軌道交通預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁極限承載力試驗研究

王炎，錢利芹，肖林

(1．浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州310018;2．金華市婺城區(qū)公路管理段，浙江金華321000; 3．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

軌道交通預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁極限承載力試驗研究

王炎1，錢利芹2，肖林3

(1．浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州310018;2．金華市婺城區(qū)公路管理段，浙江金華321000; 3．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

為研究城市軌道交通預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁的力學(xué)性能，對一座跨度為30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土U形簡支梁橋進行了靜載破壞試驗。試驗中測試了主梁關(guān)鍵截面混凝土和鋼筋的應(yīng)變以及豎向位移與荷載之間的關(guān)系，詳細分析了梁體破壞過程與破壞特征。研究得到了如下結(jié)論:主梁的消壓彎矩為1.31倍設(shè)計荷載，在加載至2.0倍設(shè)計荷載時主梁開始進入塑性階段，破壞荷載為2.7倍設(shè)計荷載;加載過程中底板出現(xiàn)較為明顯的橫向應(yīng)變，表明底板具有典型的空間板受力效應(yīng);梁體破壞過程表現(xiàn)出明顯的延性，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，具有較強的安全儲備。

城市軌道交通 預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁 極限承載力 破壞試驗

近年來，隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁的應(yīng)用日趨廣泛［1-3］。與傳統(tǒng)箱形軌道梁相比，U形梁不僅具有降噪效果好、造形美觀、斷面利用率高、造價低廉等優(yōu)點，同時，U形梁還可以減少橋梁的建筑高度，特別適合橋下凈空受限制的城市軌道交通。U形梁采用主梁腹板作為受力構(gòu)件，正彎矩作用下腹板下緣及道床板受拉而存在開裂的可能，因此需要合理地配置預(yù)應(yīng)力束才能保證結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性［4］。U形梁的荷載主要通過底板傳遞至縱梁下部，縱梁下緣承受吊拉力作用，縱梁與底板連接處受力復(fù)雜。同時，由于U形梁是開口薄壁構(gòu)件，因此其抗扭性能相對于箱形結(jié)構(gòu)來說較差［5-6］。

要推廣U形梁的應(yīng)用，有必要先對其力學(xué)性能進行深入研究。本文針對重慶輕軌交通后張法預(yù)應(yīng)力混凝土U形簡支梁，通過實橋的破壞試驗，對其靜力行為、抗裂性、極限承載力等進行了研究，對評價結(jié)構(gòu)承載力、耐久性具有重要意義。

1 試驗概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

某后張法預(yù)應(yīng)力混凝土U形簡支梁跨度為30 m，跨中梁高1.8 m，端部梁高1.94 m?；炷列熊嚨腊逶O(shè)置在距離底板中心線兩側(cè)30 cm處，寬80 cm、高30 cm，輕軌軌道鋪設(shè)于行車道板之上，U形梁構(gòu)造如圖1所示。梁體采用的混凝土強度等級為C55，底板混凝土摻聚丙烯纖維，主梁沿縱向布置10束預(yù)應(yīng)力筋(兩腹板各布置1束縱向預(yù)應(yīng)力筋，底板布置8束縱向預(yù)應(yīng)力筋)。單線預(yù)制U形梁自重1 780 kN。

圖1 U形梁橫斷面(單位:mm)

1.2 加載方案

為研究預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁在荷載作用下應(yīng)力、變形與裂縫的發(fā)展規(guī)律，本文對結(jié)構(gòu)進行破壞試驗。對于簡支U形梁來說，主要承受彎矩，在使用過程中，跨中是受彎的最不利截面。因此首先按照規(guī)范計算U形梁在設(shè)計荷載作用下跨中的最大彎矩，然后以此為基準荷載分級施加，直至結(jié)構(gòu)破壞。設(shè)計荷載如表1所示。試驗加載布置如圖2和圖3所示。二期恒載(均布荷載)采用混凝土塊施加，活載(集中荷載)采用鋼錠模擬。

2 測點布置

2.1 應(yīng)力測點布置

試驗采用振弦式混凝土應(yīng)變計測量U梁表面混凝土應(yīng)力，采用埋入式振弦鋼筋應(yīng)變計測量鋼筋應(yīng)力。橋梁應(yīng)力測試斷面布置如圖4(a)所示，分別在主梁支座處、1/2跨及距跨中30 cm 5個斷面上布置應(yīng)力測點，各測試斷面應(yīng)力測點布置如圖4(b)和圖4(c)所示，全橋共布置貫穿鋼筋應(yīng)力測點96個，混凝土應(yīng)力測點170個。

2.2 位移測點布置

試驗采用千分表進行位移測量。分別在主梁支座處、1/4跨及跨中5個斷面上布置千分表，每個截面在上翼緣外側(cè)水平對稱布置2個千分表測量主梁的傾覆位移，在底板底部布置3個千分表測量主梁的豎向位移。全橋共布置位移測點25個。

表1 設(shè)計荷載及對應(yīng)跨中彎矩

圖2 模型加載縱斷面示意(單位:cm)

圖3 模型加載橫斷面示意

3 試驗結(jié)果

3.1 梁體破壞形態(tài)

在試驗加載過程中，當(dāng)跨中最大彎矩達到16 722.3 kN·m時，底板下緣出現(xiàn)橫向裂縫，此時對應(yīng)的彎矩即為消壓彎矩，相當(dāng)于1.308倍的設(shè)計荷載;當(dāng)加載至跨中最大彎矩約為18 944 kN·m時，橫向裂縫主要在跨中4 m范圍內(nèi)出現(xiàn)，縱向裂縫主要在7.5～22.5 m范圍內(nèi)出現(xiàn);當(dāng)加載至跨中最大彎矩約為21 569 kN·m時，U肋側(cè)面開始產(chǎn)生豎向裂縫，裂縫主要在跨中8 m范圍內(nèi)出現(xiàn);當(dāng)加載至跨中最大彎矩約為24 348 kN·m時，在支座附近首次出現(xiàn)斜向裂縫。

圖4 主梁應(yīng)變測點布置

在試驗加載完成后，底板的裂縫主要出現(xiàn)在跨中18 m范圍內(nèi)，橫向裂縫長度1.0～3.8 m，裂縫寬度0.2～0.5 mm，其中橫向貫通裂縫26條;縱向裂縫長度2～10 m，寬度0.14～0.32 mm;U肋豎向裂縫主要出現(xiàn)在跨中18 m范圍內(nèi)，裂縫長度0.5～1.5 m，裂縫寬度0.12～0.32 mm;支座附近U肋斜向裂縫主要出現(xiàn)在離支座5 m范圍內(nèi)，裂縫長度0.2～1.5 m，裂縫寬度0.10～0.18 mm。

3.2 跨中截面混凝土縱向應(yīng)變測試結(jié)果

試驗過程中，當(dāng)荷載加載至2.7倍的設(shè)計荷載時主梁失去承載能力，底板與U肋下方均出現(xiàn)開裂，混凝土表面應(yīng)變測點失效，因此本文僅分析U肋上翼緣混凝土應(yīng)變測點的測試結(jié)果。圖5給出了跨中截面U肋上翼緣混凝土縱向荷載—應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，在加載至2.7倍設(shè)計荷載時，U肋上翼緣混凝土均出現(xiàn)壓應(yīng)變，頂面混凝土縱向壓應(yīng)變?yōu)椋? 581× 10－6，距上翼緣頂面10 cm處混凝土縱向壓應(yīng)變?yōu)椋? 259×10－6。

3.3 跨中截面鋼筋縱向應(yīng)變測試結(jié)果

圖6分別給出了跨中截面U肋上翼緣以及底板上下緣鋼筋應(yīng)變的測試結(jié)果。從圖6可以看出，在荷載作用下，U肋上翼緣鋼筋應(yīng)變測點均出現(xiàn)壓應(yīng)變，底板上下緣鋼筋應(yīng)變測點均出現(xiàn)拉應(yīng)變。在試驗荷載加載至2.7倍設(shè)計荷載時，U肋上翼緣鋼筋最大壓應(yīng)變?yōu)椋? 355×10－6，底板上緣鋼筋最大拉應(yīng)變?yōu)? 142×10－6，底板下緣鋼筋最大拉應(yīng)變?yōu)? 058×10－6。同時從圖6(b)和圖6(c)中可以看出，在試驗荷載加載至大約2.0倍設(shè)計荷載時，U梁底板普通鋼筋開始屈服，結(jié)構(gòu)進入塑性變形階段，此時各測點的荷載—應(yīng)變曲線呈非線性增長的趨勢。

圖5 混凝土表面應(yīng)變測點荷載—應(yīng)變曲線

圖6 鋼筋縱向應(yīng)變測點荷載—應(yīng)變曲線

圖7 底板鋼筋橫向應(yīng)變測點荷載—應(yīng)變曲線

3.4 跨中截面鋼筋橫向應(yīng)變測試結(jié)果

圖7給出了試驗荷載下，跨中截面底板鋼筋橫向應(yīng)變測點的測試結(jié)果。從圖7可以看出，在試驗荷載作用下，底板上緣橫向鋼筋受壓、下緣橫向鋼筋受拉;當(dāng)試驗荷載加載至2.7倍設(shè)計荷載時，上緣鋼筋壓應(yīng)變最大值為－135×10－6，下緣鋼筋拉應(yīng)變最大值為896×10－6;最大橫向應(yīng)變距底板中心線越近，應(yīng)變值越大。由此可見，荷載作用下，U形梁底板將在截面橫向發(fā)生撓曲，導(dǎo)致底板下緣出現(xiàn)一定的橫向拉應(yīng)力，底板的空間板效應(yīng)明顯。

3.5 位移測試結(jié)果

在試驗荷載作用下，主梁在同一斷面各位移測點的豎向位移均比較接近;試驗荷載加載至2.7倍設(shè)計荷載時，1/4跨最大豎向位移為102.16 mm，跨中最大豎向位移為149.93 mm，3/4跨最大豎向位移為100.00 mm。當(dāng)試驗荷載加載至大約2.0倍設(shè)計荷載時，位移測點的荷載—位移曲線呈非線性遞增;在2.7倍設(shè)計荷載下持荷5 min，梁底豎向變形增量超過1 mm，可視為結(jié)構(gòu)已經(jīng)達到破壞。

4 結(jié)論

本文結(jié)合后張法預(yù)應(yīng)力混凝土U形簡支梁橋的破壞試驗，對其靜力行為、抗裂性、極限承載力等進行了研究，得到以下幾點結(jié)論:

1)試驗得到的消壓彎矩為16 722 kN·m，相當(dāng)約1.31倍設(shè)計荷載，試驗梁破壞荷載為2.7倍設(shè)計荷載，表明結(jié)構(gòu)具有較強的安全儲備。

2)在加載到2.0倍設(shè)計荷載時，U形梁開始進入塑性階段，應(yīng)變、位移和荷載關(guān)系表現(xiàn)出一定的非線性。

3)加載過程中底板出現(xiàn)較為明顯的橫向應(yīng)變，表明底板具有典型的空間板受力效應(yīng)。

4)在破壞過程中，鋼筋應(yīng)變具有明顯的屈服平臺。

5)梁體最大撓度能達到150 mm，表明該U形梁具有良好的延性，設(shè)計合理。

［1］黎慶．南京地鐵2號線東延高架線路U型梁結(jié)構(gòu)計算及試驗［J］．城市軌道交通研究，2009(8):8-12．

［2］歐陽輝來，王東民，劉蘭．槽形梁設(shè)計、研究與體會［J］．橋梁建設(shè)，2006(增2):56-60．

［3］賀恩懷．槽形梁在城市軌道交通工程中的應(yīng)用［J］．鐵道工程學(xué)報，2003(2):13-16．

［4］張婷．城市軌道交通荷載作用下的U型梁疲勞損傷性能試驗研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2011．

［5］胡匡璋，江新元，陸光閭．槽形梁［M］．北京:中國鐵道出版社，1987．

［6］王彬力，蒲黔輝，白光亮．重慶輕軌30 m U型梁疲勞模型試驗與計算分析［J］．鐵道建筑，2011(7):25-28．

Experimental research on ultimate bearing capacity of prestressed concrete U-shaped girder used in urban transit system

WANG Yan1，QIAN Liqin2，XIAO Lin3
(1．College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou Zhejiang 310018，China; 2．Jinhua Municipality Administration Bureau of Highway，Jinhua Zhejiang 321000，China; 3．School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chendu Sichuan 610031，China)

In order to study the mechanical behavior of the prestressed concrete U-shaped girder in the urban rail transit，a span of30 meters of prestressed concrete U-shaped simply supported girder bridge was statically tested．T he strain in concrete and steel bars was measured at the key sections and the relationship between the vertical deflection and the load was studied．T he failure process and mode were analyzed．T he decompression moment of the main girder was 1.31 times its design moment．T he girder started its plastic stage when loaded to 2.0 times the design load．T he failure load was 2.7 times the design load．Distinct transverse strain occurred at the bottom flange during the loading process，indicating a typical behavior of a 3-dimentional plate．T he failure was ductile，suggesting a reasonable structural design and appropriate safety reserve．

Urban rail transit;Prestressed concrete U-shaped girder;Ultimate bearing Capacity;Destructive testing

U446.1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．06

1003-1995(2015)03-0020-04

(責(zé)任審編孟慶伶)

2014-04-21;

2014-11-20

王炎(1982—)，男，安徽蕭縣人，講師，博士。