工程科技 ・２１７・ 客运专线预制箱梁梁体徐变观测与计算 王光全 （中铁二十局集团第四工程有限公司，山东青岛２６６１００） 摘要：随着客运专线建设的飞速发展，高时速运行列车，对线路平顺性要求极其严格。桥梁形式在线路设计中所占比重较大，因此， 做好梁体徐变监测工作显得至关重要。结合哈齐客运专线梁体徐变观测工作的进行情况，通过分析梁体徐变的影响因素，阐述其观测方 法和计算过程。 关键词：徐变；变形观测；桥梁；客运专线 客运专线以其运量大、效能高的优势广受人们的青睐。近年 来，客运专线的建设更进入了一个兴盛的时期，先后有秦沈、京 津、沪宁等近２０条客运专线开通运营。目前，仍有多条线路正在 建设当中。桥梁以其在生态环境、工程造价、维护保养等方面的 优势，在客运专线中被广泛采用。由此，箱梁梁体徐变观测受到 了越来越多的关注。 １徐变产生的原因及影响因素 徐变，是在持续荷载的作用下，混凝土变形随着时间的增长 、 大里程方向 而增加的现象。对于后张法预应力混凝土简支箱梁来说，为了满 足在使用阶段全部荷载的作用下，梁体截面下缘不出现拉应力 的条件，在预应力筋的作用下，梁体混凝土的收缩徐变而产生的 梁体上拱现象。根据国内外施工经验，无砟轨道桥梁梁体徐变变 形需控制在Ｌ／５０００范围内（Ｌ为梁跨）。 影响梁体徐变主要有设计和施工两面因素。 设计方面主要是桥梁的恒、活载设计弯矩之比及恒载作用 下桥梁截面的应力分布情况。长期受压的混凝土徐变变形与其 应力大小有直接关系。一般认为，当应力在０．４Ｒ（Ｒ为棱柱体抗 压强度）以内时，徐变变形随应力增大呈线性发展；超过０．４Ｒ 时，便产生非线性徐变，会导致变形及上拱迅速增大（欧洲 ＣＥＢ—ＦＩＰ混凝土结构设计２．１．６．４．３条）。从理论上讲，预应力筋 对梁体截面产生的预应力效应包括轴力和弯矩两部分，当预应 力弯矩与恒载产生的截面弯矩充分接近时，梁体截面将长期处 于均匀受压状态，梁体的徐变上拱很小，甚至接近于零。这种理 想状态对全预应力梁而言，只有当主梁截面的恒、活载设计弯矩 比符合以下条件时才能实现，即： Ｍ ／Ｍ 一Ａ ｅ／Ｗ Ｔ 图１ ３２ｍ、２４ｍ预应力简支箱梁观测标布置 图２ ３２ｍ、２４ｍ预应力简支箱梁连体徐变路线图 Ｃ 式中Ｍ ——挢梁自重及二期恒载产生的截面弯矩； Ｍ ——桥梁设计活载产生的截面弯矩； Ａ——截面面积； ｅ——截面的预应力偏心距； ｗ ——截面的下缘弯曲抵抗矩。 施工方面主要受混凝土水灰比、水泥标号、水泥用量、骨料 持续到无砟轨道铺设完成，在此期间箱梁位置不会一直不变，因 的力学特性等因素影响。在满足技术条件的要求的前提下，尽量 此，取２，３，４，５，６各点相对于１号的高程来计算，可以保持梁体 延长梁体张拉完毕至无砟轨道铺设的时间间隔，也是控制徐变 徐变观测的连续性。 的一种措施。 ３梁体徐变计算 ２梁体徐变观测 不难理解，如果假设梁面绝对水平，且各支点沉降均匀稳定， ２．１观测标的布置 那么１，３两点间的高差ｌ ，即为梁体徐变值。诚然，真实情况下不 哈齐客专应用最多的是３２ｍ、２４ｍ双线预应力简支箱梁。梁 会出现这样的情形。所以要充分考虑各种不均匀沉降对徐变量 体徐变每３０榀左右箱梁选择１榀进行观测，每榀被观测箱梁布 的影响，同时考虑到通过水准观测所得原始值为相对高程值，计 设６个测点，分别布设在大小里程方向支点和跨中截面位置。具 算需从相对高程值着手。首先假设，只存在梁体两端的沉降差 体布设如图１所示。 异，梁体徐变均匀，其他沉降变形也均匀，即１，２，５，６点在一个平 观测标布置过程中应注意仔细阅读设计图纸，避免观测标 面上，３，４两点所在的直线平行于此平面，且１，２两点高程相同， ６两点高程相同。此时，计算可简化到１，３，５点所在的平面上， 的位置与防护墙、轨道板底座等桥面附属结构位置冲突，并应妥 ５，善保护观测标，避免中途破坏，引起观测中断。 不妨再假设５点沉降量大于１点，反之亦可，不影响计算结果。 ２．２观测方法 如图３所示，１点高程为Ｈ。，通过观测，平差计算出３，５定高程 梁体徐变采用国家二等水准路线的观测方法进行往返观 分别为 ，Ｈ 。由此可得出所求的徐变量即为３点到Ａ点的距 …Ｒｔ△１ Ｃ５相似于Ｒｔ△３ ＡＢ，由此可以得到： 测。图２中，１，２，４，３四个观测标为第一闭合环，３，４，６，５四个标组 离ｌｈ３Ｂ＝ｌ ・ＣＯＳ ０【 成第二闭合环。平差计算过程中，取１号观测标的高程Ｈ 作为 （１） 假定基准高程，可由平差计算得到２，３，４，５，６号观测标的相对高 程为Ｈ ，｝｛３，Ｈ ，Ｈ ， 。梁体徐变观测从箱梁预制完成开始，一直 Ｒｔ△１ Ｃ５中ｈ 即为梁体两端的沉降差异，通过查阅《高速 ・２１８・ 工程科技 铁路工程测量规范》可以得到，此值应≤５ｍｍ。ｌ。 为梁体长度，此 处取短梁梁长为２４ｍ。 所以有： ＳＩＮ ＝ｈ５ｃ／ｌ１５＜Ｏ．００３ 由于１，２，５，６四点位于梁体的四个支点只上，且梁体的不均 匀变形相对于梁体两端的沉降差异来说更小，（９）、（１０）式取平 均可以很好地消除梁体不均匀变形的影响，由此可以得到梁体 （２） 徐变的计算式为： Ｈ徐变＝０．５（１３Ａ＋ｌ４Ａ）＝０．５【Ｈ３＋Ｈ４）一０．２５（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ５＋Ｈ６） （３） （４） （１０） 有（１）、（２）式可以得到： ｈ３Ｂ＞０．９９９９９５ ｌ３Ａ ｌ 和ｈ 的差值 △＝１３Ａ－－ｈ３Ｂ＜０．０００００５１３Ａ 通过（１０）式，我们可以发现，这种取平均值的做法基本消除 了梁体不均匀沉降的影响，可以用来计算梁体真实的徐变量。 结束语 客运专线的建设过程中，梁体作为决定其平顺性的一个重要 根据经验，ｌ弘不大于１０ｍｍ，ｌ 和ｈ 的差值△远小于二等 １ Ｏ Ｏ ０ ０ ０ ０ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ２ ５ ４ ５ ４ ８ ５ ６ ８ ７ ５ ¨强∞舛 甜 Ｍ 船 ∞％以 水准的观测误差，可以认为 方面，越来越受到大家的重视，因此梁体徐变的监测显得越来越 １３Ａ＝ｈ３Ｂ （５） 重要。本文论述的观测方法和计算过程，对梁体徐变观测工作者 理解徐变观测观测过程和计算原理起到一定的作用。 由于Ａ点为１，５连线的中点，由几何关系可以得到： 参考文献 所以： ［１】范立础．桥梁工程（第二板）【Ｍ】．北京：人民交通出版社，１９８７ ｈ３Ｂ＝Ｈ３一ＨＢ＝Ｈ３一ＨＡ （７） 【２】陈善雄等．高速铁路沉降变形观测评估理论与实践【Ｍ］．北京： 由（５）、（６）、（７）式可得： 中国铁道出版社．２０１０． １３Ａ＝Ｈ３—０．５ＨＩ一０．５Ｈ５ （８） ［３】刘建瑞等．无碴轨道预应力混凝土梁设计研究【Ｊ】．铁道标准设 同法可以推导出２，４，６点所在平面上徐变量的计算式为 计，２００１（９）：１０—１２． Ｉｍ＝Ｈｒ０．５Ｈｒ０．５Ｈ６ （９） ＨＡ＝０．５Ｈ ＋０．５Ｈ （６） （上接６１页） 然后利用确定的地形起伏度 的坡度图，栅格图形中每一个点的像素单元值（Ｐｉｘｅｌ Ｖａｌｕｅ）即为该 表３昆明市各县区义务教育发展指数 公式，计算昆明是个县区的 点的坡度值。（４）坡度重分类。运行Ｓｐａｉｌａ Ａｎａｌｙｓｔ／Ｒｅｃｌａｓｓｉｆｙ（重分类） 县区 义务教曹发震指数 地形起伏度，再与整理出的 工具，将坡度按表１进行分类。（５）坡度分类统计。查询重分类后生成的 云南省义务教育区域差距表 栅格图形属性表中的第一类像素个数，和总的像素个数，通过Ｅｘｃｅｌ软 主城区 进行比较，得出结论。 件进行汇总和统计，计算出坡度组成以及平均坡度。最后根地形起伏度 东川区 １．３技术路线。根据所研究 计算公式计算出昆明市各县区的地形起伏指数（见表２）。 呈贡县 的内容和研究方法，根据实 ４结果分析 验的先后顺序，建立起技术 图２左为昆明市坡度分级图，从绿到红代表坡度不断升高，可以看 晋宁县 路线图（见图１）。 出昆明市坡度为北高男低，西北部坡度高于东南部，西部也高于东部， 富民县 ２所基于的ＧＩＳ软件和 对应于图２右的昆明市行政区划图可知整体坡度比较低的地区有昆明 宣良县 技术 市主城区、寻甸县、嵩明县、呈贡县、宜良县和石林县，而安宁市、晋宁县 石林县 ２．１基于的ＧＩＳ软件。 和禄劝县高坡度和低坡度所占比例大体一致，只有富民县和东川区高 ＡｒｃＭａｐｌ０是ＡｒｃＧＩＳ Ｄｅｓｋ— 坡度地区占有大多数比例。 嵩明县 ｔｏｐ三个用户桌面组件之一。 综合表３昆明市各县区义务教育发展指数，可知，昆明市义务教育 禄劝县 ＡｒｃＧＩＳ是美国环境系统研究 发展水平的高低大致和昆明市的坡度分级的高低相关，有比较好的对 寻甸县 所（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｒｅ— 应，所以可以说昆明市的义务教育发展水平受昆明市的坡度影响，坡度 ｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＥＳＲＩ）于 较低的地区义务教育发展指数高，坡度高的地区与坡度低的地区义务 安宁市 １９７８年开发的ＧＩＳ系统。 教育发展水平有所差距。 ＡｒｃＧＩＳ Ｄｅｓｋｔｏｐ由三个用户桌面组件组成，即：ＡｒｃＭａｐ、ＡｒｃＣａｔｌａｏｇ、 ５结论 ＡｒｃＴｏｏｌｂｏｘ。 由实验结果可知，昆明市的义务教育发展与昆明市自身的地形起 ＡｒｃＭａｐ１０是一个可用于数据输入、编辑、查询、分析等等功能的应 伏度有很大的关系，地形起伏度高、地势崎岖明显的地区一般比地形起 地势相对平坦的地区义务教育发展水平落后。不过实验取得了 用程序，具有基于地图的所有功能，实现如地图制图、地图编辑、地图分 伏度小、析等功能。ＡｒｃＭａｐ包含一个复杂的专业制图和编辑系统，它既是一个 和预期类似的效果，证明了猜想，有应用于其他类似研究的科学意义。 面向对象的编辑器，又是—个数据表生成器。 但是本实验存在两方面的不足，有待以后的继续研究： ＡｒｃＭａｐ１０提供两种类型的地图视图：数据视图和布局视图。在数 ５．１本实验只验证了昆明市一个地区的义务教育发展水平与地形起 据视图中，用户可以对地理图层进行符号化显示、分析和编辑ＧＩＳ数据 伏的相关眭，存在偶然性因素，必须继续进行大量实验，以巩固研究结 集。数据视图时任何—个数据集在选定的—个区域内的显示窗口。在布 果。 局视图中，用户可以处理地图的页面，包括地理数据视图和其他数据元 ５－２本实验并没有找到用公式计算的方式来衡量义务教育发展水平 素，比如图例、比例尺、指北针等。 与地形起伏相关陛的方法，实验结果只是简单的数据对比，只是—个地 ２．２利用到的ＧＩＳ技术。利用ＡｒｃＭａｐｌＯ软件的Ｓｐａｔｉ￣Ａｎａｌｙｓｔ（ 区或许可行，但不适用于大范围的应用（一个省或者全国），所以实验还 空间分析模块）功能模块，先对云南省ＤＥＭ进行裁剪，再由Ｓｌｏｐｅ函数 有待继续改进。 提取出坡度，对坡度进行重分类，然后对该数据层的屙『生数据进行统 参考文献 计和分析。 ｆ１１陆玉麒．人文地理空间分析的方体系 ．地理学核心问题与主 ３实验研究 线——中国地理学会２０１１年学术年会暨中国科学院生态与地理 打开ＡｒｃＭａｐｌ０，操作步骤如下：（１）加载云南省ＤＥＭ数据。（２）图 研究所建所五十年庆典论文摘要集． 形裁减，利用ＡｒｃＴｏｏｌｂｏｘ／Ｓｐｍｉｌａ Ａｎａｌｙｓｔ Ｔｏｏｌｓ／Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ／Ｅｘｔｒａｃｔ ［２】刘斯如．城乡义务教育均衡发展探讨『Ｄ１．南昌：江西师范大学， ｂｙ Ｍａｓｋ工具，对栅格图像进行裁剪，依据云南省昆明市的矢量数据 ２００６，９，１．为基础，将昆明市的ＤＥＭ图裁剪出来。（３）提取坡度。运行Ｓｐｍｉｌａ ｆ３调自翔，李晶，任志远．基于ＧＩＳ的关中一天水经济发展区地形起伏度 Ａｎａｌｙｓｔ／Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ（面分析）／Ｓｌｏｐｅ（坡度分析），生成研究区 与人口分布研究ｌＪ１．地理科学，２０１２，３２（８）：９５１—９５７．
