客运专线900t预制箱梁徐变控制技术研究

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　　摘要：为提高线路平稳性、尽量减少沿线土地占用、维护生态环境，客运专线多采用高架桥，梁型主要以大型整孔预制箱梁为主。哈大铁路客运专线桥梁部分上部结构大量采用900t预制箱梁，同时该线全线处于高纬度严寒地区，这在国内尚属首例，为施工带来非常大的困难。徐变是预制箱梁质量控制的关键参数之一，本文依托哈大客运专线梁场对预制箱梁徐变的影响因素及控制措施进行了研究，为类似工程提供参考。
　　关键词：客运专线，预制箱梁，高纬度，徐变，控制措施
　　Abstract：To improve the smoothness of lines、minimize land occupation along the route、maintain the ecological environment，viaduct and precast box girder are used universally in Railway Passenger-dedicated Line. The bridge superstructure of Ha Da Railway Passenger-dedicated Line used lots of 900t precast box girder. Moreover，the whole line is in the high-latitude cold regions，it’s the first in domestic and it is very difficult to construct successfully. Creep is one of the key parameters to control the quality of precast box girder. This paper has researched the influence factors and control measures of precast box girder creep on the Ha Da Railway Passenger-dedicated Line so to provide a reference for similar projects.
　　Keywords：Railway Passenger-dedicated Line，precast box girde，high-latitude，Creep，control measures
　　1．研究的重要意义
　　哈大铁路客运专线是国家“十一五”规划的重点建设工程项目之一，该工程北起哈尔滨市，南抵大连市，全线处于高纬度严寒地区。线路全长904公里，设计时速350公里，总投资为900多亿元，建成后将是东北乃至全国最先进的客运专线。哈大客运专线桥梁部分上部结构除跨线处采用连续梁外，其它里程桥梁上部结构均采用大吨位的双线整孔简支箱梁，跨径分别为24m和32m（其中计算跨径分别为23.5m和31.5m），其中32m跨径箱梁重达900t，采用“集中预制，架桥机架设”的施工方法。
　　哈大铁路客运专线900t预应力混凝土简支箱梁截面长期处于预应力偏心受压状态，下缘预压应力大，上缘预应力为零，或存在少量的拉应力，随着时间的变化，逐渐产生不同的塑性变形。下缘压缩最大，向上逐渐减小，故变形后下缘缩短，上缘伸长，因而出现梁体向上拱起，即徐变上拱。
　　其危害直接影响梁上轨面的平整度，对高速铁路列车行车的安全性和乘坐的舒适性不利。国内早期梁体徐变普遍偏高，平均6cm。部分营运线路曾因此问题导致火车缓行，并且换梁。因此，徐变上拱过大将会对铁路安全运营造成极大影响，箱梁徐变控制技术是预制箱梁的关键技术之一，其研究成果对其他客运专线的建设具有一定的参考作用。
　　2．混凝土徐变的影响因素
　　1）徐变特性
　　由于在拌合混凝土时用水量会超过水泥水化的要求量，多余水分的蒸发将使混凝土的体积产生收缩；另外，混凝土在长期压应力作用下，产生徐变变形，即应变随时间将不断增长。收缩与徐变变形均能使构件缩短，导致预应力钢筋中预拉应力降低，受到约束时，收缩应变甚至能使混凝土出现裂缝。
　　一般徐变变形比瞬时弹性变形大1～4倍，因此在结构设计中，徐变是一个不可忽略的重要材性指标。混凝土的徐变是长期变形，随时间增长，早期发育较快，后期发展较慢，最长可持续50年以上。
　　徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。徐变会使构件变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力损失。
　　2）徐变的主要影响因素
　　影响混凝土收缩、徐变的因素很多，归纳起来可分为内部和外部因素两部分。内部因素主要是指水泥品种、骨料、水灰比、灰浆率、外加剂以及外加水泥混合物等；外部因素主要指加荷龄期、加荷应力、加荷时间、环境相对湿度与温度、结构尺寸、空气含量等，下面逐个进行阐述。
　　（1）内部因素
　　①水泥
　　a.水泥品种
　　水泥品种主要是通过水化作用而影响混凝土强度的发展速度及混凝土加载时的强度大小。强度发展越快的水泥导致的混凝土徐变越小。
　　b．水泥细度
　　水泥细度影响混凝土早期强度，不同细度的低热水泥和普通水泥徐变的试验结果表明，水泥细度与混凝土徐变成反比关系。水泥的技术要求如下表所示。
　　表1水泥的技术要求
　　序号 项目 技术要求
　　1 烧失量 ≤5.0％
　　2 氧化镁 不超过5.0%
　　3 三氧化硫 不得超过3.5%
　　4 细度 ≤10.0％
　　5 凝结时间 初凝不得早于45min,终凝不得迟于10h
　　6 安定性 必须合格
　　7 强度 符合GB175中对P.O42.5水泥的强度规定
　　8 碱含量 ≤0.6％
　　9 比表面积 ≤350m2/kg（硅酸盐水泥，抗硫酸盐硅酸）
　　10 氧化钙含量 ≤1.5％,游离氧化钙≤1.0％
　　11 助磨剂名称及掺量 不得超过水泥质量的1%，助磨剂须符合JC/T667的规定
　　12 石膏名称及掺量 天然石膏须符合GB/T5483中规定的G类或A类二级（含）以上的石膏或硬石膏；采用工业副产石膏时，必须经过试验证明对水泥无害
　　13 混合材名称及掺量 粒化高炉矿渣及粉煤灰最大掺量不得超过15%
　　14 氯离子含量 ≤0.06％
　　15 熟料C3A含量 ≤8％，氯盐环境下≤10％
　　②骨料
　　混凝土中骨料是惰性的，在外加荷载作用下，岩石骨料只产生瞬时弹性变形，徐变较小。骨料对水泥浆体有约束和吸水作用，约束程度取决于骨料的硬度和含量，骨料的吸水多少取决于骨料的致密程度。骨料的硬度及含量越大，混凝土整体弹性模量越大，产生的徐变变形越小；骨料致密程度越大，级配越好，吸水量越小，混凝土徐变量越小。影响混凝土徐变的因素有骨料的品种、骨料的硬度、骨料的含量、骨料的孔隙率。
　　③水灰比
　　混凝土水灰比是影响混凝土徐变的主要因素。水灰比大的混凝土，水泥颗粒间距就越大，空隙多，毛细管径大，强度低，徐变大，在常用的水灰比范围（0.4～0.6）内，单位应力的徐变与水灰比呈近似直线关系。
　　④灰浆比
　　单位体积混凝土内水泥浆含量称为灰浆率。它综合反映了水泥量和用水量的影响，反映了骨料体积含量的影响。混凝土中产生徐变的物质主要是水泥浆体，若强度不变，徐变随灰浆率的增加而增大。在水灰比固定和其他条件相同时，水泥用量越大，混凝土徐变就越大。

　　拌制及养护混凝土用水须符合国家现行《混凝土拌合用水标准》（JGJ63-2006）和《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》（科技基[2005]101号）的要求，采用梁场驻地饮用水。
　　⑤外加剂
　　a．减水剂
　　减水剂一般具有分散水泥颗粒和调节凝结时间作用，使用减水剂可以改善混凝土的和易性，节约水泥或降低水灰比以提高强度。
　　b．引气剂
　　引气剂对混凝土徐变影响是很重要的。试验表明混凝土含气量由6%增加到12%，其徐变相应增大50%以上。徐变增大的原因可以把掺入引气剂后混凝土增加气泡当作弹性模量为零的骨料来理解。外加剂的技术要求如下表所示。
　　表2外加剂的技术要求
　　序号 项目 技术要求 备注
　　1 水泥净浆流动度，mm ≥240
　　2 硫酸钠含量（％） ≤5
　　3 氯离子含量（％） ≤0.1
　　4 碱含量(Na2O+0.658K2O),（％） ≤10
　　5 减水率（％） ≥25
　　6 含气量（％） ≤6
　　7 坍落度保留值，mm 30min ≥180 用于泵送混凝土时
　　 60min ≥150 用于泵送混凝土时
　　8 泌水率比（％） ≤60
　　9 抗压强度比（％） 3d ≥155
　　 7d ≥145
　　 28d ≥130
　　10 对钢筋锈蚀作用 无锈蚀
　　11 收缩率比（％） ≤100
　　12 相对耐久性指标（％），200次 ≥80
　　⑥粉煤灰
　　粉煤灰对徐变的影响很大，主要要分清是早龄期加荷还是晚龄期加荷，一般来说掺入粉煤灰的混凝土强度较低，故早龄期加荷徐变偏大，而后期的强度比不掺的高，晚龄期加荷的徐变偏小。
　　（2）外部因素
　　①加荷龄期
　　混凝土的徐变随加荷龄期的增长而减小。在早龄期，由于水泥水化正在进行，强度很低，故徐变较大；随龄期的增长，水泥不断水化，强度不断提高，故晚龄期徐变较小。若以28天龄期加荷徐变为基准，3天加荷龄期的徐变为28天的1.6～2.3倍，7天加荷龄期为28天的1.5倍；90天加荷龄期为28天的70%，1年为28天龄期的35%～50%。
　　②加荷应力
　　现有的徐变数据绝大部分是在单轴压应力状态下取得的，这是因为混凝土结构主要用来承受压力，且在受压状态的徐变试验要比受拉或其他应力状态下的徐变试验容易的多。当混凝土不超过强度的0.4倍时，一般假定混凝土徐变和应力成正比。当应力提高0.4倍时，则徐变随应力比的增长而急剧增大，表明出明显的非线性关系。
　　③持荷时间
　　混凝土徐变随时间的增长而增加。但徐变速率随持荷时间的增长而降低。混凝土徐变可以持续非常长的时间，但大部分徐变在1―2年内完成。根据国内8个水利水电工程15个配比徐变试验资料统计，以持荷180天为准，则持荷20天为持荷180天的50%，持荷90天为持荷180天的85%，持荷365天为持荷180天的1.15倍。
　　④养护条件
　　养护条件是指养护环境的湿度、温度和养护时间。温度和湿度影响水泥的水化速度和水化程度；水化程度愈高，水泥胶凝体的密度也愈高，混凝土的强度和弹性模量也愈高，而徐变则愈低。
　　⑤振捣
　　正常情况下混凝土总是充分捣实而没有离析的，否则内部残余的空隙将使徐变增大。任何振捣不足将在强度的下降上反应出来，空隙率高还将增加干燥徐变，从而导致徐变增大。振捣密实，混凝土徐变量小，因此机械振捣可以减小徐变量。
　　⑥构件尺寸
　　构件尺寸将决定环境湿度和温度影响混凝土性能的程度。这种影响在混凝土干燥过程中水分转移的时候，是相当显著的，当混凝土与周围环境的湿度达到平衡以后，则构件的影响亦将消失。一些试验资料指出：实测的徐变值随着试件尺寸的增加而减少，当试件尺寸超过0.9m时，尺寸影响可以忽略不计。
　　⑦工作环境的温度和湿度
　　工作环境的相对湿度是影响混凝土徐变的最重要的因素之一，较低的相对湿度在加载初期对徐变的影响最大，一旦混凝土与周围环境的湿度达到平衡，相对湿度的影响就趋于消失。
　　混凝土内部的相对湿度，即使在没有蒸发的情况下，也将随着时间的增加，由于不断的水化作用而略有降低。即使水灰比降低，混凝土内部的相对湿度也不太可能降低到90%以下。因而混凝土的干燥以及随之发生的徐变增加只有在下列情况之下才有可能：
　　a．周围介质的相对湿度小于90%时；
　　b．混凝土温度升高（如由于太阳照射）使得表面蒸发率增加。环境温度对徐变影响主要有两种方式：在湿度稳定的条件下，混凝土徐变因温度升高而有显著增加；如允许混凝土干燥，则当温度升高时，徐变将有显著增加。
　　⑧空气含量
　　空气含量对混凝土的徐变也有影响，空气含量大，则混凝土徐变也大，含有5.4%空气的混凝土在28天龄期开始加载，一年时间的徐变比仅含有1.7%空气的混凝土在同样条件下的徐变要大40%左右。
　　3．预应力技术对箱梁上拱的影响
　　在箱梁预制过程中，材料及各工序必须严格按照设计要求和相关标准规范、规程操作，以保证完工后箱梁尺寸、变形等达到设计要求，确保施工质量。下面对梁场箱梁预应力施工工艺流程中影响箱梁变形的工序进行简单介绍。
　　1）预应力钢筋
　　在预应力筋制作中主要有两方面，一是预应力下料，在下料时应根据实际情况，通过计算，确定下料长度，除基本长度（孔道长度）外，要考虑所采用锚夹具的类型、张拉机具的要求、张拉方法及在构建端头采用的垫板数量和厚度，以节约钢材耗用量，同时满足施工要求；另一方面是预应力筋(束)的编制，为了便于将钢绞线(束)穿入波纹管，不致在穿筋过程中、铺设波纹管和张拉时发生紊乱，钢绞线下料后要进行编束。编束时，先把钢绞线理顺并在两端做好标记，用20～22号镀锌铁丝每隔1.5～2米绑扎一道，形成束状，为了在穿筋过程中端头不发生松散现象，端部用力多捆扎数道。
　　2）预应力张拉
　　预应力筋张拉施工是预应力混凝土结构施工的关键工序，张拉施工的质量直接关系到预制箱梁的质量和安全。张拉施工前应精心组织、策划，做好各项施工准备工作，以保证张拉施工顺利进行。在张拉施工前应做好如下准备工作：①材料、设备及配套工具的准备，包括锚具进场、张拉设备标定等；②结构构件的准备，主要是结构构件混凝土强度检验，通过对混凝土立方体试块的强度检验，当达到设计要求的张拉强度后方可进行张拉施工；③施工操作条件准备，包括电源、操作空间等；④张拉施工技术准备，包括施工安全及技术交底、张拉工艺、预应力控制等。
　　（1）预施应力按预张拉、初张拉和终张拉三个阶段进行。
　　（2）为避免梁体混凝土收缩开裂，预制梁应带模预张拉。预张拉时，模板应松开，不应对梁体压缩造成阻碍。张拉数量及张拉力值应符合设计要求。预应力束张拉前，应清除管道内的杂物及积水。
　　（3）初张拉应在梁体混凝土强度达到设计值80％和模板拆除后，按设计要求进行。初张拉后，梁体方可吊出台位。
　　（4）终张拉在梁体混凝土强度及弹性模量达到设计值后、龄期不少于10d时进行。
　　（5）张拉顺序、张拉控制应力及总张拉力应严格按照设计要求进行。对于二次张拉的预应力筋，其终张拉的初应力应稍高于第一次张拉锚固应力值。
　　（6）预施应力值以油压表读数为主，以预应力筋伸长值作校核，按预应力筋实际弹性模量计算的伸长值与实测伸长值相差不应大于±6％；实测伸长值以20％张拉力作为测量的初始点。
　　（7）当实测伸长值与理论伸长值相差大于±6％时，应分析其不符的原因（如油压表不准、千斤顶内摩阻过大、预应力筋实际弹模偏高或偏低等）并进行处理。

　　（8）预施应力应采用两端同步张拉，并符合设计张拉顺序。预施力过程中应保持两端的伸长量基本一致。
　　（9）张拉静停过程中如油压下降，应缓慢补油至规定油压，以保证张拉吨位。
　　（10）在整个张拉过程中，严密注意钢绞线断丝及锚具滑丝情况，全梁断丝及滑丝数量不应超过预应力钢丝总数的0.5％，并不应处于梁的同一侧，且一束内断丝不得超过一丝。
　　（11）预制梁终张拉后应实测梁体弹性上拱，实测上拱值不宜大于1.05倍设计计算值。
　　（12）张拉期间在外露钢绞线上套上塑料套管，以避免锚具、预应力筋受雨水、养护用水浇淋，防止锚具及预应力筋出现锈蚀，造成滑丝。
　　（13）张拉完成后，在锚圈口处的钢绞线做上记号，以作张拉后对钢绞线锚固情况的观察依据。张拉完毕24小时后复查，确认无滑移断丝即可进行钢绞线头的切割，切割处距锚具表面30～40mm。切割采用砂轮锯切割。
　　（14）张拉过程中出现以下情况之一者，需更换钢绞线重新张拉：
　　①后期张拉时发现早期张拉的锚具当中夹片断裂者；
　　②锚具内夹片断裂在两片以上者（含有错牙的两片断裂）；
　　③锚环裂纹者；
　　④切割钢绞线或者压浆时发生滑丝者。
　　4．减小箱梁徐变的措施
　　从混凝土徐变及预应力技术对砼箱梁上拱的影响来看，造成起拱偏大主要有以下几方面因素。
　　1）梁体混凝土强度未达到设计要求的强度时即进行张拉。
　　2）张拉应力控制不准，实际张拉力超过设计值，或超张拉值偏大，使得张拉产生负弯矩M偏大。
　　3）梁体混凝土强度不够，使得混凝土弹性模量偏小。
　　4）混凝土徐变影响。
　　针对上述各方面的因素，哈大客运专线梁场在箱梁预制过程中主要采取了以下减小箱梁上拱的施工措施：
　　（1）在满足高性能混凝土强度与和易性条件下，采用较低的水泥用量和水灰比，并采用低碱水泥（0.6%），确保混凝土的耐久性。
　　（2）混凝土骨料，选用弹性模量较高的岩石和适当级配，母岩强度必须达到2倍C50以上的抗压强度。对骨料进行碱活性试验，严禁使用碱-碳酸盐反应的活性骨料和膨胀率大于0.2%的碱-硅酸盐反应的活性骨料。
　　（3）采用自动化温控系统控制蒸汽养护，严格遵守“静停、升温、恒温、降温”四阶段的温度控制要求。
　　（4）在对梁体施加预应力前，针对预张拉、初张拉、终张拉三阶段，除检验每阶段混凝土强度外，同时检查混凝土的弹性模量，确保弹性模量和强度同时符合要求，方可进行张拉施工。张拉作业实行“双控”，严禁超张拉。
　　（5）采取措施有效降低管道摩阻、管道偏差系数。梁场由于早期实测锚口及喇叭口损失为4.8%，管道摩阻系数0.6239，管道偏差系数0.0018，较设计标准值偏差过大，后经对预应力定位网片的工艺改进及对抽拔成孔的质量管理控制，对混凝土的振捣最大限度减少碰撞管道橡胶棒，对钢筋笼的吊装吊具进行改造，确保足够刚度避免底腹板钢筋骨架变形导致预应力定位网位置变动过大，最后在底腹板钢筋吊装入模后再次精调定位网位置，并拉伸橡胶抽拔棒，确保线形平顺，符合设计的预应力管道坐标的偏差限值。
　　（6）在满足工期及设计规范的前提下，尽量推迟终张拉时间，若30天上拱度超限时，采取吊装或者加载预压措施进行控制。尽可能适当延长施加二期恒载的时间间隔。
　　5．箱梁徐变测量
　　对时速可达到350公里的高速铁路因言，高平顺性是行车安全的必要因素，而沉降观测工作则是确保线路的平顺性，即评估是否满足铺设无碴轨道的重要基础工作。在沉降观测工作中预制箱梁的徐变上拱观测有别于墩台、路基的沉降观测。梁体不是固定不动的，而是分为架设前和架设后两个位置，架设前也不能确定位置是一成不变的。对于哈大梁场来说，由于叠梁的要求，存放位置有所变化。而上拱数值即张拉前测得的初始反拱数据为基本数据，减去每次测得的中心支点高差便可得出该次测量的上拱数值。
　　测量采用无后视法观测，其要求如下：
　　1）对原材料变化不大、预制工艺稳定、批量生产的预应力混凝土预制梁，徐变上拱观测可每30孔选择1孔进行，梁体变形观测点应设置在支点和跨中截面，每孔梁的测点数量应不少于6个。
　　2）上拱度的观测应采用精密水准仪和因瓦水准尺。
　　3）观测时间及频次要求：预制箱梁张拉结束后，应注意观测跨中1d、7d、14d、30d、60d的上拱值，并做好记录，绘出其变化曲线并与理论计算值比较。若正负差异超过20%，须暂停施工，查明原因，采取有效措施加以解决。
　　表3梁体测量间隔表
　　观测阶段 观测周期
　　梁体
　　预应力张拉期间 张拉前、后各1次
　　桥梁附属设施安装 安装前、后各1次
　　预应力张拉完成～无碴轨道铺设前 张拉完成后第1天
　　 张拉完成后第3天
　　 张拉完成后第5天
　　 张拉完成后1～3月，每7天为一测量周期
　　无碴轨道铺设期间 每天一次
　　无碴轨道铺设完成后 第0～3个月，每1个月为一测量周期
　　 第4～12个月，每3个月为一测量周期
　　 第13～24个月，每3个月为一测量周期
　　4）根据《客专无碴轨道铺设条件评估技术指南》中对预应力混凝土桥梁上部结构的变形规定：终张拉完成时，梁体跨中弹性变形不宜大于设计值的1.05倍；扣除各项弹性变形，终张拉60天后，L≤50m梁体跨中徐变上拱度实测值不应大于7mm，L＞50m梁体跨中徐变上拱度实测值不应大于L／7000或14mm，不能满足上述要求时，根据梁体变形的实测结果，确定梁体的实际弹性变形及徐变系数，并估算无碴轨道的铺设时间。
　　6．结语
　　施工实践证明，哈大客运专线大体积预制箱梁的上拱度控制措施是科学、合理和简便的，可供类似箱梁预制借鉴。
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