鐵路新型32 m簡支T梁靜載彎曲抗裂性能的試驗研究

涂浩，葛凱，李葳，陳鵬舉，姜惠峰，何平根

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 3.洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南洛陽471000)

鐵路新型32 m簡支T梁靜載彎曲抗裂性能的試驗研究

涂浩1，葛凱2，李葳2，陳鵬舉1，姜惠峰1，何平根3

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 3.洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南洛陽471000)

首次針對通橋(2005)2101—Ⅰ系列32 m鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，進(jìn)行了靜載開裂試驗和重裂試驗，準(zhǔn)確評估了該種梁型的抗彎力學(xué)性能。試驗測試結(jié)果:梁體在開裂前處于彈性工作狀態(tài)，跨中靜活載撓度實測值為15.56 mm，接近設(shè)計值17.40 mm;跨中截面中性軸高度實測值為1.422 m，接近計算值1.436 m;梁體預(yù)應(yīng)力度和抗裂安全系數(shù)實測值分別為1.039和1.256，接近計算值1.047和1.244。該種梁型的實測抗彎剛度和抗裂性能與設(shè)計水平相當(dāng)，試驗梁施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

鐵路 預(yù)應(yīng)力T梁 抗裂性 試驗

1 試驗概況

我國客貨共線鐵路橋梁大多采用雙片式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁的結(jié)構(gòu)形式，常用T形梁設(shè)計圖號有叁標(biāo)外橋006A、大(65)-138、專橋2059等。為檢驗預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的抗彎性能以保證梁體質(zhì)量符合設(shè)計要求，我國頒布的鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［1］規(guī)定:在靜載彎曲試驗中應(yīng)加載至梁體跨中彎矩與1.2倍設(shè)計荷載等效的水平，梁體剛度應(yīng)符合判定標(biāo)準(zhǔn)，全預(yù)應(yīng)力混凝土梁不應(yīng)出現(xiàn)裂縫。常規(guī)的靜載彎曲試驗［2］可以作為施工質(zhì)量的檢驗依據(jù)，卻無法準(zhǔn)確評估梁體的真實預(yù)應(yīng)力水平和抗裂性能。為準(zhǔn)確測試梁體的永存預(yù)應(yīng)力水平和驗證設(shè)計的合理性，需要對梁體進(jìn)行損傷性的靜載開裂試驗和重裂試驗。文獻(xiàn)［3］針對叁標(biāo)外橋006A系列2片(曲線和直線梁各1片)31.7 m簡支T梁，以及文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］針對叁標(biāo)外橋006A系列2片(曲線梁)23.8 m簡支T梁以及大(65)-138系列2片(曲線梁)31.7 m簡支T梁進(jìn)行了開裂和重裂靜載試驗，評估了這幾種鐵路梁型的永存預(yù)應(yīng)力水平。目前，國內(nèi)對于2000年以后生產(chǎn)的新型鐵路T梁尚缺少抗裂性能試驗研究，為深入研究通橋(2005)2101—Ⅰ系列梁型的抗彎性能，在試驗場內(nèi)針對1片32 m簡支T梁(曲線邊梁)進(jìn)行靜載彎曲試驗。靜載試驗在夜間進(jìn)行，共進(jìn)行3個循環(huán)的靜力加載和測試，第一循環(huán)為開裂加載，第二、三循環(huán)為重裂加載。

試驗梁全長32.6 m，梁高2.542 m，梁體混凝土強(qiáng)度等級為C55，梁體質(zhì)量(含防水層、保護(hù)層)139.3 t。梁體二期恒載為80.81 kN/m(單線一孔)，設(shè)計荷載為中—活載，沖擊系數(shù)為1.193 5。該片梁終張拉齡期為36 d，28 d混凝土強(qiáng)度實測值為60.8 MPa，28 d混凝土彈性模量實測值為39.4 GPa。表1為試驗梁的設(shè)計參數(shù)。

表1 通橋2101-32 m簡支T梁(曲線、邊梁)設(shè)計參數(shù)

2 加載和測試方案

2.1 加載方案

梁體架設(shè)在兩個鋼墩之上，每個鋼墩頂面安裝一個盆式橡膠支座，其中一端為固定支座，另一端為活動支座。靜載試驗采用5點等值加載，加載點間距4.0 m，作用于腹板中心線上，見圖1。通過5臺千斤頂和5個反力鋼架施加荷載，見圖2。加載全過程采用分級加載方式。試驗加載和卸載時通過自動化電子操控系統(tǒng)實現(xiàn)對各個油泵的同步控制。

圖1 靜載試驗加載示意(單位:m)

圖2 32 m試驗梁靜載彎曲試驗外觀

2.2 測試方案

靜載試驗測點布置見圖3、圖4，測試內(nèi)容如下述。

1)施加荷載。通過5個2 000 kN千斤頂同步、分級施加荷載，通過5個2 500 kN荷載傳感器測試實際加載值。

圖3 跨中附近梁底面應(yīng)變測點布置(單位:mm)

圖4 跨中截面應(yīng)變測點布置(單位:mm)

2)梁體位移。通過位移計和百分表測試梁體位移，包括支點和跨中截面處豎向位移。

3)梁體應(yīng)變。通過振弦式應(yīng)變傳感器測試梁體跨中附近截面應(yīng)變(向固定支座一側(cè)偏移0.5 m)、跨中3.8 m范圍內(nèi)梁底應(yīng)變。

全部傳感器在試驗前均經(jīng)過標(biāo)定，精度滿足試驗要求。

圖5 開裂試驗荷載—位移曲線

3 靜載試驗測試結(jié)果

3.1 剛度測試結(jié)果

三階段靜載試驗的荷載—位移曲線(圖5為第一循環(huán)荷載位移曲線)顯示，梁體開裂前，跨中截面實測豎向撓度與荷載呈線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù)＞0.999 9)，表明梁體處于彈性工作狀態(tài)。在加載全過程中，扣除支座位移后內(nèi)、外兩側(cè)的豎向撓度始終十分接近。在三個循環(huán)的靜載試驗過程中，梁體開裂前荷載—撓度曲線的斜率始終十分接近，證明梁體開裂前剛度幾乎沒有變化。

開裂試驗、第一次重裂試驗及第二次重裂試驗中，靜活載跨中豎向撓度實測值分別為15.56，15.99和16.41 mm，均≤L/1 835的設(shè)計值，對應(yīng)的撓跨比分別為1/2 057，1/2 001，1/1 950。據(jù)開裂試驗中撓度實測數(shù)據(jù)推算出梁體彈性模量為38.2 GPa，高于設(shè)計值36.0 GPa。

3.2 抗裂性測試結(jié)果

第一循環(huán)的開裂試驗加載至荷載級K=1.39時觀察到跨中截面附近出現(xiàn)2條裂縫，裂縫自梁體下緣外側(cè)倒角沿側(cè)面向上和沿底面向內(nèi)同時延伸;繼續(xù)加載到K=1.44時已出現(xiàn)的兩條裂縫在底面進(jìn)一步延伸;繼續(xù)加載至K=1.50時梁體內(nèi)側(cè)出現(xiàn)3條裂縫，其中2條在跨中橫隔板邊緣，裂縫自梁體下緣內(nèi)側(cè)倒角沿側(cè)面向上和沿底面向內(nèi)同時延伸，同時梁體外側(cè)新出現(xiàn)了5條裂縫?？缰懈浇后w裂縫分布狀態(tài)見圖6。

第二，三循環(huán)的重裂試驗加載至荷載級K=1.06時觀察到跨中截面附近內(nèi)、外兩側(cè)下緣均出現(xiàn)裂縫，裂縫均為開裂試驗中出現(xiàn)的原有裂縫(全部用白色粉筆標(biāo)記)。繼續(xù)加載，梁體原有裂縫陸續(xù)重新出現(xiàn)，加載至荷載級K=1.45仍沒有新裂縫出現(xiàn)。

圖6 跨中8 m范圍內(nèi)梁體裂縫分布平面展開圖(單位:mm)

圖7 開裂試驗荷載—梁底應(yīng)變曲線

圖8第二次重裂試驗荷載—梁底應(yīng)變曲線

圖7 、圖8為試驗中實測的荷載—梁底應(yīng)變曲線，可知實測開裂荷載推算最小值Pcr=719.2 kN(加載級K=1.26)，第一次重裂實測重裂荷載推算最小值P0= 567.9 kN(加載級K=1.05)，第二次重裂實測重裂荷載推算最小值P0=560.1 kN(加載級K=1.04)，梁體重裂推算值取二者中較小值:P0=560.1 kN。

如表2所示梁體預(yù)應(yīng)力度實測值為1.039，理論值為1.047;梁體抗裂安全系數(shù)實測值為1.256，理論值為1.244?？沽研阅艿膶崪y結(jié)果與計算結(jié)果十分吻合?；炷了苄韵禂?shù)按照計算值1.417計入，則混凝土極限抗拉強(qiáng)度推算值fct=3.63 MPa，接近設(shè)計值3.30 MPa。

3.3 梁體應(yīng)力分布測試結(jié)果

圖9為試驗梁開裂試驗和第一次重裂試驗跨中截面實測應(yīng)變分布圖?，F(xiàn)場實測結(jié)果表明:梁體開裂前，跨中截面應(yīng)變分布基本符合平截面假定;跨中換算截面中性軸高度理論值為1.436 m，兩次試驗中實測數(shù)據(jù)的推算值分別為1.422 m和1.412 m，相對誤差分別為-1.0%和-1.7%。兩次試驗結(jié)果十分相近并且與設(shè)計值相吻合，說明梁體的截面尺寸與設(shè)計是相符的。

表2 32 m試驗梁抗裂性計算及測試結(jié)果

圖9 跨中測試截面應(yīng)變分布

4 結(jié)論

1)梁體開裂前，梁體跨中截面實測豎向撓度與荷載呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)＞0.999 9，梁體處于彈性工作狀態(tài)。

2)開裂試驗、第一次重裂試驗及第二次重裂試驗中，靜活載跨中豎向撓度實測值分別為15.56，15.99和16.41 mm，均≤L/1 835的設(shè)計值。據(jù)開裂試驗撓度實測數(shù)據(jù)推算出梁體彈性模量為38.2 GPa，略高于設(shè)計值36.0 GPa。

3)梁體預(yù)應(yīng)力度和抗裂安全系數(shù)實測值分別為1.039和1.256，接近計算值1.047和1.244，且滿足抗裂安全系數(shù)≥1.2的設(shè)計要求。混凝土塑性系數(shù)按照1.417計算，則試驗梁混凝土極限抗拉強(qiáng)度推算值fct=3.63 MPa，接近設(shè)計值3.30 MPa。

4)梁體開裂前，跨中截面應(yīng)變分布基本符合平截面假定。開裂試驗和第一次重裂試驗中實測跨中截面中性軸高度分別為1.422 m和1.412 m，接近理論值1.436 m，說明梁體的截面尺寸與設(shè)計相符。

5)該片32 m試驗梁的施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求，通橋(2005)2101-Ⅰ系列32 m梁的實測抗彎剛度和抗裂性能與設(shè)計水平相當(dāng)。

［1］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方法及評定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［2］荊龍江，王志堅，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［J］.鐵道建筑，2010(5):1-4.

［3］牛斌，李新民，馬林.京山線沙河特大橋預(yù)應(yīng)力混凝土梁提速加固設(shè)計研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2004(12):65-70.

［4］馬林，陳強(qiáng)，魏峰.京通線23.8 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁靜載試驗及耐久性評估［J］.鐵道建筑，2008(3):19-23.

［5］中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.京通線預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗評估總報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2003.

(責(zé)任審編孟慶伶)

U446.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.01

1003-1995(2015)05-0001-04

2015-01-23;

2015-03-10

涂浩(1989—)，男，江西南昌人，碩士研究生。