考慮剪力滯系數(shù)的客運(yùn)專線32 m后張梁靜載試驗(yàn)方法研究

劉建學(xué),馬 敏

(中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司,西安 710015)

1 概述

中鐵七局集團(tuán)石武客運(yùn)專線鄭州南梁場(chǎng)施工32 m和24m預(yù)制箱梁2種,截面類型為單箱等高度簡(jiǎn)支箱梁,梁寬12.0 m,計(jì)算跨度31.5 m(23.5 m),截面中心處高度為3.05m,線路中心線及底座板范圍梁高為3.15m。順橋向支座中心線距梁端為55 cm,橫橋向支座中心距為4.5 m。32 m梁總重為8 368 kN,24 m預(yù)制箱梁除長度外橫斷面與32 m梁相同,24 m梁總重為6 486 kN。

靜載試驗(yàn)是將靜止的荷載作用在橋梁上的指定位置,測(cè)試結(jié)構(gòu)的靜力位移、靜力應(yīng)變、裂縫等參量的試驗(yàn)項(xiàng)目,從而推斷橋梁結(jié)構(gòu)在靜載試驗(yàn)作用下的工作性能及使用性能[1～10]。考慮到箱梁在靜載試驗(yàn)等效加載和實(shí)際設(shè)計(jì)荷載加載模式的不同對(duì)箱梁底板下緣應(yīng)力的影響,設(shè)計(jì)圖紙[9]中要求靜載試驗(yàn)加載數(shù)據(jù)計(jì)算要考慮剪力滯系數(shù)影響。梁場(chǎng)正常生產(chǎn)條件下,同類別、同跨度箱梁60件為1批,抽1件做靜載試驗(yàn),施工單位根據(jù)所選試驗(yàn)梁型負(fù)責(zé)靜載試驗(yàn)加載數(shù)據(jù)的計(jì)算,根據(jù)設(shè)計(jì)要求把綜合剪力滯系數(shù)和集中剪力滯系數(shù)代入加載數(shù)據(jù),準(zhǔn)確地計(jì)算出了靜載試驗(yàn)各級(jí)加載數(shù)據(jù)。

2 考慮剪力滯效應(yīng)的靜載試驗(yàn)加載計(jì)算方法介紹

剪力滯系數(shù)有綜合剪力滯系數(shù)(Kq)和集中剪力滯系數(shù)(Kp),由于考慮了剪力滯系數(shù)的影響,靜載試驗(yàn)加載計(jì)算單和以往的計(jì)算有很大的區(qū)別,下面以中鐵七局石武客運(yùn)專線鄭州南梁場(chǎng)32 m靜載試驗(yàn)為例介紹如下。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的要求確定靜載試驗(yàn)方案和控制截面,加載采用10臺(tái)千斤頂同步頂升來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)自平衡式加載反力系統(tǒng),加載反力架如圖1所示。加載時(shí)10臺(tái)千斤頂分為2列,每列5臺(tái),分別作用于箱梁兩側(cè)腹板軸線處。中間的千斤頂位于箱梁跨中,其余的在其兩側(cè)對(duì)稱布置,千斤頂之間的縱向間距為4 m,橫向間距為6.236 m。

圖1 加載反力架圖示

2.1.1 靜載試驗(yàn)臺(tái)

靜載試驗(yàn)臺(tái)座兩端采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ),試驗(yàn)臺(tái)保證試驗(yàn)梁跨度、支承方式、受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)圖且在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持不變。試驗(yàn)臺(tái)不分擔(dān)試驗(yàn)梁所承受的試驗(yàn)荷載,且不阻礙梁體變形自由發(fā)展。

靜載試驗(yàn)臺(tái)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)應(yīng)等于2.0,其加載變形量滿足加載千斤頂最大行程的要求。

2.1.2 加載油泵

在靜力加載的過程采用“一頂對(duì)一泵的原則”,配備10臺(tái)油泵對(duì)應(yīng)10臺(tái)千斤頂,由1名總指揮統(tǒng)一指揮10個(gè)油泵操作手和5個(gè)油表讀數(shù)人,達(dá)到10臺(tái)千斤頂同步頂升,保證10個(gè)加載點(diǎn)同步受力。加載時(shí)節(jié)約了很多時(shí)間,同時(shí)也使得加載數(shù)據(jù)更為精確,加載過程更嚴(yán)密,可以達(dá)到很好的試驗(yàn)效果。加載人員布置如圖2所示。

圖2 加載人員布置

2.1.3 布點(diǎn)位置

與傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)相比,千斤頂縱向間距為4 m,主要不同就是千斤頂橫向間距由跨中向外擴(kuò)大1 cm,橫向加載間距現(xiàn)為6.236 m。

2.2 考慮剪力滯系數(shù)的靜載試驗(yàn)計(jì)算

時(shí)速350 km客運(yùn)專線鐵路無砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁,采用C50高性能混凝土,終張拉時(shí)齡期為19 d,終張拉完成后至靜載試驗(yàn)的時(shí)間25 d;終張時(shí)試件抗壓強(qiáng)度54.8 MPa,彈性模量3.67×104MPa,靜活載設(shè)計(jì)撓度 5.97 mm,f實(shí)測(cè)≤1.05×(f設(shè)計(jì)/ψ),設(shè)計(jì)靜活載撓跨比1/5 278,等效荷載加載撓度修正系數(shù) Ψ=0.998 7,抗裂安全系數(shù)Kf=1.42。

靜載試驗(yàn)加載計(jì)算時(shí),考慮剪力滯系數(shù)的影響,對(duì)梁體自重、二期恒載、活載計(jì)算時(shí)乘以Kq/Kp系數(shù),補(bǔ)償乘以1/Kp系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中得到32 m箱梁剪力滯系數(shù)分別為:綜合剪力滯系數(shù)Kq=1.017 0,集中剪力滯系數(shù)Kp=1.031 9。

靜載試驗(yàn)采用5排加載方式加載,每排間距4 m,每排采用2點(diǎn)加載,加載點(diǎn)橫向距離為6.236 m,沿對(duì)稱梁體中心線布置。等效荷載加載圖示見圖3。

2.2.1 根據(jù)加載圖式計(jì)算等效力臂α值

跨中彎矩

圖3 等效荷載加載圖示(單位:m)

則:M=P×α

式中 R——支點(diǎn)反力,RA=RB=R,kN;

L——計(jì)算跨度,m;

α——等效力臂,m。

2.2.2 計(jì)算未完成的應(yīng)力損失值

η1、η2— —分別為收縮 、徐變與松弛應(yīng)力損失

完成率;

ΔσS——未完成的預(yù)應(yīng)力損失值,MPa。

2.2.3 計(jì)算未完成應(yīng)力損失的補(bǔ)償彎矩ΔMS

式中 Ay——跨中截面預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積,0.035 7 m2;

Ag——跨中截面普通鋼筋截面面積,全預(yù)應(yīng)力梁取Ag=0 m2;

Δ σS——未完成的預(yù)應(yīng)力損失值 ,MPa。

2.2.4 計(jì)算基數(shù)級(jí)荷載跨中彎矩

5.475 ×(13.7+3.74)=95.48 kN?m得出:

其中:g1為加載千斤頂?shù)闹亓?1.37 kN/個(gè),共10個(gè)。

g2為加載千斤頂鋼板墊塊的重力:0.374 kN/塊,共10塊。

2.2.5 計(jì)算基數(shù)級(jí)荷載值

2.2.6 計(jì)算各加載級(jí)下的加載值

計(jì)算靜活載級(jí)下的荷載等級(jí)

利用下式計(jì)算各加載級(jí)跨中彎矩

根據(jù)公式PK=MK/α,計(jì)算各加載等級(jí)下的加載值。

各級(jí)加載時(shí)每個(gè)加載千斤頂?shù)牧?P'i=Pk/10,計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 加載荷載 kN

3 撓度測(cè)點(diǎn)布置和裂縫觀測(cè)

一般情況下,對(duì)撓度測(cè)點(diǎn)的布設(shè)要求能夠測(cè)量結(jié)構(gòu)的豎向撓度、側(cè)向撓度和扭轉(zhuǎn)變形,應(yīng)能給出受檢跨及相鄰跨的撓曲線和最大撓度。每跨一般需布設(shè)3～5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

本梁場(chǎng)的靜載試驗(yàn)撓度觀測(cè)采用6點(diǎn)布測(cè),支座4點(diǎn)和跨中2點(diǎn),采用百分表實(shí)時(shí)觀測(cè),豎向位移采用百分表測(cè)量,其測(cè)量精度為0.01 mm,最小分度值不宜大于被測(cè)撓度總值的1.0%。撓度計(jì)算滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡(jiǎn)支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

測(cè)初始裂紋或受力裂紋,采用直徑不小于50mm、放大倍數(shù)為10倍的普通放大鏡。量測(cè)裂紋寬度必須使用刻度放大鏡,其最小分度值不宜大于0.05 mm,放大倍數(shù)應(yīng)不低于10倍。

4 加載試驗(yàn)程序

加載試驗(yàn)程序滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡(jiǎn)支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

5 靜載試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定方法

依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡(jiǎn)支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(TB/T2092—2003)中,第5條對(duì)靜載試驗(yàn)梁體剛度評(píng)定合格的標(biāo)準(zhǔn)是,實(shí)測(cè)靜活載撓度(f實(shí)測(cè))為靜活載等級(jí)下實(shí)測(cè)撓度值減去基數(shù)級(jí)下實(shí)測(cè)撓度值。實(shí)測(cè)靜活載撓度值合格評(píng)定標(biāo)準(zhǔn):f實(shí)測(cè)≤1.05(f設(shè)計(jì)/ψ)=6.28mm。相應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)均滿足規(guī)范要求。

6 現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果

通過靜載彎曲試驗(yàn),實(shí)測(cè)梁體撓度為4.688 mm,小于設(shè)計(jì)值6.28mm;在第二加載循環(huán)最大加載荷載(K=1.2)的作用下,持荷20 min,梁體未出現(xiàn)裂紋,撓度觀測(cè)也符合要求,本次靜載試驗(yàn)結(jié)果表明梁體質(zhì)量完好,符合設(shè)計(jì)規(guī)范及耐久性要求。

7 結(jié)語

通過考慮剪力滯系數(shù)后對(duì)靜載試驗(yàn)各級(jí)加載數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算,精細(xì)地組織靜載試驗(yàn)過程,保證靜載試驗(yàn)比較真實(shí)地檢驗(yàn)箱梁工作性能及使用性能,達(dá)到靜載試驗(yàn)判定梁體質(zhì)量的目的,對(duì)今后施工單位技術(shù)人員在客運(yùn)專線箱梁靜載試驗(yàn)加載數(shù)據(jù)計(jì)算和實(shí)施中具有很好的指導(dǎo)和借鑒意義。

[1]TB/T 2092—2003,預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡(jiǎn)支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]鐵科技[2004]120號(hào),客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件[S].

[3]鐵建設(shè)[2007]47號(hào),新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].

[4]SW-22,中鐵咨詢橋梁工程設(shè)計(jì)研究院關(guān)于對(duì)靜載試驗(yàn)有關(guān)問題的回復(fù)報(bào)告[Z].北京:中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,2009.

[5]劉 明,等.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)[M].北京:高等教育出版社,2008.

[6]鄭海霞,等.箱梁剪力滯研究[C]∥2004年全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:2004.

[7]季文玉,等.預(yù)應(yīng)力RPC箱梁剪力滯效應(yīng)分析[J].中國鐵道科學(xué),2007(1).

[8]孫 璐.預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡(jiǎn)支梁生產(chǎn)許可證產(chǎn)品檢驗(yàn)辦法[M].北京:鐵道部質(zhì)檢中心,2009:50-51.

[9]TBJ106—91.鐵路部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)計(jì)驗(yàn)收規(guī)定[S].