（水工结构工程专业论文）新型轨道交通预应力混凝土梁研究.pdf

摘要 摘要 本文的研究对象为新型轨道交通预应力混凝土梁，主要包括轨道交通预应 力混凝土梁和预制预应力混凝土轨道迭合梁等新型混凝土梁。以具有高精度变 形要求的准高速客运专线、城市轻轨和磁悬浮轨道交通梁的长期变形控制为研 究背景，本文对轨道交通预应力混凝土梁的长期性能开展了较为系统的试验研 究、时随有限元分析和设计理论研究。此外，对预制预应力混凝土轨道迭合梁 在单调荷载作用下的受力性能进行了有限元分析。本文的研究工作主要包括以 下四个部分： 一、试验研究通过6 根预应力混凝土简支梁1 2 0 0 d 的长期性能试验，对 徐变应变、徐变变形、跨中截面曲率、钢筋应变以及预应力筋应变等指标的时 随变化规律进行了研究，重点考察了混凝土种类、预应力筋张拉方式、张拉控 制应力以及梁跨中截面上、下缘应力差等因素对轨道交通预应力混凝土梁长期 性能的影响。研究表明，采用高性能混凝土、分2 次张拉预应力筋以及降低截 面上、下缘应力差等措施均有助于减少轨道交通预应力混凝土梁的徐变。 二、时随有限元分析应用已有时随有限元分析程序，对轨道交通预应力 混凝土梁的长期性能进行了参数分析，研究材料、截面应力状态、施工工艺以 及环境因素等几个方面的因素对其长期性能的影响规律，为设计建议的提出提 供依据。 三、设计理论研究根据试验研究与参数分析的成果，通过曲线拟合和参 数回归，提出了轨道交通预应力混凝土梁长期变形计算的建议公式。该建议公 式综合考虑了混凝土种类、预应力筋张拉方式以及截面应力差等因素对轨道交 通预应力混凝土梁长期变形的影响，形式简单，可计算任意龄期的长期变形值。 应用该建议公式对本文的试验进行了计算验证，结果表明，建议公式计算值与 1 2 0 0 d 的试验结果以及时随有限元分析结果均吻合较好，具有较高的计算精度。 四、迭合梁有限元分析采用有限元软件a b a q u s ，对预制预应力混凝土 轨道迭合梁在单调荷载作用下的受力性能进行了有限元模拟分析，并与现浇模 型进行了对比。结果表明，现浇与预制模型的受力性能基本相似，现浇模型在 单调荷载下的承载力略高于预制模型。 摘要 本文的研究成果为轨道交通梁的设计与应用以及有关规范的编制提供了技 术依据和参考数据。 关键词：轨道交通梁，长期性能，试验，设计建议，迭合梁 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e sn e wt y p er a i lt r a n s p o r t a t i o np r e s t r e s s e dc o n c r e t eb e a m s ， w h i c hc o n s i s tr a i lt r a n s p o r t a t i o np r e s t r e s s e dc o n c r e t eb e a m sa n dp r e c a s tp r e s t r e s s e d c o m p o s i t ec o n c r e t er a i lb e a m s s y s t e m a t i ce x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt i m e - d e p e n d e n t f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa sw e l la sd e s i g nt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha r ec a r r i e do u tf o rt h e i n v e s t i g a t i o no fl o n gt e r mb e h a v i o r so fr a i lt r a n s p o r t a t i o np r e s t r e s s e dc o n c r e t eb e a m s b a s e do nh i g h p r e c i s et r a c kg i r d e r so fq u a s i h i g h s p e e dd e d i c a t e dp a s s e n g e rr a i l w a y s ， u r b a nl i g h tr a i l sa n dm a g n e t i cs u s p e n s i o nl i n e s i na d d i t i o n ，af m i t ee l e m e n ta n a l y s i s i sc o n d u c t e dt os i m u l a t el o a db e a r i n gb e h a v i o r so fp r e c a s tp r e s t r e s s e dc o m p o s i t e c o n c r e t er a i lb e a m su n d e rm o n o t o n i cl o a d i n g m a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r ei n c l u s i v e o ft h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ： 1 e x p e r i m e n t a ls t u d i e s ：l o n g - t e r mt e s t sw e r ec o n d u c t e do n6s i m p l y s u p p o r t e db e a m st oi n v e s t i g a t et i m e - d e p e n d e n tr u l e so ft h e s eb e a m s ，s u c ha sc r e e p s t r a i n s ，c r e e pd e f o r m a t i o n s ，m i d s p a ns e c t i o nc u r v a t u r e s ，s t r a i n so fs t e e lb a r sa n d p r e s t r e s s i n gt e n d o n s ，w h i c ha r ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gl o n g - t e r mb e h a v i o r so fb e a m s d u r i n g12 0 0d a y s a t t e n t i o n sa r ep a i dt oc o n c r e t ek i n d ，w a yo f j a c k i n g o f p r e s t r e s s i n g t e n d o n s ，j a c k i n gs t r e s s e sa sw e l ls t r e s sv a r i a t i o n sb e t w e e nu p p e ra n dl o w e rf i b e r si n m i d s p a no fb e a ms e c t i o n s s t u d i e ss h o w t h a tt h eu s eo fh p c ，2t i m e so fj a c k i n ga s w e l la sd e c l i n i n gs t r e s sv a r i a t i o nb e t w e e nu p p e ra n dl o w e rf i b e r so fb e a ms e c t i o n sa r e g o o dw a y sf o rd e c r e a s i n gc r e e pd e f o r m a t i o n sa n ds t r a i n so fr a i lt r a n s p o r t a t i o n c o n c r e t eb e a m s 2 t i m e d e p e n d e n tf e ma n a l y s i s ：p a r a m e t r i cs t u d i e so nm a t e r i a l s ， s e c t i o ns t r e s ss t a t e s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya sw e l la se n v i r o n m e n t a le f f e c t so i l l o n g - t e r mb e h a v i o r so fb e a m sa r ed i s c u s s e db yu s i n gt i m e - d e p e n d e n tf e mp r o g r a m i sc o n d u c t e d ，w h i c hc o u l dp r o v i d ed e s i g ns u g g e s t i o n sf o rc o n s t r u c t i o np r a c t i c e s 3 d e s i g nt h e o r ys t u d i e s ：b a s eo ne x p e r i m e n t a la n da n a l y t i c a lr e s u l t s ， ap r e d i c t i o nf o r m u l ao fl o n g - t e r mc a m b e r ，c o n s i d e r i n gc o n c r e t ek i n d , w a yo f j a c k i n g o fp r e s t r e s s i n gt e n d o n sa sw e l ls t r e s sv a r i a t i o nb e t w e e nu p p e ra n dl o w e rf i b e r si n i i i a b s t r a c t m i d - s p a no fb e a ms e c t i o n s ，i sp r e s e n t e dt h r o u g hc u r v ef i r i n g a n dp a r a m e t r i c r e g r e s s i o n r e s e a r c h e si n d i c a t et h a tt h i sf o r m u l ac o u l dp r e c i s e l yp r e d i c tt h el o n g - t e r m c a m b e r so fp r e s t r e s s e dh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t eb e a m sa ta n ya g e s t h ec a l c u l a t e d r e s u l t so b t a i n e db yu s i n gt h ep r e d i c t i o nf o r m u l aa g r e ew e l lw i t ht h ep r o g r a mv a l u e s a n dt e s tr e s u l t si n12 0 0d a y s 4 f e ma n a l y s i s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sc o n d u c t e dt os t u d yt h el o a d b e a t i n gb e h a v i o r o fp r e c a s tp r e s t r e s s e dc o m p o s i t ec o n c r e t eb e a mu n d e rt h e m o n o t o n i cl o a d i n gb yu s i n ga b a q u s a n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h el o a db e a t i n g b e h a v i o ro fc a s t - - i n - p l a c em o d e lb e a ma n dp r e - - c a s tm o d e lb e a ma r eq u i t es i m i l a r a n a l y t i c a lr e s u l t sa l s os h o wt h a tah i g h e rl o a d c a r r y i n gc a p a c i t yi s o b t a i n e di n c a s t - i n - - p l a c em o d e lb e a mc o m p a r e dt ot h a to fp r e s - c a s tb e a m su n d e rm o n o t o n i c l o a d i n g s t u d i e si nt h i sp a p e rc o u l dp r o v i d et e c h n o l o g i c a lp r i n c i p l e sa n dp a r a m e t e r sf o r d e s i g na n da p p l i c a t i o n so ft r a c kg i r d e r s k e yw o r d s ：r a i lt r a n s p o r t a t i o nb e a m ，l o n g t e r mb e h a v i o r , e x p e r i m e n t ，d e s i g n s u g g e s t i o n ，c o m p o s i t ec o n c r e t eb e a m i v 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 媳 a 越 卅 名 日 一 签 痧 者引 一 等 划己一 论 年 位曙靴婴 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 轨道交通简介 第1 章绪论 轨道交通包括准高速客运专线、城市轻轨、磁悬浮、地铁以及单轨交通等 交通系统【1 2 1 。众所周知，准高速客运专线、城市轻轨和地铁等都是利用轨道作 为车辆导向运输方式，以钢轮和钢轨为走行系统的交通方式【3 】。而磁悬浮列车则 是一种依靠电磁场特有的“同性相斥、异性相吸”的特性将车辆托起，使整个列车 悬浮在线路上，利用电磁力进行导向，并利用直线电机将电能直接转换成推进 力来推动列车前进的一种新型交通运输工具【4 j 。 这些多元化的轨道交通形式，因其客运量大、快速、正点、低能耗、少污 染、乘坐方便舒适等优点，常被称作“绿色交通”。 下面，简要介绍几种轨道交通的发展历程。 ( 1 ) 准高速客运专线 自1 8 2 5 年世界上第一条铁路诞生，一百多年来，世界各国始终在为提高列 车的行车速度作不懈努力。1 9 6 4 年日本建成了世界上第一条高速铁路( 东海道 新干线) 。1 9 8 1 年法国的“t g v ”高速列车正式投入运行，速度为2 6 0 k m h 。1 9 8 8 年德国的“i c e ”城际列车以及我国2 0 0 3 年新建成的秦( 皇岛) 沈( 阳) 客运专 线都实现了第一代高速( 时速2 0 0 3 5 0 k m h ) 。 ( 2 ) 城市轻轨 1 9 7 0 年在地下铁道建设高潮期，由于造价昂贵、建设进度受财政和其他因 素制约，西方大城市把注意力转移到地面轨道上，开发出新一代噪声低、速度 高、走行部件转弯灵活、乘客上下方便，甚至能照顾到老人和残疾人的低地板 新型有轨电车。在线路结构上，也采用了降噪减震技术措施。在速度要求较高 的线路上，采用专用车道，在与繁忙道路交叉处进入半地下或高架交叉，互不 影响。 1 9 7 8 年3 月国际公共交通联合会( u i x r , ) 在比利时首都布鲁塞尔会议上，确定 第1 章绪论 了新型有轨电车交通的统一名称，即轻型轨道交通( l i g h tr a i lt r a n s i t ) 简称轻轨交 通( l r t ) 。2 0 世纪8 0 、9 0 年代，环保问题、能源结构问题突出，在经济可持续发 展战略方针指导下，全世界掀起了新一轮的轻轨交通系统的建设高潮。据粗略 统计，已有5 0 个国家建有3 6 0 条轻轨线路【5 。 ( 3 ) 磁悬浮 1 9 2 2 年德国工程师赫尔曼肯佩尔首先提出了磁浮列车的构想【6 】。1 9 3 4 年， 赫尔曼肯佩尔获得了制造磁浮铁路的基本专利，次年运用实验模型证实了磁浮。 赫尔曼肯佩尔由此被称为“磁浮之父”。 从2 0 世纪6 0 年代起，以德国和日本为代表，开始对磁浮技术进入深入研 究。1 9 6 9 年德国开始进行大通过能力高速铁路的基础研究，制造出第一代磁浮 试验车模型。1 9 7 1 年德国在世界上首次制造出第一辆常导磁悬浮原理车；日本 于1 9 7 2 年造出第一辆超导磁悬浮原理车；1 9 7 9 年汉堡国际交通展展出了磁浮第 五代试验车，引起轰动；1 9 8 2 年，日本开通了世界上第一条超导磁悬浮实验线； 19 8 4 年德国在埃姆斯兰( e m s l a n d ) 建成3 2 k m 磁悬浮试验线，并运用第六代试 验车达到了3 0 2 k m h 的时速；1 9 8 8 年第六代试验车的时速达到了4 1 2 6 k m h ，在 这一年举行的慕尼黑国际交通展上，第七代试验车亮相，并于次年试验，标志 着高速磁浮技术趋于成熟。2 0 0 1 年3 月，世界第一条高速磁浮铁路商业运营线 在中国上海开工建设，主线为双线，营业里程3 0 k m ，包括维修基地等附属线路 共3 3 k m ，己于2 0 0 3 年通车试运行。磁悬浮列车实现的5 0 0k m h 时速为第二代 高速。美国的兰德公司设计了一条横贯美国东西，由纽约到洛杉矶的一条长 3 9 5 0 k m 的真空地下隧道，在隧道内行驶磁悬浮列车，最高时速在2 0 0 0 k m h 以 上。这种地下真空磁悬浮或超高速列车被称为第三代高速列车，将在2 1 世纪开 发实现。 1 1 2 轨道结构的设计原则及其特点 轨道交通的高速度、高舒适性和高密度连续运营等特点对其轨道结构的刚 度和整体性提出了严格的要求，各国轨道梁的设计基本上遵循以下原则7 】： ( 1 ) 应尽量采用等跨等高度梁，整孔制造或分片制造整体联结； ( 2 ) 适当增大梁高，欧洲各国轨道交通预应力混凝土简支梁的高跨比一般在 1 9 1 1 0 之间； 2 第l 章绪论 ( 3 ) 除小跨度的轨道梁外，大都采用双线单室箱形截面； ( 4 ) 轨道梁的跨度不宜过大； ( 5 ) 对轨道梁在长期荷载作用下产生的变形和应力增量进行严格控制。 轨道结构的特点可以概括为以下几点： ( 1 ) 轨道梁以中小跨度为主。由于轨道交通对线路、轨道梁、隧道等土建工 程的刚度要求严格，因此轨道梁多以中小跨径的简支体系为主，容易做到设计 标准化、制造工厂化，安装架设方便，施工速度快。我国已建成的秦沈客运专 线的主力梁型为预应力混凝土简支箱梁，其常用跨度为2 0 m 、2 4 m 和3 2 m 8 1 。城 市轻轨多为高架桥结构，应尽量采用等跨等高度梁，合理跨度为2 0 3 0 m 。受功 能件模块化的影响，磁悬浮轨道梁的结构尺寸受到严格的限制【9 ，其长度严格按 功能件的长铁芯定子( 标准长度为1 0 3 2 m ) 的整数倍取值，主要跨径为2 4 7 6 8 m 和3 0 9 6 0 m 。 ( 2 ) 结构刚度大，整体性好。列车的高速、舒适、安全行驶要求轨道梁必须 具有足够大的刚度和良好的整体性，以防止轨道梁出现较大的挠度和振幅，同 时，必须限制预应力徐变上拱和不均匀温差引起的结构变形，以保证轨道的高 平顺性。因此，轨道梁的设计主要由刚度控制，强度基本上不控制设计。 ( 3 ) 结构型式多样化。除大量采用预制简支梁外，根据特殊的工点需要分别 采用了预应力混凝土连续箱梁、钢一混凝土组合梁、钢筋混凝土刚构连续梁、无 碴轨道梁以及桥位现浇简支梁等结构型式【1 0 , 1 1 】。磁浮上海线主要采用了德国 m a x b 6 9 l 公司设计的复合轨道梁型式，轨道梁为单箱单室，由预应力混凝土梁 及功能件组合而成，预应力混凝土梁中预埋连接件，连接件及功能件完成机加 工后通过高强螺栓及定位销连成整体【1 2 】。天津市区至滨海新区的快速轨道交通 工程是我国目前最长的轻轨工程，一期设计全长4 5 4 0 9 k m ，全线高架段长度达 至1 j 3 9 7 k m ，占线路全长的8 8 左右。高架段均采用现浇连续箱梁，并以预应力连 续箱梁为主【1 3 , 1 4 】。 ( 4 ) 注重轨道结构的耐久性。一些国家规定，准高速客运专线等高速铁路的 轨道梁，一般以5 0 年不需维修为目标；在日常检查、养护前提下，期待达到1 0 0 年的耐用期。 ( 5 ) 强调结构与环境的协调。轨道结构造型要与周围环境相一致并注重结构 的外观和色彩；在居民区附近应有降噪措施等。 3 第1 章绪论 1 2 研究问题的提出 本文的研究对象为新型轨道交通预应力混凝土梁，主要包括轨道交通预应 力混凝土梁和预制预应力混凝土轨道迭合梁等新型混凝土梁等。 我国已建的秦沈客运专线、上海磁悬浮，在建的京沪高速铁路以及拟建的 沪汉蓉高速铁路等轨道交通线路将逐步构成便捷通达的轨道交通体系。从世界 范同来看，磁悬浮、准高速客运专线和城市轻轨等大容量地面高速交通运输方 式与社会经济和人们日常生活的关系愈加紧密。但是，由于混凝土收缩徐变和 预应力筋松弛效应的影响，轨道梁会在使用过程中产生缓慢增加的、较大的长 期变形，这将直接影响上述运输方式的乘车舒适性，甚至危及行车安全。 欧洲各国己建的高速铁路多采用有碴轨道形式，而磁悬浮轨道、城市轻轨 以及新建的准高速客运专线则采用无碴轨道形式。与传统的有碴轨道相比，无 碴轨道从根本上解决了轨道在频繁高速动载作用下的稳定问题，大幅度减少了 轨道结构的养护维修成本，因而在日本、德国、英国、意大利以及我国的磁悬 浮轨道、准高速客运专线和城市轻轨线路的设计中得到了广泛的应用【7 1 。但是， 无碴轨道结构的可调量相对较少，扣件调高限值仅为3 0 m m ，当徐变变形超过扣 件的调整量时，无碴轨道的优越性便丧失殆尽。因此，德国制订的桥上无碴轨 道标准规定：在无碴轨道铺设以后，预应力混凝土桥梁的长期变形要限制在跨 度的1 5 0 0 0 以内。我国既有铁路3 2 m 跨度桥梁的徐变上拱量约为6 0 m m ，上拱 的变异系数达0 3 ，这将导致钢轨扣件破坏失效，影响轨道的稳定性，并危及行 车安全。 以上海市轨道交通明珠线 3 , 1 5 j 为例，其全线高架桥总长2 1 5 k m ，其中9 0 以上是预应力混凝土梁。高架桥上采用无碴、刚性轨下基础和无缝线路的轨道 结构。这种结构稳定性好，养护工作量小，但轨道结构的可调整量相对较小( 仅 为3 0 4 0 m m ) ；扣除施工误差后，在运行阶段用于线路平顺性的调整量更是有限。 明珠线这样规模的长大高架桥是国内第一次建造，为了避免桥梁过量徐变值引 起线路调整的困难，乃至影响明珠线行车的舒适性和安全性，在设计和施工阶 段进行徐变控制是十分必要的。 此外，与现浇轨道梁相比，预制预应力混凝土迭合梁具有施工便捷，经济 效益高等优点，可作为磁悬浮轨道梁的结构形式之一。但是，现阶段国内外规 范中关于预制预应力混凝土磁悬浮轨道迭合梁设计的规定几乎都为空白。因此 4 第1 章绪论 采用有限元软件对其静力性能进行模拟分析，并在现浇与预制混凝土迭合面接 触的模拟方法上进行研究和探索，具有重要理论和工程意义。 综上所述，轨道交通在社会经济和人们日常生活中发挥着越来越重要的作 用，但国内外关于轨道交通梁的长期性能研究仍比较薄弱，这在很大程度上限 制了轨道交通的发展，相关研究工作亟待开展。基于上述认识，本课题拟在较 为地系统开展轨道交通预应力高性能梁的长期性能试验研究、时随分析和设计 理论研究基础上，提出轨道交通梁长期变形计算的建议公式及设计施工建议； 采用有限元软件对预制预应力混凝土迭合梁的静力性能进行模拟分析，并在现 浇与预制混凝土迭合面接触的模拟方法上进行研究和探索。本课题的研究成果 将为我国准高速客运专线、城市轻轨和磁悬浮线路的长期稳定和安全运营提供 技术依据。 1 3 本文的主要研究工作 在系统收集和分析国内外有关混凝土收缩徐变和预应力筋松弛等方面的研 究成果的基础上，较为系统地开展轨道交通预应力混凝土梁长期性能试验。采 用已有时随有限元程序，对准高速客运专线、城市轻轨和磁悬浮等具有不同系 统形式和荷载特性的轨道梁开展时随有限元全过程分析。在试验研究和有限元 时随全过程参数分析的基础上，提出轨道交通梁长期变形预测模型及设计建议。 此外，对单调荷载作用下预制预应力混凝土轨道迭合梁的受力性能进行了有限 元模拟分析。 ( 1 ) 试验研究 在系统收集和分析国内外有关轨道交通预应力混凝土梁混凝土收缩徐变和 预应力筋松弛性能控制参数方面的研究成果的基础上，针对准高速客运专线和 城市轻轨等具有不同系统形式和荷载特性的轨道梁，以平均应力水平、截面上 下缘应力差、混凝土种类( 普通混凝土和高性能混凝土) 以及预应力筋的张拉方式 ( 1 次张拉和2 次张拉) 等作为基本参数，开展长期性能试验，研究混凝土收缩徐 变和预应力筋松弛对长期性能的影响。 ( 2 ) 时随有限元全过程分析 应用课题组已有时随有限元程序，对轨道交通预应力混凝土梁的长期性能 进行了参数分析，研究各关键参数的影响程度和长期性能的发展规律。该程序 5 第1 章绪论 考虑了时间、材料非线性、几何非线性、截面应力水平、上下缘应力差及预应 力筋松弛等因素的影响。 ( 3 ) 长期变形计算理论研究 根据参数分析结果进行曲线拟合和参数回归，提出轨道交通预应力高性能 混凝土梁长期变形的简化设计建议。 ( 4 ) 预制预应力混凝土轨道迭合梁有限元分析 对已有混凝土迭合梁有限元分析方法进行总结，对现浇与预制混凝土迭合 面接触问题进行了研究和探索，并在此基础上，实现了预制预应力混凝土轨道 迭合梁静力性能的有限元分析。 参考文献 【1 】王建平城市轨道交通的展望 j 】西铁科技2 0 0 2 ( 2 ) ：3 - 5 2 】朱卫国城市轨道交通综述【j 】城市车辆2 0 0 1 ( 3 ) ：3 7 - 4 0 3 】张庆贺，朱合华，庄荣等地铁与轻轨 m 】北京：人民交通出版社，2 0 0 2 ：3 2 0 4 张金平，张奕黄磁悬浮列车的原理及现状【j 】交通科技2 0 0 2 ，1 9 5 ( 6 ) ：8 1 - 8 4 【5 】孙章城市轨道交通百年同眸 j 】科学( 双月刊) 2 0 0 3 ，5 5 ( 1 ) - 6 - 1 0 【6 】刘万明高速铁路主要技术经济问题研究 m 成都：西南交通大学出版社，2 0 0 3 ：1 - 1 7 7 】王其昌高速铁路土木工程【m 】成都：西南交通大学出版社，2 0 0 0 ：5 0 - 7 0 ，3 9 8 - 4 1 9 8 】盛黎明，陈良江秦沈客运专线常用跨度简支梁设计与施s i z j 铁道标准设计2 0 0 0 ( 9 ) ： 4 7 【9 】周胜钢磁悬浮铁路轨道梁初探 j 】铁道勘测与设计2 0 0 4 ( 3 ) ：4 8 - 5 0 1 0 】刘家锋，刘春彦秦沈客运专线桥梁综述及高速铁路桥梁建设的思考【j 】铁道标准设 计2 0 0 4 ( 7 ) ：1 3 4 1 3 8 【1 1 】刘春彦，雷慧锋，陈良江秦沈客运专线桥梁技术特点及高速条件下桥梁建设展望【j 】铁 道标准设计2 0 0 1 ，2 1 ( 9 ) ：1 - - - 3 1 2 】林志雄，周岱上海磁浮列车轨道梁系统简述【j 】中国铁道科学2 0 0 3 ，2 4 ( 1 ) ：1 0 4 - - - 1 0 7 1 3 】张金芝津滨轻轨无碴轨道桥梁徐变变形分析 j 铁道标准设计2 0 0 3 ( 8 ) ：6 l 6 3 1 4 】高应钦，杨孚衡，孙宁，王林津滨轻轨桥梁徐变监测与分析 j 】铁道标准设计2 0 0 3 ( 8 ) ：4 - 8 【1 5 】许恺，孟晓红，凌知民，李翠果上海市轨道交通明珠线桥梁徐变的测试分析 j 】城 市轨道交通研究2 0 0 3 ( 1 ) ：5 1 5 3 6 第2 章轨道交通预应力混凝土梁研究进展 第2 章轨道交通预应力混凝土梁研究进展 2 1 混凝土收缩徐变与预应力筋松弛的研究 2 1 1 混凝土收缩徐变的基本概念 收缩和徐变是混凝土材料本身固有的时变特性，会导致混凝土结构受力与变 形随着时间的变化而变化，对结构的受力性能和长期性能有较大的影响。因此， 混凝土的收缩徐变效应分析是结构设计的重要内容之一。在对混凝土结构的收缩 徐变效应分析时，确定收缩应变和徐变系数是关键问题。收缩徐变效应分析的有 效性取决于混凝土收缩应变和徐变系数预测模型的选取及分析方法的合理运用。 在没有荷载作用下时，混凝土试件会产生随时间发展的缓慢变形，即为混凝 土的收缩变形。 1 、混凝土徐变 当荷载作用在混凝土试件上，试件首先要发生瞬时的弹性变形，在荷载不变 的条件下，随时间的发展，变形将进一步缓慢地增加，这种现象即为混凝土徐变。 混凝土的徐变一般采用徐变系数、徐变度和徐变函数来表示。 徐变系数是指加载时刻为f 的混凝土，到计算时刻t 时所发生的徐变变形与 瞬时弹性变形的比值，通常表示如下： 咖) = 箍凳 ( 2 1 ) 徐变变形可以为应变、位移和转角等，一般采用应变来表示，则徐变系数可 以表示为： 咖) = 掣 ( 2 2 ) 式中，乞( f ，f ) 为f 时刻加载至t 时刻所发生的徐变应变；乞( f ) 为f 时刻发生的 弹性应变。 由于弹性应变的取值不同，徐变系数可以采用以下两种的定义方式。 ( 1 ) 第一种定义方式 咖) 2 耥 亿3 ) 式中，q ( f ) 为加载时刻f 的应力；e ( 2 8 ) 为混凝土2 8 d 的弹性模量。 7 第2 章轨道交通预应力混凝土梁研究进展 这种定义方式中的弹性变形为同一初始荷载作用于2 8 d 龄期混凝土的弹性 应变，国际上目前主要有c e b f i p1 9 9 0 模型【1 3 和g l 2 0 0 0 模型【2 1 等采用该种定义。 ( 2 ) 第二种定义方式 咖) = 揣 ( 2 4 ) 式中，巨( f ) 为初始加载时刻r 时的混凝土弹性模量。 此处的弹性变形为加载时刻f 的混凝土弹性变形。采用这种定义方式的有 a c i2 0 9 9 2 模型【3 1 和b 3 模型【4 5 1 等。 徐变度这个概念常用于水工混凝土结构，是指加载时刻f 时在单位应力作用 下至计算时刻t 时所产生的混凝土徐变应变，常用c ( t ，f 1 表示。徐变度的数学形 式常为指数型，可以在结构徐变分析中进行递推计算。根据徐变系数和徐变度的 定义，可知两者的关系为： 伊( f ，f ) = c ( t ，f ) e ( f ) ( 2 5 ) 式中，e ( f ) 为时刻f 时的混凝土弹性模量。根据徐变系数定义方式的不同，可 知f = 2 8 d 更窀f = f 。 徐变函数是指在f 时刻加载的单位应力作用下产生的瞬时弹性应变与至计 算时刻t 时所严：竺的混凝土徐变应变之和，常用符号j ( t ，f 1 表示： 巾，f ) 2 南+ c ( 柚) ( 2 石) 2 、混凝土收缩 在没有荷载作用下时，混凝土试件会产生随时间发展的缓慢变形，即为混凝 土的收缩变形。 混凝土的收缩应变常用下式表达： 岛( t ) = 玩( f ) 气( ) ( 2 7 ) 式中，气( f ) 为混凝土龄期为t 时的收缩应变，气( o o ) 为混凝土收缩应变终值， 玩( f ) 为收缩随时间变化的函数。 2 1 2 混凝土收缩徐变预测模型 从1 9 世纪第一次观测到混凝土的收缩现象和h a t t 在1 9 0 7 年首次发现混凝 土的徐变现象6 1 至今，国内外众多专家学者对混凝土收缩徐变课题开展了长期的 基础研耕7 邯】。国外关于混凝土收缩徐变的基础研究起步较早，不断提出和更新 混凝土收缩和徐变的各种预测模型。我国在公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥 8 第2 章轨道交通预应力混凝土梁研究进展 涵设计规范( j t cd 6 2 2 0 0 4 ) t 2 2 】中采用的混凝土收缩徐变预测模型，即c e b f i p 1 9 9 0 模型【l 】，已在c e b f i p 模式规范中将c e b f i p ( 1 9 7 8 ) 模型取代。美国混凝土 学会( a c i ) 的a c i2 0 9 8 2 模型已被a c i2 0 9 9 2 模型【3 】所取代。此外，b a z a n t 教授 等与国际材料与结构研究实验室联合会( r i l e m ) - - 道联合提出了最新的b 3 模型 【 】。2 0 0 1 年，基于对g z 模型的改进工作，a c i 的g a r d n e r 和l o e k m a n 提出了 形式上更为简单、计算精度更高的g l 2 0 0 0 模型【2 】。与此形成鲜明对比的是，我 国关于混凝土收缩徐变的试验研究起步较晚，在1 9 8 2 1 9 8 6 年曾经进行了系统的 试验研究，并提出了普通混凝土和轻骨料混凝土收缩徐变预测的建科院( 1 9 8 6 ) 模 型【18 1 。 1 、 混凝土收缩徐变预测模型建立准则 混凝土收缩徐变预测模型必须体现出混凝土收缩徐变发展的规律。首先，模 型公式必须反映出收缩徐变机理，包括主要因素的影响和组成；其次，必须体现 出混凝土收缩徐变的时随规律和发展趋势。 对混凝土收缩徐变机理的反映 众所周知，混凝土的收缩徐变机理十分复杂，建立完整的徐变预测模型，需 要考虑的影响因素包括：水泥种类、骨料类型、水灰比、构件尺寸、构件配筋率、 环境相对湿度、温度、养护方法、加载龄期和计算龄期等；而对于收缩预测模型， 则有：水泥种类、骨料类型、水灰比、构件尺寸、构件配筋率、环境相对湿度、 温度和养护方法等。在实际的建立混凝土收缩和徐变预测模型工作中，更多的是 从影响混凝土收缩徐变的因素出发，筛选出主要的影响参数，基于大量的试验数 据进行回归和拟合，建立模型公式。 对混凝土收缩徐变的时随规律和发展趋势的体现 混凝土徐变随加载龄期的增长而单调地衰减，又随着加载持续时间的增加而 单调地增加，但增加的速度随时间的增加而递减。用数学方式表达，即为当加载 龄期及其它参数确定时，徐变系数对计算龄期的一次偏导不小于零，且对计算龄 期的二次偏导不大于零；当计算龄期及其它参数确定时，徐变系数对加载龄期的 一次偏导不大于零。 在其他条件确定的情况下，混凝土收缩应变随着计算龄期的增加而增大，即 收缩应变对计算龄期的一次偏导不小于零。 基于上述考虑，并结合1 9 9 5 年r i l e m1 0 7 技术委员会提出的建模准则【l 9 1 ， a c i2 0 9 委员会与1 9 9 9 年1 1 月提出了混凝土收缩徐变预测模型评价准则【2 j ： ( 1 ) 干燥收缩和干燥徐变应该是有界限的； ( 2 ) 收缩和徐变方程应该包含时间和尺寸变量； ( 3 ) 模型应该与试验数据库中的试验数据进行对比； 9 第2 章轨道交通预应力混凝土梁研究进展 ( 4 ) 收缩和徐变方程应易用，且对参数改变不敏感，即方程中任意一个参数 的微小改变不能使得计算结果发生显著变化； ( 5 ) 收缩和徐变曲线形状应分别符合各自的试验结果； ( 6 ) 徐变值应该与徐变度而非徐变系数进行对比，且瞬时应变与极限应力之 比及其倒数、弹性模量等都与加载速度相关这个规律应该在模型公式得到体现； ( 7 ) 收缩和徐变表达式应该适用于掺加了粉煤灰、矿渣、硅粉和化学外加剂 的混凝土； ( 8 ) 完全卸载和恢复时，徐变应变应不小于零，且应该趋近于常数； ( 9 ) 常应力下的应力松弛或应力降低值不应小于零。 2 、a c i2 0 9 r 9 2 模型【3 】 a c i2 0 9 r 9 2 模型是美国混凝土协会推荐使用的混凝土变形计算模型，它是 对a c i2 0 9 r 8 2 模型进行改进而得到的。该模型目前已经为美国大部分建筑规范 所采用，同时加拿大，新西兰，澳大利亚和部分拉丁美洲国家的规范也参照了此 模型。 新模型公式中徐变系数计算继续采用a c i2 0 9 r - 8 2 模型中的极限徐变系数 与时间函数乘积的形式。极限徐变系数取为2 3 5 ，时间函数采用双曲一幂函数形 式，而影响因素诸如相对湿度、养护方式、构件尺寸和加载龄期等在计算徐变系 数修正系数时计入。 a c i2 0 9 r 9 2 模型对收缩的计算比a c i2 0 9 r 一8 2 模型有所改进，时间函数继 续采用简单的双曲形式，但是同时考虑了混凝土的干燥龄期，明确采用干燥开始 的持续时间取代以前的计算龄期。此外，在收缩应变修正系数计算时对混凝土重 度这个影响参数不再考虑。 下面给出该模型的详细数学表达式。 ( 1 ) 徐变 混凝土抗压强度随时间发展计算式： z ( f ) 2 赤z ( 2 8 ) ( 2 8 ) 式中：口为混凝土中空气含量，；为常数，d ；t 为计算龄期，d ；z ( 2 8 ) 为 混凝土2 8 d 抗压强度，p s i 。 混凝土弹性模量随时间发展计算式： e o , = 3 3 w 3 f 。( f ) - ( 2 9 ) 式中：w 为混凝土密度，l b r 。 f 时的混凝土徐变应变： l o 一 第2 章轨道交通预应力混凝土梁研究进展 二二二= _ 二二二二：= ：= h 。1 0 + t o 6 v ” 式中：屹为混凝土极限徐变应变。 徐变应变计算公式修正系数： 1 ) 加载龄期修正系数： = 1 2 5 ( t t , ) 砘1 1 8 ，当混凝土为湿气养护， 纥= 1 2 5 ( 乞) m0 9 4 ，当混凝土为蒸汽养护， 式中：乞为混凝土加载龄期，d ； 2 ) 相对湿度修正系数： h = 1 2 7 0 6 7 h ，此处相对湿度日4 0 ： 3 ) 构件体表比修正系数： = 2 3 1 1 + 1 1 3 e x p ( - 0 5 4 v s ) 】 式中：矿为构件体积，i n 3 ；s 为构件表面积，o ： 4 ) 塌落度修正系数： 以= 0 8 2 4 - 0 0 6 7 s 式中：s 为混凝土塌落度，i n ； 5 ) 细骨料含量修正系数： 儿= o 8 8 + o 0 0 2 4 y 式中：y 为细骨料占骨料总重量的比值。 ( 2 ) 收缩 t 时的混凝土收缩应变： ( 气) ，2 瑟毫( ) 。，当混凝土为湿气养护7 d ； ( ) ，2 秀! 音( ) 。，当混凝土为蒸汽养护1 - 3 d ； 徐变应变计算公式修正系数： 1 ) 相对湿度修正系数： 肠= 1 4 一日，此处相对湿度4 0 h 8 0 ， 。3 3 日，此处相对湿度8 0 h 1 0 0 ： 2 ) 构件体表比修正系数： = 1 2 e x p ( - 0 1 2 v s ) 式中：矿为构件体积，i n 3 ；s 为构件表面积，砰： 1 1 ( 2 1 0 ) ( 2 1 l a ) ( 2 1 l b ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 a ) ( 2 1 8 b ) ( 2 1 9 ) 第2 章轨道交通预应力混凝土梁研究进展 3 ) 塌落度修正系数： 以= 0 8 9 + 0 0 4 1 s ( 2 2 0 ) 式中：j 为混凝土塌落度，i n ； 4 ) 细骨料含量修正系数： 九= o 3 + o 0 1 4 f ，当沙 5 0 ( 2 2 1 b ) 式中：沙为细骨料占骨料总重量的比值。 5 ) 混凝土含量修正系数： 儿= 0 7 5 + 0 0 0 0 3 6 c ( 2 2 2 ) 式中：c 为混凝土含量，l b y d 3 。 3 、b 3 模型 4 - 5 】 在1 9 7 8 年，b a 乡a n t 教授等指出，国际标准及规范中关于收缩和徐变的条款 只是以狭小的范围的试验数据为依据，并且对于影响因素考虑不周，对现有的大 量的试验数据拟合得不理想，更加无法适用于7 天内和一年以上的徐变预测。因 此，b a 乡a n t 教授等人收集了全世界各国大量的收缩徐变