大跨轨道钢-混凝土混合连续刚构桥关键技术

第1章 绪论1

1.1 研究背景及意义1

1.2 连续刚构桥关键问题研究概况5

1.3 大跨轨道连续刚构桥主要研究内容13

参考文献17

第2章 钢-混凝土混合连续刚构桥合理体系研究21

2.1 钢-混凝土结合段的构造形式与特点21

2.2 钢-混凝土混合梁的理论计算方法26

2.3 钢-混凝土混合梁连接件基本力学性能30

2.4 钢-混凝土混合梁的关键控制要点34

2.5 本章小结35

参考文献35

第3章 钢-混凝土结合段局部模型力学行为研究37

3.1 局部有限元模型建立37

3.2 钢-混凝土结合段应力分析41

3.3 钢-混凝土结合段应力分布效果分析49

3.4 钢-混凝土结合段内力分析53

3.5 本章小结56

参考文献57

第4章 主梁钢-混凝土结合段模型试验研究58

4.1 钢-混凝土结合段试验模型设计58

4.2 钢-混凝土结合段试验测试方案62

4.3 钢-混凝土结合段有限元模型69

4.4 0.4Pu静力循环加载试验结果分析74

4.5 0.6Pu静力循环加载试验结果分析82

4.6 本章小结91

参考文献91

第5章 UHPC预应力锚固齿块机理与试验研究92

5.1 预应力混凝土连续刚构桥锚下裂缝成因分析92

5.2 预应力锚固区具体构造与受力特征95

5.3 UHPC材料性能介绍97

5.4 UHPC预应力锚固齿块受力性能试验研究101

5.5 UHPC预应力锚固齿块有限元数值仿真分析123

5.6 本章小结129

参考文献130

第6章 基于表面辐射的桥梁结构控温机理与试验研究132

6.1 温度变形裂缝成因分析132

6.2 混凝土箱梁温度场理论分析133

6.3 隔热材料分类及相关影响因素分析138

6.4 基于表面辐射控温涂料原材料优选149

6.5 反射层模拟降温效果研究158

6.6 结构控温仿真与实桥验证167

6.7 本章小结174

参考文献174

第7章 混凝土收缩徐变对大跨轨道连续刚构桥线形控制的影响研究176

7.1 混凝土收缩徐变机理及影响因素176

7.2 混凝土收缩徐变预测模型及计算方法185

7.3 混凝土收缩徐变效应对轨道桥梁线形影响分析199

7.4 本章小结211

参考文献211

第8章 列车-轨道-桥梁耦合效应对大跨轨道连续刚构桥线形影响研究214

8.1 列车-轨道-桥梁耦合模型214

8.2 车桥耦合振动效应试验研究和数值分析230

8.3 桥梁线形对列车-轨道-桥梁耦合效应的影响分析238

8.4 本章小结242

参考文献243

第9章 基于混凝土收缩徐变和车桥耦合效应的轨道桥梁线形控制方法研究244

9.1 线形控制方法研究244

9.2 基于混凝土收缩徐变和车桥耦合效应的线形控制方法262

9.3 本章小结266

参考文献266

第10章 依托工程实施268

10.1 工程概况268

10.2 技术标准268

10.3 桥梁设计271

10.4 建设历程271

第11章 结论与展望277

11.1 结论277

11.2 展望278

第1章 绪论

 1.1 研究背景及意义

 随着我国社会经济的快速发展和城市化进程的不断增速，迅速推进的城市化以及大城市人口的急剧膨胀使得城市交通需求与交通供给的矛盾日益突出。一旦城市交通基础设施建设跟不上迅速增长的需求，将引发一系列的矛盾。城市轨道交通具有运量大、耗能低、速度快等诸多优点，是解决城市交通拥堵、缓解地面交通压力的关键手段。目前，我国轨道交通运营规模居世界**，未来我国轨道交通的发展方向主要是加强轨道交通的管理和经营，提高服务质量，另外还将重视关键装备和技术的自主研发，助推我国由“轨道大国”向“轨道强国”迈进。重庆基于国家轨道交通发展战略提出要将重庆主城建设成为“轨道上的都市圈”，通过铁路、轨道交通相互融合，打造以中心城区为核心的“1小时通勤圈”。由于重庆作为山地城市受限于地形地貌，在城市轨道交通的建设中需要桥梁的加入，连续刚构桥因其刚度大、施工技术成熟等优点成为轨道交通建设的理想桥型，而大跨轨道连续刚构桥由于跨度长、活载大等因素，在桥梁的设计、施工运营等阶段存在一些问题，将会影响到轨道交通的正常运营。因此，针对大跨轨道连续刚构桥开展关键技术研究具有重要意义。

 城市轨道交通的建设不但能够有效缓解地面交通拥堵、确保居民正常出行，而且能够带动相关产业的发展，促进轨道沿线土地开发，推动经济社会发展，具有良好的经济效益和社会效益。截至2023年10月，31个省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团开通运营城市轨道交通线路299条，运营里程9862公里，如表1-1所示。

 表1-1 2023年10月城市轨道交通线路及里程数据

 注：(1)本表按城市运营里程由大到小排序。运营线路条数中上海地铁11号线(昆山段)、广佛线和广州地铁7号线(佛山段)、宁句线(句容段)、苏州地铁11号线(昆山段)、西安地铁1号线(咸阳段)不重复计算。

 (2)本表含北京、广州、成都、武汉、深圳、南京、青岛、苏州、沈阳、佛山、黄石、淮安、嘉兴、文山、红河、天水、三亚等城市有轨电车线路，不含大连201路和202路、长春54路和55路等与社会车辆完全混行的传统电车。

 (3)珠海有轨电车1号线自2021年1月22日起暂停运营，以及海宁杭海线，未列入本表。

 随着重庆经济的快速发展，重庆城市轨道交通路线网络将会大量修建和完善，规划的城市轨道运营里程达到近2000公里的规模(含远景规划、在建、已建、运营的轨道桥梁多达23座)，轨道桥梁工程也将蓬勃发展，建设数量和规模居国内**。然而，由于重庆“三山两江”的特殊地貌，轨道交通的发展受到轨道沿线的特大跨、大跨桥梁制约，只有解决好轨道交通建设中的轨道桥梁问题，才能有力推进城市轨道网络的建设。轨道连续刚构桥结构刚度大、后期维护费用低、造型优美、景观匹配性强，具有安全、经济、实用、美观等优点，特别适合重庆“两江”100～300m的河床自然宽度，是重庆地区跨越“两江”轨道交通的理想桥型。

 连续刚构桥在国内外的快速发展和应用已取得良好的经济效益和社会效益，但是这种桥型在使用过程中的主梁跨中持续下挠问题和箱梁裂缝问题也逐渐凸显出来。随着连续刚构桥梁服役期间材料与结构自然老化、交通量不断增大、超重(或超限)车辆造成的不可恢复损伤，预应力混凝土连续刚构桥出现了不同程度的病害，将严重影响桥梁的正常工作状态，桥梁结构的安全受到严重威胁，特别是早期建造的一些桥梁，由于当时的技术条件落后，没有相应的长期健康监测系统，桥梁出现严重的病害，甚至出现突发性的垮塌事件。轨道交通由于活载较大，对结构线形要求更高，桥梁结构线形是否合理将直接影响城市轨道交通的正常运营，甚至发生严重的安全事故。因此，考虑车-桥耦合的轨道连续刚构桥合理线形问题也亟待研究和完善。

 综上所述，城市轨道连续刚构桥的设计、施工和运维管理尚存在如下技术难题亟待解决：

 (1)大跨连续刚构桥下挠问题严重。从目前的发展形势来看，桥梁跨中下挠情形长期得不到解决，如广东南海金沙大桥建成通车六年后检查跨中下挠22cm左右，主跨箱梁腹板出现大量的斜裂缝[1]；虎门大桥辅航道桥在常规检查时发现左幅桥下挠22.2cm，腹板出现了斜裂缝，跨中区段截面下缘出现了横向裂缝；黄石长江大桥在建成的7年时间内，其中一跨跨中下挠累计达到30.5cm，箱梁出现大量裂缝[1]。跨中下挠与主梁开裂同时出现且相互促进，形成恶性循环，严重影响了连续刚构桥的承载力与正常使用，成为桥梁安全的严重威胁。引起长期下挠问题的因素众多(混凝土徐变预测不准确、主梁开裂导致刚度降低等)，包括设计、施工、运营养护等方面；而多种因素、分析方法相互掺杂、相互影响，如何准确解决跨中下挠问题成为目前研究的焦点，其中混凝土徐变和施工控制对跨中下挠的影响较为显著。因此，针对连续刚构桥钢-混凝土混合结构体系，研究其构造形式以及混凝土徐变效应对主梁挠度的影响，提出解决跨中下挠问题的关键技术，就显得非常有价值。

 (2)大跨连续刚构桥主梁开裂问题严重。大量工程实践表明，众多连续刚构桥运营一段时间后出现了相当多的裂缝，如三门峡黄河公路大桥箱梁腹板出现较多斜裂缝[2]；黄石长江公路大桥在1996～1997年长达一年观测发现，箱内裂缝119条，箱外裂缝78条[3]；广州华南大桥在常规检测时发现其腹板均出现竖向裂缝和斜裂缝[4]。经过归纳总结，发现裂缝以不同的形式分布于连续刚构桥箱梁顶板、底板、腹板、横隔板、齿块以及桥梁墩台等部位，对桥梁结构的耐久性与安全性产生不利影响，严重时甚至产生钢筋拉断、桥梁结构坍塌等恶性后果，引起灾难性事故的发生。根据现有运营连续刚构桥的调查研究，其主要的病害就是梁体不同部位出现不同程度的裂缝和挠度下降过大。究其受力机理，发现裂缝的存在使得梁体刚度下降，进而导致主梁跨中挠度下降，故裂缝是影响桥梁运营的罪魁祸*。带有裂缝的混凝土连续刚构桥在汽车荷载作用与环境联合作用下，随着时间不断增长，裂缝逐渐扩展，裂缝的继续发展又会导致材料强度削弱、结构刚度进一步下降的恶性循环，桥梁结构就处于日趋危险的状态，即使桥梁结构上出现一些不会威胁结构安全的轻微裂缝，也会影响结构耐久性。因此，需要对连续刚构桥裂缝成因进行研究并提出相应的裂缝预防改进措施。

 (3)大跨轨道连续刚构桥合理线形控制技术不够成熟。轨道交通由于活载较大，对结构线形要求更高，以轻型轨道交通为主要荷载的大跨轨道桥梁结构刚度比公路桥梁要小，因此在同样的荷载作用下，桥梁的变形将更大。轻型轨道交通荷载比一般公路桥梁荷载的动力效应更明显，这使得车-桥耦合方面的考虑居于更为重要的地位。此外，施工过程中的线形控制极为复杂，对结构参数、材料收缩徐变、温度变化等影响因素的变化非常敏感，线形控制技术难度极大。尤其对于轨道桥梁，其对成桥线形的要求极为严格，桥梁出现很小的挠度和振幅都会直接影响桥上轨道的平顺性，桥梁结构产生的附加动力冲击作用将直接影响行车的安全性和舒适性。并且在施工过程中，每个节段很小的误差经过积累，可能会导致返工甚至很大的合龙误差，严重影响桥梁的正常使用性、安全性、耐久性。基于行车舒适性、安全性的角度出发，对线形控制提出更高要求，需要进行考虑车-桥耦合效应的大跨轨道连续刚构桥合理线形控制关键技术研究。

 大跨轨道连续刚构桥所存在的主梁下挠问题、主梁开裂问题和线形控制问题均严重影响轨道交通的安全运营。结合实际工程，考虑大跨轨道连续刚构桥的结构特点，从设计、施工、运营等角度开展相关技术难题的科学研究，攻克大跨轨道连续刚构桥建设的关键技术问题，建立大跨轨道连续刚构桥设计、施工的全过程示范，保障轨道交通的安全运营，为大跨轨道连续刚构桥的研究与发展积累经验，也为同类型桥梁的建设提供参考和借鉴，将有力推动轨道交通的快速、高质量发展，具有重大的技术效益、经济效益和社会效益。

 1.2 连续刚构桥关键问题研究概况

 1.2.1 大跨连续刚构桥下挠问题研究概况

 许多大跨连续刚构桥在运营期的下挠值往往比设计值要大，使桥面纵坡变化，影响行车舒适性甚至行车安全性。可以说，跨中下挠严重影响了连续刚构桥的日常使用。大跨连续刚构桥的长期下挠问题具有普遍性，而且对桥梁健康运行具有严重威胁，所以跨中长期下挠是连续刚构桥的主要病害之一。

 随着经济社会的发展和桥梁结构理论的不断深化，连续刚构桥在国内外已获得跨越式发展，由于桥跨的不断增大，设计、施工、管理养护以及运营期间超载、超限和使用年限的增加，桥梁的损伤病害不断增多，连续刚构桥跨中产生持续下挠的现象也不断显现，影响大跨预应力连续刚构桥的因素错综复杂，各种原因相互牵连，一般包括施工、设计分析、用料、预防措施等一连串环节，因而研究大跨连续刚构桥下挠成因仍然是重中之重的课题。

 王法武等[5]采用恒载零弯矩方法理论对原桥梁主梁结构预应力钢束进行了优化配置，然后与原桥梁主梁结构的配置进行了比较研究，提出了在成桥之前从设计、施工方面来预防跨中过量下挠的问题。巴力等[6]总结了桥梁结构裂缝、混凝土收缩徐变、预应力损失对桥梁下挠的影响，分析了引起桥梁开裂、混凝土徐变、预应力钢束有效预应力降低的施工、摩阻系数等影响因素。李运喜等[7]从混凝土收缩徐变特性、桥梁施工(中跨合龙施加配重、合龙段的合龙顺序)、三跨连续梁中边跨长度之比等方面分析了对主梁下挠的影响，并运用有限元理论及方法对预应力损失、变形时效建立相关模型来分析。刘超等[8]采用空间梁格法与7自由度空间法相结合的计算模型计算出在偏心活荷载条件下剪应力放大系数，总结了剪力滞效应、主梁底板裂缝对下挠的影响。另外，王敏等[9]采用遗传算法识别预应力相关参数，詹建辉等[10]总结了有效预应力、截面刚度、恒载对下挠的影响，并说明了主梁开裂、刚度、预应力之间存在的耦合作用。Bittnar等[11]提出可从预应力钢束优化配置方面降低桥梁长期下挠的影响。张西丁等[12]分别分析了体内预应力钢束、体外索对长期下挠的影响。K?ístek等[13]分别从考虑剪切变形、钢束布置方面讨论了长期下挠的影响。

 1.2.2 大跨连续刚构桥主梁防开裂研究概况

 预应力混凝土连续刚构桥开裂的现象十分普遍，桥梁在施工阶段和运营阶段都有裂缝出现，国内外已有大量学者对连续刚构桥裂缝的成因、机理等进行了研究。

 1. 连续刚构桥裂缝成因研究

 引起大跨连续刚构桥建设期裂缝产生的因素有很多，桥位环境的气候特点、预应力筋的预应力损失、混凝土强度不足和施工人员施工不当等因素都有可能导致裂缝的产生。研究连续刚构桥建设和运营期裂缝的成因及各因素在裂缝产生过程中起到的作用是提出相应可行的改进措施的前提，将为连续刚构桥设计和施工提供技术支撑，避免桥梁结构由于主梁裂缝的影响发生灾难性破坏事故。

……

本书开展了特大跨轨道连续刚构桥建设关键技术研究，探讨了钢-混凝土结合段在静力荷载作用下的应力分布规律和传力机理影响因素，并针对轨道连续刚构桥主梁防开裂问题，进行了桥用超高性能混凝土(UHPC)材料研究和混凝土箱体结构自调温控制技术研究；重点探讨了收缩徐变效应和车桥耦合效应对预拱度设置的影响，并给出了预拱度计算的理论解析式；利用状态转移矩阵将预拱度影响因素考虑到卡尔曼滤波线形控制方法中，得到了基于混凝土收缩徐变和车桥耦合效应的轨道连续刚构桥合理线形控制方法，可为今后轨道桥梁合理线形控制的应用、分析和验证奠定基础。