海南東環(huán)鐵路跨度32 m雙線組合簡支箱梁試驗研究

周 勇，蘇永華，孫金更，馬 林

(1．海南東環(huán)鐵路有限公司，海南?？?570125;2．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;3．鐵道部產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心，北京 100081)

海南東環(huán)鐵路全長308 km，設計標準為國家Ⅰ級鐵路，速度目標值200 km/h。因部分區(qū)段不能滿足整孔箱梁的運送要求，橋梁設計采用了時速250 km客運專線(城際鐵路)后張法預應力混凝土有砟組合簡支箱梁，圖號為通橋(2009)2228A。每孔梁由兩榀單箱單室箱梁組合而成，每榀箱梁在制梁場單獨預制。架設后通過現(xiàn)澆橫隔板、橋面板和施加橫向預應力將兩榀梁連接成整體，形成雙箱單室簡支梁結構。本試驗研究包括施工工藝試驗、靜載試驗、自振頻率和長期性能測試等工作，達到了驗證設計、檢驗施工工藝等目的。代表梁型為跨度32 m箱梁，圖號為通橋(2009)2228A-Ⅰ，數(shù)量為 3榀，梁號按施工順序分別為LS31.5SQ-001右、LS31.5SQ-001左、LS31.5SQ-002右。試驗梁試制和測試時間為2009年1月至9月。

1 箱梁設計概況

箱梁設計過程中吸收了國內(nèi)外高標準鐵路梁型的優(yōu)點，在滿足使用功能的前提下考慮了景觀、施工等多方面因素。

1)首次采用了雙箱單室組合截面，截面輪廓采用了大圓弧翼緣板、大斜腹板的外形尺寸。

2)優(yōu)化了截面尺寸，減少了混凝土體積。

試驗箱梁輪廓見圖1，主要設計參數(shù)如下［1］:

①旅客列車最高設計行車速度250 km/h;

②列車豎向靜活載采用ZK標準活載，橋面橫向計算采用ZK特種活載;

圖1 試驗箱梁輪廓(單位:mm)

③線間距4.6～5.0 m，梁長32.6 m，計算跨度31.5 m，兩榀箱梁中心距為線間距+0.4 m;

④線間距4.6 m時橋面板寬12.2 m，線間距5.0 m時橋面板寬12.6 m;

⑤梁高橫向略有差異，箱梁中線處梁高2.5 m，翼緣板外側梁高2.7 m。

2 主要試驗研究內(nèi)容

1)結構計算分析

試驗研究過程中建立了箱梁平面桿系單元和空間實體單元模型，分別采用 MIDAS CIVIL和 MIDAS FEA，分析結構在各施工階段和作用工況下的應力、變形情況。

2)箱梁施工工藝試驗

①測試分析箱梁灌筑過程中的混凝土水化熱溫度;②測試箱梁的預施應力效果;③測試預施應力過程中梁端面混凝土的應力狀態(tài)。

3)箱梁靜載試驗

①箱梁靜載彎曲試驗，分析梁體應力狀態(tài)、豎向剛度和抗裂性;②單線偏載試驗，模擬箱梁單線受載工況，檢驗組合箱梁在單線偏載工況下的抗扭性能;③梁端受力性能試驗，模擬箱梁架設時的最不利工況，測試梁端面混凝土應力狀態(tài)，檢驗梁端受力性能是否滿足架梁要求。

4)在已架設好的橋上測試箱梁豎向自振頻率，評估是否滿足設計文件及規(guī)范要求。

5)箱梁長期性能測試

測試施加預應力后梁體徐變上拱發(fā)展規(guī)律和混凝土收縮徐變—時間曲線。

3 箱梁施工工藝試驗

3.1 混凝土水化熱測試分析

為掌握混凝土灌筑過程中水化熱溫度發(fā)展變化情況，確定合理的拆模時間，在3榀試驗梁跨中和梁端截面預埋了溫度傳感器［2］。

從混凝土入模開始計算，3榀試驗梁水化熱最高溫度及出現(xiàn)時間見表1。

表1 試驗梁水化熱最高溫度及出現(xiàn)時間

測試結果:

1)混凝土入模40 h，梁體芯部、表面、環(huán)境溫度分別在45℃，35℃，25℃左右，芯部和表面、表面和環(huán)境溫差＜15℃，滿足拆模要求。

2)混凝土灌筑完之后15～30 h水化熱溫度達到最高值，跨中頂板、腹板、底板芯部最高溫度分別為60～62℃，56～57℃，46～53℃，梁端頂板、腹板、底板芯部最高溫度分別為52～58℃，49～56℃，44～52℃。

3)升溫階段速度較快，頂板約2.5℃/h，底、腹板約1.5℃/h;降溫階段速度較慢，頂板約0.5℃/h，底、腹板約0.3℃/h;混凝土入模4晝夜后，梁體溫度已降至與環(huán)境溫度接近。

4)試驗梁水化熱最高溫度基本在60℃以下，頂板局部最高溫度在65℃左右，拆模時梁體溫差控制在15℃以內(nèi)，混凝土配合比及養(yǎng)護工藝滿足預制箱梁技術條件要求［3］。

3.2 預施應力效果測試

1)試驗梁跨中彈性上拱

試驗梁預應力終張過程中跨中截面彈性上拱變化情況見圖2。3榀梁跨中彈性上拱實測值分別為21.46，22.46，22.59 mm，與理論計算值 22.33 mm 基本一致，推算終張時混凝土彈模分別為3.69×104，3.53 ×104，3.51 ×104MPa。

圖2 試驗梁終張過程中跨中彈性上拱變化

2)試驗梁預應力效果

試驗梁預應力終張過程中3榀梁跨中下緣混凝土平均預壓應力分別為 17.38，17.26，17.28 MPa，與理論值16.60 MPa基本吻合，預施應力準確。

3.3 梁端面受力狀態(tài)測試

預應力終張過程中梁端面典型部位混凝土應變隨張拉進程的變化情況見圖3。根據(jù)測試結果，梁端面外側下梗腋部位應變較大，檢查發(fā)現(xiàn)N1a錨穴上方有裂縫出現(xiàn)，長度20～30 cm，寬度0.10 mm左右。數(shù)值計算結果也顯示，該部位混凝土的拉應力較大。

圖3 試驗梁端面下梗腋部位實測應變

3.4 腹板溫度應力

海南地區(qū)日照強烈，環(huán)境溫度高，耦合混凝土水化熱后，箱梁的溫度應力較大。預應力初張前箱梁基本處于零應力狀態(tài)，此時混凝土強度為設計值的60% ～80%，較大的溫度應力可能導致混凝土出現(xiàn)早期裂縫。單榀箱梁預制時為不對稱結構，外側梗腋體積大，水化熱溫度高，根據(jù)實測溫度計算顯示箱梁溫度應力較大，外側腹板縱向應力最大值達到3.5 MPa，應力分布情況見圖4。

圖4 試驗梁縱向溫度應力分布

拆模后檢查發(fā)現(xiàn)部分梁的箱內(nèi)外側腹板存在豎向裂縫，與計算結果基本吻合。鑒于此種情況，應加強箱梁的混凝土施工及養(yǎng)護工藝控制措施。

4 箱梁靜載試驗

靜載試驗選擇LS31.5SQ-001箱梁進行，試驗前左右2榀梁在試驗臺座上完成了橫向聯(lián)結，與橋上實際受力狀態(tài)一致。試驗情況見圖5。

圖5 箱梁靜載試驗概貌

4.1 加載圖式

箱梁靜載試驗采用20點加載，加載點作用于腹板頂面中心，加載圖式見圖6。

圖6 箱梁靜載試驗加載圖式(單位:mm)

4.2 靜載彎曲試驗

箱梁靜載彎曲試驗加載流程按現(xiàn)行試驗方法執(zhí)行［3］，加載值見表 2。

表2 靜載彎曲試驗加載值

1)試驗梁跨中撓度

試驗加載過程中，箱梁跨中撓度與荷載的關系見圖7。實測撓度與加載力呈線性關系，相關系數(shù)＞0.999，梁體處于彈性工作狀態(tài);第1，2加載循環(huán)跨中靜活載撓度分別為8.70，8.22 mm，換算撓跨比分別為 1/3 619，1/3 830，滿足設計要求(1/3 551)［4］，亦即梁體豎向剛度滿足要求;根據(jù)實測撓度推算試驗時混凝土彈模為3.72×104MPa。

圖7 試驗梁跨中撓度與荷載關系

2)跨中抗裂性

第2循環(huán)試驗加載至1.2倍設計荷載時，試驗梁跨中左箱左腹板下緣應變與荷載的關系見圖8。根據(jù)測試結果可知:實測應變與荷載保持線性關系，相關系數(shù)＞0.999，混凝土處于彈性工作狀態(tài)，加載過程中也未出現(xiàn)裂縫，試驗梁跨中抗裂性合格;1.2倍設計荷載作用下，左、右側箱梁跨中下緣混凝土應力分別為15.70 MPa，15.51 MPa，與設計計算值 15.63 MPa 吻合，箱梁處于正常受力狀態(tài)。

圖8 左箱左腹板跨中下緣混凝土應變與荷載關系

4.3 單線偏載試驗

為檢驗組合箱梁的抗扭性能，進行了試驗梁單線偏載試驗。通過測試梁體變形情況，評估偏載工況下梁體抗扭剛度是否滿足設計規(guī)范要求。箱梁單線偏載試驗加載圖式與靜載彎曲試驗相同，加載值見表3，跨中截面撓度見表4。

表3 試驗梁單線偏載試驗加載

表4 試驗梁單線偏載試驗跨中撓度 mm

根據(jù)實測結果推算，單線ZK靜活載作用下，以一段3.0 m長的線路為基準，在梁長范圍內(nèi)一線兩根鋼軌的豎向相對變形量:左線偏載工況下，左、右側箱梁的最大值分別為0.017 mm，0.046 mm;右線偏載工況下，左、右側箱梁的最大值分別為 0.071 mm，0.152 mm。

實測試驗梁鋼軌位置的豎向相對變形量遠小于規(guī)范限值要求(1.5 mm)［5］，試驗梁具有良好的抗扭剛度，滿足設計及規(guī)范要求。

4.4 梁端受力性能試驗

梁端受力性能試驗與靜載彎曲試驗加載工況一致，在靜載彎曲試驗1.2倍設計荷載作用下:梁端底板上緣最大應力為－1.26 MPa，與計算值－1.08 MPa接近，底板下緣最大應力為 －2.83 MPa，與計算值－3.09 MPa接近;梁端外側N1a錨穴上方裂縫寬度最大擴展值為0.06 mm，裂縫寬度隨試驗荷載的增加逐漸增大。

為改善梁端局部受力性能，建議在錨穴上方增強橫向鋼筋配置，約束裂縫擴展。

5 箱梁自振頻率測試

箱梁自振頻率測試選擇北山村雙線特大橋第21、第22孔梁進行，測試方法為脈動法和跳擊法，測試時尚未施加二期恒載。第21孔梁脈動、跳擊法測得的豎向一階自振頻率分別為5.74，5.82 Hz，第22孔梁脈動、跳擊法測得的豎向一階自振頻率分別為5.86，5.88 Hz。

箱梁豎向一階振型見圖9，二期恒載(186 kN/m)上橋前自振頻率計算值為4.70 Hz，上橋后為3.37 Hz。實測豎向自振頻率均大于計算值，據(jù)此推算施加二期恒載后箱梁自振頻率滿足規(guī)范“≥23.58L－0.592(3.06 Hz)”的要求［4］。

圖9 箱梁豎向一階振型

6 箱梁長期性能測試

箱梁長期性能主要測試梁體的徐變上拱和混凝土收縮、徐變，評估梁體上拱發(fā)展和預應力損失情況。預應力終張完成后，試驗梁跨中徐變上拱和預應力重心處混凝土收縮徐變情況見圖10。

圖10 試驗梁長期性能測試結果

根據(jù)測試結果，梁體徐變上拱發(fā)展趨勢與理論值基本相同，終張拉后170 d時最大徐變上拱度為18.5 mm(LS31.5SQ-001左)，跨中截面預應力平均損失值為50.4 MPa。

7 結論

通過對海南東環(huán)鐵路跨度32 m雙線組合簡支箱梁進行施工工藝試驗、靜載試驗、自振頻率和長期性能測試，箱梁的制造工藝滿足預制箱梁技術條件要求，其剛度、抗裂性、抗扭性能、自振頻率等受力性能指標滿足設計和規(guī)范要求，箱梁可以批量生產(chǎn)。

針對試驗研究過程中發(fā)現(xiàn)的問題，建議:①梁端錨穴上方增強橫向鋼筋配置，以改善梁端局部受力性能;②鑒于海南地區(qū)氣溫高、日照強烈，宜嚴格混凝土施工及養(yǎng)護工藝的控制措施。

［1］中鐵第四勘察設計院集團有限公司．時速250公里客運專線(城際鐵路)有砟軌道預制后張法預應力混凝土簡支組合箱梁(雙線、雙箱單室)設計書(通橋［2009］2228A-I)［R］．武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2009．

［2］周勇政，朱爾玉，李學民，等．預制混凝土箱梁快速降溫的措施及效果分析［J］．鐵道建筑，2010(7):10-13．

［3］中華人民共和國鐵道部．鐵科技［2004］120號 客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件［S］．北京:中國鐵道出版社，2004．

［4］中華人民共和國鐵道部．TB/T 2092—2003 預應力混凝土鐵路梁靜載彎曲試驗方法及評定標準［S］．北京:中國鐵道出版社，2004．

［5］中華人民共和國鐵道部．鐵建設［2005］140號 新建時速200～250公里客運專線鐵路設計暫行規(guī)定［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．