对高速铁路斜拉桥单箱单室混合梁位移的影响机理及调控措施。

关于混凝土收缩徐变对斜拉桥主梁位移的影响，国内外已开展了相关研究。李铭伟^［5］分析了在不同的桥面板加载龄期下，混凝土收缩徐变对主梁位移的影响，提出了预制桥面板存放180 d可降低该影响。Oliveira等^［6］研究表明，混凝土收缩徐变会引起跨中主梁产生向下位移，引起钢梁应力增大、桥面板应力减小。Chen等^［7］通过一步成桥的斜拉桥数值分析，研究了混凝土收缩徐变的影响机理和不同构件的时效影响因素，研究表明桥面板收缩、徐变产生的主梁截面初始轴向应变是主梁中跨跨中下挠的主要原因。郭安娜^［8］研究了运营阶段主梁在混凝土收缩徐变影响下的线形变化规律，提出了调整斜拉索索力和增加主梁底板预应力钢束面积可降低后期收缩徐变引起的主梁变形。胡豪等^［9］研究表明收缩徐变效应会引起矮塔斜拉桥主跨主梁下挠，下挠量在第3年达到最大下挠量的80%，在第5年达到最大。现有研究主要集中在单箱多室混合梁斜拉桥^［10-11］、混凝土梁斜拉桥^［12-14］等方面，关于高速铁路单箱单室混合梁斜拉桥的相关研究成果尚少。

本文以某高速铁路单箱单室混合梁斜拉桥为工程背景，建立全桥有限元数值模型，针对桥塔、桥面板、箱梁、辅助墩4类混凝土构件，进行其混凝土收缩徐变对跨中主梁位移的影响及消除该不利影响的主梁位移调控措施研究。

1 工程概况和数值模型

1.1　工程概况

某高速铁路双塔双索面混合梁斜拉桥，采用无砟轨道铺设，设计时速为350 km。斜拉桥孔跨布置为（30+40+60+300+60+40+30） m，其中钢-混结合梁（含钢混结合段）全长394 m，混凝土箱梁全长167.5 m。桥梁基本结构体系采用半漂浮体系，两边跨各设置2个辅助墩。

主跨及部分边跨主梁采用钢-混结合梁，其余边跨主梁采用预应力混凝土箱梁，采用C55混凝土。钢-混结合梁由钢梁和桥面板组成，钢梁顶宽15 m，中心处整体梁高4.475 m（桥面板厚0.4 m）。混凝土箱梁顶宽16.6 m，中心处梁高4.5 m。主梁腹板和斜底板适当竖向倾斜，实现腹板与斜底板组成流线型截面，节省了造价，便于施工和后期养护。桥塔采用C50混凝土，塔高160.5 m。辅助墩采用C40混凝土。斜拉索采用抗拉标准强度1 860 MPa的钢绞线，全桥共48对斜拉索，混凝土箱梁上锚固间距为9 m，钢-混结合梁上锚固间距为12 m。全桥立面布置图、主梁及桥塔断面图如图1所示。

1.2　有限元模型

采用Midas/Civil有限元软件建立桥梁空间数值模型。混凝土箱梁和桥塔采用梁单元，斜拉索采用索单元。钢-混结合梁采用双单元法，即混凝土桥面板梁单元和钢梁单元，如图2所示。

模型中分别计算桥塔、桥面板、箱梁、辅助墩的收缩和徐变作用，收缩和徐变采用CEB-FIP 1990模型^［15-16］。桥面板加载龄期为180 d，其余构件加载龄期为7 d。

桥梁施工过程划分为99个阶段。桥梁主要施工流程为：基础施工，桥塔及桥墩施工，边跨混凝土箱梁支架现浇，边跨钢-混结合梁顶推架设，中跨钢-混结合梁节段悬拼架设。斜拉索对称挂设、同步张拉。预制混凝土桥面板通过剪力钉与钢梁结合。

2 混凝土收缩徐变对主梁位移的影响

2.1　施工阶段混凝土收缩徐变影响

图3—图5给出了高速铁路单箱单室混合梁斜拉桥主梁在施工阶段、混凝土收缩和徐变影响下的各桥墩、桥塔，以及中跨1/8，1/4，3/8和跨中处的位移（位移向下为负）。辅助墩1、辅助墩2、桥塔1、1/8中跨、1/4中跨、3/8中跨以及跨中分别距交界墩1中心线30，70，130，167.5，205，242.5和280 m。

由图3可见：中跨主梁的最大位移位于跨中，达到-58 mm；引起主梁下挠的主因是混凝土徐变，占比83%；收缩的影响仅占比17%；混凝土收缩和徐变引起的边跨箱梁竖向位移较小，其最大值仅约为中跨的6%，这是因为边跨混凝土箱梁的跨径小且斜拉索间距较小。

由图4可见：各混凝土构件收缩引起的主梁最大位移为-10.4 mm，出现在距离跨中20 m处，中跨跨中处主梁总位移为-10 mm，桥塔、桥面板、箱梁、辅助墩分别贡献了-10，-1，-1和2 mm，占总向下位移的84%，8%，8%和-16%；混凝土桥塔贡献是主因。混凝土桥塔在钢-混结合梁架设之前已经发生了收缩，导致斜拉索锚点和塔梁支座处位置分别下降2.5和1 mm；外加后续施工过程中桥塔的收缩，进而影响钢-混结合梁的初架设和切线拼装、斜拉索的终张拉和已有索力等，总共累计造成-10 mm主梁位移。

由图5可知：混凝土构件徐变引起的跨中主梁总位移达-48 mm，其中，混凝土桥塔、桥面板、箱梁、辅助墩分别贡献了-26，-19，-5和2 mm，占比为52%，38%，10%和-4%，混凝土桥塔和桥面板合计贡献了90%，二者是主因。在钢-混结合梁架设之前，混凝土桥塔已发生徐变，导致斜拉索桥塔锚点和塔梁支座处位置分别下降7和4 mm；在后续施工过程中，桥塔徐变对钢梁切线拼装和斜拉索索力造成影响，两者分别导致主梁位移-6和-3 mm；在成桥后，二期恒载增加桥塔徐变，引起主梁位移-8 mm。在预应力和二期恒载作用下，混凝土桥面板发生纵桥向徐变，向中跨内缩，导致边跨斜拉索索力下降和桥塔内偏，进而引起主梁位移-11和-7 mm。需要注意，混凝土辅助墩徐变导致墩身高度下降1 mm，引起斜拉索的主梁锚点位置下移，增大了桥塔偏向边跨趋势和斜拉索索力，进而引起主梁上移2 mm。

2.2　运营阶段混凝土徐变影响

图6给出了高速铁路单箱单室混合梁斜拉桥主梁成桥10年后在混凝土徐变影响下各桥墩、桥塔，以及中跨1/8，1/4，3/8和跨中处的位移。

由图6可知：混凝土构件徐变引起的主梁总位移为-21 mm，桥塔、桥面板、箱梁、辅助墩分别贡献了-10，-8，-3和0 mm，占比分别为48%，38%，14%和0%，混凝土桥塔和桥面板合计贡献了86%；混凝土桥塔徐变导致斜拉索锚点和塔梁支座位置分别下降了5和2 mm；由于斜拉索锚点下降量较大，斜拉索变短，其索力随之下降；边跨斜拉索相对较短，其索力对长度变化更加敏感，导致边跨索力下降更多，进而引起桥塔内偏和中跨主梁下挠；混凝土桥面板徐变导致主梁向中跨内缩，带动梁上锚点内缩。由于边跨主梁内缩量大于中跨主梁，导致边跨斜拉索索力下降较多，进而引起中跨主梁下挠。

表1给出了运营阶段混凝土构件长期徐变引起的索端位移。由表1可知：在成桥至10年的长期运营中，混凝土箱梁徐变引起边跨梁端向中跨内缩4 mm，桥塔内偏2 mm；混凝土桥面板引起边跨梁端向中跨内缩8 mm，桥塔内偏7 mm；混凝土桥塔徐变引起自身内偏3 mm，竖向位移-5 mm。

3 跨中主梁位移调控措施

在钢梁拼装过程中，采用微调拼装夹角等方法，可部分抵消混凝土收缩徐变引起的主梁位移。本文保持钢梁无应力状态不变，采用沿切线拼装。

3.1　斜拉索锚点抬高和索力微调

在钢-混结合梁架设初期，斜拉索的桥塔锚点和支座位置已有向下位移10和5 mm，影响后续施工。为消除此影响，采用斜拉索的桥塔锚点预先抬高和索力微调等措施。索力微调数值基于影响矩阵法计算得出^［17］，即在已成体系上，提取中跨跨中5对斜拉索的索力对位移的影响矩阵 A （通过单一增加单位索力10 kN获得），将尚需调整的位移差值作为目标矩阵 B。通过 AX = B 的线性方程组，求解索力的调整值 X，约束条件为 X 的值小并均匀。求解方法采用岭回归方法，即在最小二乘法的基础上引入了正则化项，以解决多重共线性问题和过拟合问题。

图7给出了高速铁路单箱单室混合梁斜拉桥主梁在锚点抬高和索力微调条件下各桥墩、桥塔，以及中跨1/8，1/4，3/8和跨中处的位移。

由图7可见：斜拉索的桥塔锚点预先抬高10 mm，跨中主梁向下位移减小约一半，30 mm；5对斜拉索索力微调值分别为18，23，29，29和20 kN时，调整后线形与目标线形吻合。由于预抬高斜拉索锚点，消除了钢梁架设的初始误差，索力微调即可实现主梁目标线形，对桥梁整体受力影响较小。

3.2　混凝土桥面板预制存放

表2给出了桥面板预制存放不同时间后收缩和徐变引起的跨中主梁竖向位移。由表2可见：对于单箱单室混合梁斜拉桥，桥面板预制存放3，6，9和12个月后，施工阶段跨中主梁位移分别为-60.0，-58.0，-56.0和-55.0 mm，徐变占比83%，收缩占比17%；运营阶段分别为-22.0，-21.0，-20.5和-20.0 mm，均由混凝土徐变引起。选用预制存放6~9个月的混凝土桥面板，可降低收缩和徐变引起的跨中主梁竖向位移。

3.3　桥面板压应力优化及延后铺轨

为减小混凝土桥面板的长期徐变，可适当优化减小桥面板压应力。即采用“塔偏梁拱”的合理成桥状态^［18］，使中跨主梁上拱并预存负弯矩，同时减少桥面板预应力钢束面积。当跨中主梁上拱45 mm和桥面板钢束减少10%时，2种方法共减小跨中主梁桥面板压应力1.4 MPa，进而减小桥面板长期徐变引起的跨中主梁向下位移35%（2.8 mm）。

为降低长期徐变对无砟轨道的影响，可适当延后铺轨时间。图8给出了混凝土徐变引起的90 d以及1~10年的长期跨中位移。由图8可见：混凝土徐变引起的跨中主梁下挠在第1年为7.5 mm，占10年总下挠21.0 mm的35%。通过计算，选取延后90 d铺轨可降低跨中长期位移13%（2.7 mm）。

混凝土收缩徐变改变构件形状和应力状态^［19］，进而导致主梁位移变化。斜拉桥主梁状态可以调整，即通过预先抬高斜锚点消除初始误差后，索力微调改善其主梁位移。采用预制存放桥面板、选用低徐变桥塔材料、优化桥面板压应力和延后铺轨时间等方法，能降低混凝土收缩徐变对主梁位移的影响。

4 结论

（1）混凝土收缩徐变引起高速铁路斜拉桥单箱单室钢-混结合梁出现较大的竖向位移，成桥10年后，混凝土收缩徐变引起的跨中主梁向下位移在施工阶段和运营阶段分别为58和21 mm，共计79 mm。在施工阶段，混凝土桥塔、桥面板、箱梁引起的主梁位移占比分别为58%，32%和10%；在运营阶段，三者占比分别为48%，38%和14%。

（2）导致主梁向下位移的主要原因是收缩和徐变状态下桥塔竖向和桥面板纵桥向尺寸缩小。二者改变了斜拉索锚点位置及索力，影响了钢-混结合梁的初架设和切线拼装，导致施工阶段主梁向下位移56 mm、运营阶段主梁向下位移18 mm。

（3）预抬高斜拉索的桥塔锚点位置10 mm，可消除混凝土收缩徐变引起的钢梁架设初始误差。降低桥面板压应力、混凝土桥面板预制后存放、桥塔采用低徐变混凝土、成桥后延迟铺轨等措施，可改善运营阶段混凝土收缩徐变引起的混合梁位移，可减小跨中主梁向下位移3%~38%。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(51408083)

国家自然科学基金资助项目(52078091)

中铁二院科学技术研究计划项目(KYY2019061)