高架桥桥跨结构竖向变形规律研究
2004-06-23 17:34
清河城铁高架桥桥跨结构竖向变形规律研究
摘 要 为了达到高架桥的桥跨结构轨面后期非弹性沉降竖向变形总量不超过30 mm 的要求,根据清河高架桥竖向变形观测情况,确定整体道床混凝土的浇注时间。根据观测得出工后沉降来源于混凝土梁的徐变的结论,因此要控制混凝土梁的浇注质量。根据徐变的发展规律得出张拉4 个月后进行轨道工程的施工进度安排。
关键词 桥梁工程 施工 监测
北京城铁高架桥轨道工程的整体道床施工完毕后,由于扣件对轨道升降的调节量有限,要求轨面后期非弹性竖向变形总量不超过30 mm 。
所谓后期非弹性竖向变形总量指的是桥梁上部整体道床施工以后,桥梁墩台和连续梁变形引起的梁部竖向变形量的总和。混凝土道床施工完毕以后,因为钢轨已固定在道床上,无法再做调节,以后发生的桥跨结构的变形将直接影响轨面标高、运营轨道工程的平整度和旅客的舒适度。整体混凝土道床现浇后, 如果非弹性竖向变形量的总和大于30 mm , 将影响运营质量。
决定工后非弹性竖向变形量值的关键因素是整体道床混凝土的现浇时间。按照混凝土徐变的发展规律,前期徐变发展较快,后期发展较慢,但持续时间很长,因此整体道床混凝土现浇一定要避开前期徐变高速发展阶段。确定浇筑道床混凝土时机很重要。浇注太早工后沉降过大影响运营质量,浇注过晚又无法保证工期要求。本文根据清河高架桥竖向变形观测情况,通过分析,对以上问题进行了论述。
1 工程概况
清河高架桥位于北京城铁清华东路～上地区间,起止里程为K8 + 969. 001～ K9 + 631. 803 , 全长662. 802 m , 共9 联26 跨。桥跨上部为后张预应力钢筋混凝土连续箱梁。第1 联为3 孔(20 + 30 + 20 m) ,第3 联为2 孔(23. 451 + 23. 451 m) ,第7 联为3 孔(30 + 40 + 30 m) ,其余各联均为3 孔(25 + 25 + 25 m) ,其中曲线梁5 联,直线梁4 联。
横截面为单箱单室截面,线间距均为3. 6 m , 箱梁高1. 4 m , 顶板底板厚0. 2 m , 标准段腹板厚0. 35 m , 加厚段腹板厚0. 60 m , 桥顶板悬臂长2. 0 m , 桥顶面宽度8. 6 m 。桥墩采用矩形双柱墩,双柱墩标准外形尺寸140 ×112 cm 。基础采用D =1. 0 m 的钻孔桩,桩长25～30 m , 承台高1. 8 m 。全桥共27 个承台,118 根钻孔桩。
预应力箱梁混凝土C50 , 墩柱混凝土C30 , 承台及钻孔桩基础混凝土C25 , 承台基础垫层混凝土C10 。预应力钢绞线采用直径<15. 2 高强低松弛预应力钢绞线( GB/ T5224～1995 标准),标准强度f pk
= 1860 MPa , Ep =1. 95 ×105 MPa ; 锚具采用OVM 系列,性能符合国家《预应力筋用锚具、夹具和连接器》( GB/ T14370～93) 的I 类锚具。
2 竖向变形观测
2. 1 墩台下沉
桥跨结构非弹性竖向变形的一部分可能来自于桥墩、桥台下沉。桥墩、桥台均支承于桩基础上,桩基有可能在上部结构的长时间自重作用下产生下沉。因此,必须以沉降观测数据来检验桥墩、台下沉情况。
根据监测记录,桥墩台中沉降累计值一般在-1、-2、0、+ 1 、+ 2 之间波动,可视为仪器和观测误差,因此,桥墩台的工后沉降可视之为0 , 不会因为有墩台的沉降影响运营质量。
2. 2 连续梁的竖向变形桥跨结构非弹性竖向变形的另一部分来自于桥梁混凝土徐变引起连续梁的竖向变形。混凝土在恒久荷载作用下产生徐变的特性,一直被工程界所关注。混凝土徐变类似于混凝土收缩,收缩在短时间内就完成了,而徐变则在混凝土施工以后很长时期内仍在发生。经过1 个月、3 个月、半年、1 年、2 年乃至20 年的长时间观测会发现,徐变在各个时期内均有变化,随着时间的增长徐变值变大,只是时间越长,变化速率越小。混凝土的徐变会引起预应力混凝土连续梁挠度(或上拱度) 的变化。这种非弹性竖向变形在工后会直接影响轨面标高,而且,因为该非弹性竖向变形是不均匀的,对轨面标高的影响必然影响运营质量和旅客舒适度。因此,必须严格控制工后沉降(或上拱) 值,必须在确保工期的前提下,将徐变引起的非弹性竖向变形量减少到最小。
控制徐变引起的竖向变形量最有效的方法是设水准点观测,并绘制变形曲线,根据观测成果进行分析和判断,推导梁上整体道床混凝土浇筑时间。清河高架桥每一联梁均设若干个观测点,分别在连续梁施工过程中进行若干次观测,观测成果均记录备案。因为清河高架桥第3 联是北京地铁13 号线最先完成现浇和张拉的一联连续梁,而且该联只有2 跨,具有特殊典型性。第9 联是3 跨75 m , 具有普遍代表性。将取第3 联和第9 联竖向变形观测记录和变形曲线进行分析。
3 竖向变形监测结果分析
3. 1 第3 联竖向变形监测结果第三联的观测点布点图见图1 , 第3 联于2001 年4 月19 日浇筑连续梁混凝土,5 月10 日完成张拉施工。观测变形曲线参见图2 。
图1 第3 联观测点位布置示意图
图2 第3 联观测点变形曲线(单位:mm)
分析变形曲线,有如下规律:
在5 月10 日张拉完成以后,几乎所有观测点的竖向变形出现一次向上拱的突变,在连续梁的两端上拱值最小,在跨中上拱值较大,此时出现一次上拱冲高值。
在经受3 个月的徐变影响后,连续梁内部受力情况来一次大调整。竖向变形出现一次波动。8 月2 6 -9月15 日观测值表明,1 # 、9# 观测点下沉突变,其余观测点均上拱突变,此时变形累计值相对于第一次冲高值在3～8 mm 左右波动。
8 月15 日出现波动突变以后,连续内部持续调整,到8 月27 日,1 # 观测点向上波动,其他观测点均向下沉,波动范围为3～5 mm 。到9 月10 日,所有观测点又出现一次新的冲高值。经过此次调整以后,连续梁的竖向变形值便出现了平稳下沉的趋势, 往后再没有大的波动。
宏观上看,1 # 、9# 观测点均在连续的端部紧靠支座变形值较小。3# 与7# 观测点同在跨中,上拱挠度必定最大。2# 、8# 与中点5# 对称,又在1/ 4 跨位置,上拱挠度较大,曲线形状类似。4# 、6# 观测点也与中点5# 对称, 也同处于1/ 4 跨位置上, 相比2# 、8# 上拱挠度较小,曲线形状也类似。
3. 2 第3 联竖向变形监测结果分析
张拉完成以后,跨中和1/ 4 跨表现为上拱,符合预应力混凝土连续梁的工作原理,张拉前后的竖向变形突变值最大,此时决不能施作整体道床。
张拉以后3 个月之内的一段时间,混凝土受压徐变,钢绞线回缩松弛。预应力这一自身平衡力系在连续梁内部不断调整,致使各点竖向变形值来回上下波动,且波动范围较大。因此,3 个月之内不宜实施整体道床。
张拉3 个月以后,第4 月,还是因为混凝土受压徐变及钢绞线预应力自身持续调整,竖向变形值仍在波动,此时波动值较小。如果工期紧,可以慎重考虑实施整体道床,但最好安排张拉完成4 个月以后施作整体道床。
清河高架桥第3 联实际在张拉完成204 天以后现浇整体道床混凝土,混凝土徐变引起的工后非弹性竖向变形不会超过10 mm , 也不会影响运营质量。
3. 3 第9 联竖向变形监测结果第9 联实际观测26 个点,观测点位布置情况如
图3 。取第24 跨按实际观测绘出观测变形曲线图如图4 所示。
图3 第9 联观测点位布置示意图
第9 联于2001 年5 月6 日浇筑连续梁混凝土, 6 月15 日～6 月18 日完成张拉。第1 次观测从6
图4 第24 跨观测点变形曲线图(单位:mm)
月10 开始,张拉以后进行第2 次、第3 次⋯ 第12 次观测。根据表4 、图5 进行分析:同样发现竖向变形很有规律。
完成张拉以后立即观测的结果,表现为梁端部和支座位置上竖向变形小,而1/ 4 跨及跨中则竖向变形大,而且都是向上拱,出现一次峰值。这完全与后张预应力连续梁的工作原理相吻合。
在完成张拉9 天以后再观测,各观测点普遍出现下沉,在6 月30 日～7 月6 日之间均出现一次最低值,到7 月14 日又出现一次冲高值,与张拉完成时的观测值较接近。从6 月15 日～7 月14 日这1 个月时间期内,竖向变形值上下波动幅度较大,达到了6～12 mm 。
从7 月14 日开始到7 月29 日,各点竖向变形均表现为向上拱,7 月29 日上拱值冲到了最高。7 月29 日以后开始下沉或个别点平稳过渡,直到9 月24 日, 虽有上下波动, 但幅度较小, 分别为1 ～ 5 mm , 但总的趋势是开始沉降,到10 月4 日又继续下沉2～4 mm 。
与第3 联观测值相比较,普遍规律是同样张拉后立即达到一次上拱冲高值,以后上下波动,同样出现第二次上拱冲高,同样第二次与第一次冲高值接近或略高于第一次上拱冲高值,同样第二次冲高值以后开始下沉的大趋势,依然是上下波动波幅越来越小。
3. 4 第9 联竖向变形监测结果分析张拉完成时的观测结果表明,预应力压缩连续梁梁底,梁顶受拉。梁底受压,必然出现向上反拱, 因此梁端下沉,中部上拱突变,支座处基本无变形。这是后张预应力连续梁的必然结果,因此,桥梁上整体道床决不能在张拉前后施工。张拉以后一个月之内,混凝土徐变引起出现上地基基础工程下反复的竖向变形波动值,而且这一阶段波动值最高的到达了12 mm 。因此,张拉以后一个月之内必须回避整体道床混凝土施工。
根据混凝土受压徐变变化规律,徐变及钢绞线回缩松弛,预应力自身平衡力系在连续梁不断调整的原理,必定在张拉以后前3 个月之内,竖向变形波动值较大,因此,3 个月之内不宜进行整体道床混凝土施工。3 个月以后到第4 个月依然有上下波动值,在第4 个月施工整体道床混凝土需要慎重考虑。根据变形曲线图及混凝土徐变规律,第4 个月以后可以进行整体道床和轨道工程施工。
清河高架桥第9 联实际在张拉完成168 以后天实施混凝土整体道床施工。清河高架桥最后完成张拉施工的第8 联实际在张拉完成120 天以后实施整体混凝土施工。混凝土徐变引起的工后非弹性竖向变形不会超过10 mm , 全桥不会因工后沉降影响运营质量。
4 结 语
在轨道工程的整体道床施工完毕后,要求桥跨结构的轨面后期非弹性竖向变形总量不超过30 mm 。
为了达到这一要求同时保证工期必须确定合理的整体道床施做时间。通过对清河高架桥墩台和连续梁的沉降监测和对监测结果的分析得出以下结论。
(1) 桩基础不会产生“工后沉降”。
(2)“工后沉降”的产生来源于徐变。因此必须控制连续梁混凝土的施工质量,使混凝土的徐变对“ 工后沉降”的影响减少到最小。轨道工程的施工必须避开徐变发生高峰期。
(3) 设计、施工在考虑工期时以张拉4 个月以后进行轨道工程的施工安排进度。在张拉完成4 个月以后进行整体道床轨道工程施工,不会影响运营质量以及旅客舒适度。
本文撰写过程中参阅了中铁隧道集团2002 年编写的北京市快速轨道交通城市铁路工程桥梁施工关键技术研究与应用一书。
