無碴軌道預應力混凝土梁設計（一）
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘 要：通過對預應力混凝土梁在徐變上拱的控制的分析研究，對無碴軌道梁設計的關鍵技術作了簡要介紹，以便為今后的同類工程提供借鑒。
關鍵詞：無碴軌道、預應力混凝土梁、設計介紹
1．概述
無碴軌道可以從根本上解決傳統的有碴軌道在頻繁動載作用下軌道狀態的穩定問題，從而大幅度減少軌道結構的維修作業量，簡化了軌道的維修管理，使線路養護維修費用也大大降低。為了保證旅客乘坐的舒適度以及對軌道的平順性要求，在各國高速鐵路橋梁設計中，目前已大量采用了無碴軌道結構。
隨著我國經濟的發展，作為城市公交體系的軌道交通已成為大中城市的重要組成部分，而作為該體系中的城市輕軌由于其具有顯著的經濟性也將大量使用，由于無碴軌道橋梁具有上述的優點，對于城市軌道交通具有較好的適應性，因而在我國的城市軌道交通的橋梁結構中被普遍采用，如上海的明珠線、北京城市輕軌等等。然而，橋上無碴軌道的應用與隧道、路基不同，橋梁結構在活載作用下的彈性變形以及恒載作用下的長期變形都會直接影響到橋上軌道結構的受力、平順性及行車安全及舒適性。而且無碴軌道設備在鋪就后，其扣件的調整量有限，因此，對于預應力產生的徐變上拱的控制就成為無碴軌道預應力混凝土梁設計的關鍵。
2．預應力混凝土梁橋徐變上拱的控制
當前我國的鐵路以及城市軌道交通橋梁基本上是按全預應力箱形混凝土梁設計，在使用階段活載作用時截面下緣要求不能出現拉應力，為盡量發揮預應力筋作用，預筋重心盡量偏下，以抵抗荷載作用，于是，在使用階段全部恒載的作用下，截面將長期處于偏心受壓狀態，由此產生徐變上拱。
2.1 影響預應力混凝土梁徐變上拱的因素
影響預應力混凝土梁徐變上拱的因素較多，有設計方面因素、施工方面因素及梁體所處環境的影響。
⑴.設計方面因素
橋梁在使用階段恒載作用下其截面下緣應力水平以及梁體的恒、活載設計彎矩比值是設計方面的主要因素。長期受壓的混凝土徐變變形與其應力大小有直接關系，一般認為，當應力在0.4Ra（Ra為棱柱體抗壓強度）以內時，徐變變形隨應力增大呈線性發展；超過0.4Ra時，便產生非線性徐變，會導致變形及上拱迅速增大（CEP/FIP 混凝土結構設計 2.1.6.4.3條）。在設計過程中，可采用提高其高跨比以加大梁的豎向剛度來減小活載作用下的梁體下緣混凝土拉應力值，其次，通過調整預筋的布置使梁的截面上下緣應力在預筋及恒載的作用下盡力接近，從而將梁體徐變上拱值控制于規定的限值之內。
從理論上講，預應力筋對梁體截面產生的預應力效應包括軸力和彎矩兩部分，當預應力與恒載產生的截面彎矩充分接近時，梁體截面將長期處于均勻受壓狀態，梁體的徐變上拱很小，甚至接近于零。這種理想狀態對全預應力梁而言，只有當主梁截面的恒、活載設計彎矩比符合以下條件時才能實現，即：
式中：M恒—橋梁自重及二期恒載產生的截面彎矩；
M活—橋梁設計活載產生的截面彎矩；
A---截面面積；
e---截面的預應力偏心距；
W下—截面的下緣彎曲抵抗矩。
當 小于或大于 時，截面將長期處于偏心受壓狀態，必然出現徐變上拱或下撓，并隨其差值的增大而增加。在梁體控制截面的設計中，計算表明，當恒載彎矩所占的比例大時，徐變上拱較小，因此，當線路標準制定后，在梁跨相同情況下，對于不同線路設備等二期恒載設計值及梁高，二期恒載設計值較大及梁高較大者，恒活載彎矩比值也相應增大，梁體徐變上拱則會相應降低。而當荷載、主梁截面確定后，可通過調整預應力筋的布置，使 值與 盡力接近，來降低梁體的徐變變形。
國外在高速鐵路無碴軌道橋梁設計中，亦將降低主梁在恒載作用下的截面下緣應力值（或者說降低主梁由活載產生的截面下緣拉應力）作為其控制橋梁徐變上拱度的一個主要手段。不同國家鐵路無碴軌道預應力混凝土簡支梁跨中截面下緣應力水平比較見表1。
各國鐵路預應力混凝土簡支梁跨中截面下緣應力水平 表 1
⑵ 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響徐變上拱的重要因素，這是因為混凝土的徐變主要由水泥漿的徐變引起的，在相同水灰比情況下，徐變變形隨水泥用量增多而變大；當水泥用量一定時，又會隨水灰比的增大而增加。
2.骨料的力學性能
骨料在混凝土中主要是對水泥漿體徐變起約束作用，其程度取決于骨料的彈性模量和體積含量，因此，施工時應強調選用彈性模量較高的巖石和適宜的級配。試驗表明；采用石灰石碎石骨料有助于降低混凝土的徐變變形。
3.施加預應力時梁體的彈性模量
根據線性徐變理論，徐變上拱的大小取決于施加預應力時梁體的彈性上拱量，偏低的彈性模量會引起較大的徐變上拱。因此，在施加預應力前，除了檢驗混凝土強度外，還應同時檢測其彈性模量，在兩者均滿足設計要求后，再予以施加預應力。
