客運(yùn)專線32 m預(yù)制簡支箱梁靜載試驗(yàn)研究

張洪雨，盧文良，賈 桐

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

預(yù)制整孔簡支箱梁以抗扭剛度大、受力明確、建設(shè)速度快、質(zhì)量有保證、建成后的橋梁維養(yǎng)工作量小以及低噪聲等優(yōu)勢，在鐵路客運(yùn)專線中被廣泛采用。箱梁質(zhì)量直接影響整條線路的狀態(tài)，為預(yù)防施工事故，保證橋梁建成后正常運(yùn)行，應(yīng)采取科學(xué)合理的措施對箱梁質(zhì)量加以控制。對實(shí)橋進(jìn)行動靜載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁性能的有效評定手段［1-3］，在眾多控制箱梁質(zhì)量的措施中，靜載試驗(yàn)是檢驗(yàn)箱梁性能的主要方法，通過靜載試驗(yàn)可檢驗(yàn)箱梁的剛度和抗裂性是否滿足設(shè)計(jì)要求。制梁場在箱梁生產(chǎn)初期和生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求對箱梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，以確保箱梁的質(zhì)量安全可靠［4-5］。靜載試驗(yàn)可采用自平衡或加載框架方式對梁進(jìn)行加載，本文針對目前廣泛采用的自平衡加載方式進(jìn)行研究。

1 靜載試驗(yàn)方案

試驗(yàn)梁為32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁(通橋(2008)2322A-Ⅱ)，梁長32.6 m，支座中心距縱向(計(jì)算跨徑)31.5 m、橫向4.5 m，梁高3.05 m，頂板寬12 m，底板寬5.5 m，單片箱梁質(zhì)量900 t。試驗(yàn)采用自平衡加載方式，加載過程中對箱梁分等級多點(diǎn)同步加載，測試箱梁在荷載作用下的撓度值，并觀測梁體有無裂縫出現(xiàn)及裂縫的擴(kuò)展情況，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理，根據(jù)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求判斷梁體質(zhì)量是否安全可靠。

1.1 試驗(yàn)測試設(shè)備

1)試驗(yàn)臺座

靜載試驗(yàn)臺座由2片鋼縱梁、2片上枕梁、2片下枕梁及4組拉桿組成。鋼縱梁與上枕梁由多組耳板連接，上下枕梁由4組拉桿相連。每組拉桿由6根 φ32的精軋螺紋鋼組成。試驗(yàn)梁置于上下枕梁之間，通過油泵和千斤頂對試驗(yàn)梁進(jìn)行加載試驗(yàn)。試驗(yàn)臺座應(yīng)能確保試驗(yàn)梁跨度、支承方式和加載狀態(tài)符合試驗(yàn)加載要求，且具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性?，F(xiàn)場試驗(yàn)臺座如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺座

2)其他設(shè)備

除試驗(yàn)臺座外，試驗(yàn)還需用千斤頂、油泵、標(biāo)準(zhǔn)油壓表或壓力傳感器等加力設(shè)備和計(jì)量儀器。試驗(yàn)所用計(jì)量設(shè)備、儀器、儀表、鋼卷尺等均需經(jīng)法定計(jì)量檢定部門檢定合格，且在有效期內(nèi)使用。

1.2 試驗(yàn)加載測試

根據(jù)規(guī)范，32 m箱梁采用五集中力四分點(diǎn)加載方式，跨中設(shè)一集中荷載，其余在其左右對稱布置，各點(diǎn)縱向間距為4 m，如圖2所示。加載分兩個循環(huán)進(jìn)行，以加載系數(shù)K表示加載等級，加載系數(shù)K是加載試驗(yàn)中梁體跨中承受的彎矩與設(shè)計(jì)彎矩之比，通過梁體所受彎矩反算得到加載荷載。試驗(yàn)準(zhǔn)備工作結(jié)束后梁體承受的荷載狀態(tài)為初始狀態(tài);基數(shù)級下梁體跨中承受的彎矩指梁體質(zhì)量與二期恒載質(zhì)量對跨中彎矩之和。

圖2 加載圖式(單位:m)

第一循環(huán)最大加載荷載為設(shè)計(jì)荷載，第一加載循環(huán)兼有試壓作用，消除試驗(yàn)中加載設(shè)備、梁體及支座等相互之間潛在的不密實(shí)因素，第二加載循環(huán)在第一加載循環(huán)基礎(chǔ)上進(jìn)行，最大加載荷載為1.20倍設(shè)計(jì)荷載，是檢驗(yàn)梁體抗裂性的主要過程。第一與第二加載循環(huán)都應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，其結(jié)果均為梁體質(zhì)量判定的依據(jù)。以加載系數(shù)K表示加載等級的第一與第二加載循環(huán)程序見表1。

表1 加載程序

每級加載后均應(yīng)仔細(xì)檢查梁體下緣和梁底有無裂縫出現(xiàn)。如發(fā)現(xiàn)裂縫，應(yīng)標(biāo)注裂縫位置，量測裂縫寬度并注明荷載等級。每級加載后均應(yīng)測量梁體跨中和各支座中心截面兩側(cè)豎向位移變化，以同一截面的兩側(cè)平均值作為相應(yīng)截面的豎向位移量或支點(diǎn)沉降量?？缰薪孛尕Q向位移量減去支座沉降影響量即為該級荷載下的實(shí)測撓度值。

1.3 評定標(biāo)準(zhǔn)

1)梁體剛度

通過實(shí)測靜活載撓度f實(shí)測大小判斷梁體剛度是否合格，合格評定標(biāo)準(zhǔn)為

式中，L為箱梁的計(jì)算跨徑，為31.5 m;ψ為等效荷載加載撓度修正系數(shù)，為0.998 7。

2)梁體抗裂性

在K為1.20加載等級下持荷20 min，梁體下翼緣側(cè)、底面未發(fā)現(xiàn)受力裂縫或下翼緣側(cè)面的受力裂縫未延伸至梁底邊，則梁體抗裂性合格。

2 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

本文收集了12片32 m預(yù)制簡支箱梁靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，同時針對各片梁的加載情況，用Midas軟件進(jìn)行了撓度計(jì)算。通過試驗(yàn)值與理論計(jì)算值對比分析，對試驗(yàn)梁的整體狀況做出評價(jià)。

2.1 實(shí)測數(shù)據(jù)及分析

按照前述試驗(yàn)方法對12片梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，撓度實(shí)測值見表2，表中Ka代表基數(shù)級，Kb代表靜活載級，靜活載(即ZK活載)撓度值為靜活載級撓度值減去基數(shù)級撓度值，撓度—荷載曲線如圖3所示。對試驗(yàn)靜活載撓度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，平均值為4.81 mm，撓跨比為1/6 549，標(biāo)準(zhǔn)差為0.369，變異系數(shù)為0.077。靜活載跨中撓度設(shè)計(jì)值為5.98 mm，撓跨比為1/5 268。

表2 實(shí)測跨中撓度值 mm

由圖3可以看出各片梁撓度值與荷載基本上均為線性關(guān)系，說明梁體發(fā)生的變形為彈性變形。不同梁在同一級荷載下?lián)隙戎底兓壬源螅怯捎诒疚?2片32 m簡支箱梁靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)取自不同的梁場，梁體在彈性模量、二期恒載和試驗(yàn)設(shè)備等方面有所不同。靜活載撓度值相差不大，彈性模量差異是引起同一荷載下各梁撓度值不同的主要原因。試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，梁場在生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量方面滿足要求。試驗(yàn)梁第二加載循環(huán)，在Kb為1.20加載等級時對應(yīng)圖3第二循環(huán)中最后一點(diǎn)，此時持荷20 min，試驗(yàn)梁下翼緣底部邊角及梁底面均未發(fā)現(xiàn)受力裂縫，表明梁體抗裂性滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。由圖3還可以看出，1.20倍設(shè)計(jì)荷載時梁體撓度值與荷載基本保持線性關(guān)系，說明梁體依舊處在彈性變形階段，梁體質(zhì)量安全可靠。

圖3 試驗(yàn)梁跨中f—P關(guān)系曲線

2.2 理論計(jì)算

根據(jù)箱梁設(shè)計(jì)及試驗(yàn)參數(shù)建立Midas有限元計(jì)算模型，如圖4所示，按照靜載試驗(yàn)加載圖式計(jì)算的箱梁撓曲示意圖如圖5所示。采用Midas對各試驗(yàn)梁進(jìn)行計(jì)算，得到各片梁在各個加載級別下的撓度值，同時采用傳統(tǒng)梁理論［6］計(jì)算梁體跨中撓度值，計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可以看出，不同梁體在靜活載下?lián)隙戎荡篌w一致，按傳統(tǒng)梁理論計(jì)算靜活載跨中撓度值約為4.73 mm，撓跨比為1/6 660;有限元法計(jì)算靜活載跨中撓度值約為4.97 mm，撓跨比為1/6 338。

圖4 箱梁有限元模型

圖5 箱梁加載后撓曲示意

表3 跨中撓度計(jì)算值 mm

3 結(jié)論

通過對靜載試驗(yàn)結(jié)果的分析，可得以下結(jié)論:

1)梁體跨中撓度實(shí)測值與計(jì)算值接近，與設(shè)計(jì)值相比有一定安全儲備，說明梁體剛度可靠，靜載試驗(yàn)方案合理。

2)對于同一片梁，第一與第二加載循環(huán)在同一級荷載下，撓度值近似相等，說明梁體在試驗(yàn)荷載下發(fā)生的變形是彈性變形。

3)不同梁在同一級荷載下?lián)隙葦?shù)值變化幅度稍大是由于梁體在彈性模量、二期恒載和試驗(yàn)誤差等多方面不同引起的。

4)試驗(yàn)梁第二循環(huán)加載至1.20倍設(shè)計(jì)荷載時，梁體撓度值與荷載保持線性關(guān)系，梁體下翼緣底部邊角及梁底面均未發(fā)現(xiàn)受力裂縫，說明梁體依舊處在彈性變形階段，梁體抗裂性滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

［1］宋一凡.公路橋梁荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)評定［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］荊龍江，王志堅(jiān)，馬林，等.鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁靜載彎曲抗裂試驗(yàn)［J］.鐵道建筑，2010(5):1-3.

［3］王彬.城市立交橋匝道曲線梁靜動載試驗(yàn)［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，24(5):48-50.

［4］中華人民共和國鐵道部.鐵科技［2004］120號 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］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB/T 2092—2003 預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國鐵道出版杜，2003.

［6］孫訓(xùn)方.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2002.