新型跨座式輕軌PC梁抗裂荷載靜載試驗分析

班新林，石　龍( ．中國鐵道科學研究院，北京　0008; ．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　0008)

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新型跨座式輕軌PC梁抗裂荷載靜載試驗分析

班新林1，石龍2
( 1．中國鐵道科學研究院，北京100081; 2．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:目前，我國城市軌道交通發(fā)展迅速，跨座式輕軌以其獨特的優(yōu)點在中運量軌道交通中顯現(xiàn)一定競爭優(yōu)勢。某新型跨座式輕軌PC梁，位于半徑1 000 m曲線上，跨徑為29. 18 m。本文為了驗證設計和檢驗質量，展開靜載試驗研究。試驗采用分配梁進行4點同步加載至1. 2級抗裂荷載，測試梁體變形和混凝土應變。試驗結果表明，該PC梁的剛度和抗裂安全性均滿足規(guī)范規(guī)定和設計要求。

關鍵詞:跨座式輕軌PC軌道梁抗裂荷載靜載試驗

我國跨座式單軌交通用作城市客運交通的首條線路，是2000年動工建設的重慶市軌道交通2號線(較新線)。線路由市中心解放碑地區(qū)的較場口出發(fā)，沿嘉陵江畔西行，再向南至重慶鋼鐵廠所在地新山村，全長18. 6 km，設有18座車站。隨后修建的重慶軌道交通3號線也采用跨座式單軌系統(tǒng)。

跨座式單軌是一種優(yōu)勢獨特的中運量( 1～3萬人/h)的軌道交通系統(tǒng)，車輛采用橡膠輪胎跨行于梁軌合一的軌道梁上，轉向架的兩側有導向輪和穩(wěn)定輪，夾行于軌道梁兩側(圖1)。軌道梁為預應力混凝土結構，梁軌合一，對列車起承載導向穩(wěn)定作用。目前國內跨座式單軌PC梁的跨度一般為22和25 m。本文針對的某新型單軌PC梁為曲線梁，跨度為30 m，支座采用可承受拉力和壓力的新型鋼支座。為了驗證設計和檢驗PC梁性能，展開靜載試驗研究。

圖1重慶單軌2號線

1　試驗梁設計

1. 1結構形式

試驗梁墩距30 m，梁長29. 95 m，跨度29. 18 m。橋梁曲線半徑R = 1 000 m。截面形式采用空心工字形，梁高1. 7 m，梁寬0. 8 m，兩端及中間設橫隔板，梁體混凝土強度等級C60，并要求混凝土彈性模量≥3. 75×104MPa。支座采用ZQ系列的DGZ鑄鋼支座。

預應力鋼筋采用7?5(公稱直徑15. 24 mm)預應力鋼絞線，每束由4或5根鋼絞線組成。采用內徑?50 mm波紋管形成管道。試驗梁在終張拉49 d后進行靜載試驗，試驗梁按實際曲線梁的墩梁布置方式放置在試驗支墩上，梁面超高為3. 858%。

1. 2設計活載

采用實際運營車輛作為設計活載，活載圖式見圖2，滿員時P = 100 kN，重心位置距走行面1. 3 m。

沖擊系數(shù)i = 20 /( 50 + L)，L為跨度。

圖2設計活載圖式(單位: mm)

2　試驗方案

依據(jù)設計要求，參照《跨座式單軌交通設計規(guī)范》( GB 50458—2008)和《預應力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準》( TB /T 2092—2003)相關要求制定試驗方案。

2. 1加載圖式

根據(jù)設計單位要求，試驗梁靜載試驗采用4點加載。加載圖式見圖3，加載點間距考慮最不利車輛軸位布置。加載裝置采用兩個分載梁，一個千斤頂?shù)募虞d力平均分配至兩個加載點上，由分載梁中部的橫向水平傳力裝置實現(xiàn)對試驗梁橫向水平加載。加載橫斷面如圖4所示。

圖3靜載試驗加載圖式(單位: mm)

圖4加載橫斷面示意

2. 2加載值及加載流程

試驗過程中考慮最大活載彎矩(含沖擊)以及二期恒載、加載分配梁的重量、未完成的預應力損失作用下的跨中彎矩，以各級加載荷載作用下的跨中彎矩與相應的設計荷載作用下的跨中彎矩相等為原則，確定靜載試驗每級荷載下每個加載點的加載力。

加載值作用下的跨中彎矩

各級荷載作用下的跨中彎矩

基數(shù)級跨中彎矩

靜活載級跨中彎矩

式中:α為加載圖式相應的跨中彎矩系數(shù); Pk為加載圖式中的加載值; K為加載級; Mz為自重荷載作用下跨中彎矩; Md為二期恒載作用下跨中彎矩; Mh為活載作用下跨中彎矩(含沖擊) ;ΔMs為靜載試驗時未完成的預應力損失引起的跨中彎矩; Ms為加載設備引起的跨中彎矩; 1 + h為設計活載對應的沖擊系數(shù)。

具體加載值見表1?？沽押奢d靜載試驗分兩個循環(huán)加載，第一循環(huán)逐級加載至1. 0級，靜停20 min，再逐級卸載至初始狀態(tài);第二循環(huán)逐級加載至1. 2級，靜停20 min，再逐級卸載至初始狀態(tài)，加載結束。

表1抗裂荷載靜載試驗加載值

2. 3測點布置

1)跨中及1 /4截面外貼鋼弦應變計

在跨中截面和兩個1 /4截面布置外貼鋼弦應變計。每個加載截面布置14個測點，整孔梁共計42個測點。測點布置見圖5。

2)跨中梁底外貼鋼弦應變計

在梁底跨中4. 7 m范圍內兩外緣分別均勻布置17支共34支外貼鋼弦應變計。

3)變形測點

考慮試驗梁受到豎向彎矩、橫向彎矩和扭矩的作用，在梁體側面和底面布置位移計測試梁體空間位移變化。測點共計24個。測點布置見圖6。

圖5外貼鋼弦應變計測點布置(單位: mm)

圖6位移測點布置(單位: mm)

3　試驗結果

3. 1撓度

第1循環(huán)加載至設計荷載，第2循環(huán)加載至抗裂荷載，后者的跨中撓度與加載值的關系見圖7。各級荷載下梁底撓度變形見圖8。

圖7跨中撓度與加載值關系

圖8各加載級下底板撓度變形

實測結果表明:加載過程中，撓度與加載值保持了較好的線性關系，線性相關系數(shù)＞0. 999，兩個加載循環(huán)相同加載值作用下各撓度點撓度值相同，說明梁體處于彈性工作狀態(tài)。實測撓度小于設計值，原因是混凝土實際彈性模量與設計值不同。兩次加載實測跨中靜活載撓度為19. 5 mm，撓跨比為1/1 496，相應的設計值為24. 0 mm和1/1 216，梁體剛度滿足《跨座式單軌交通設計規(guī)范》( GB 50458—2008)中規(guī)定的靜活載撓跨比不得大于1 /800的要求。根據(jù)實測撓度和理論計算撓度推算，箱梁靜載試驗時的混凝土彈性模量為4. 62 ×104MPa。

加載至1. 2級，曲線內外側底板撓度非常接近，曲線內側撓度值稍微大于外側值，而理論計算曲線外側撓度稍大于曲線內側。原因是由于施工精度的影響，加載過程中活動支座向曲線內側傾斜變形;實測側面上緣位移是向曲線內側，跨中最大值為－0. 4 mm，側面下緣位移是向曲線外側，跨中最大值為0. 4 mm。

3. 2混凝土應力

梁體跨中4. 7 m范圍內，曲線內外側的底板邊緣各均勻布置17只外貼鋼弦應變計。實測結果表明:跨中底板應變與加載值呈良好線性關系，線性相關系數(shù)均＞0. 999;加載至1. 2級，跨中梁體未發(fā)現(xiàn)裂縫，證明梁體處于彈性狀態(tài)，試驗梁抗裂性滿足設計要求。

在1. 2倍設計荷載下，實測試驗箱梁曲線內、外側跨中4. 7 m區(qū)域內下緣混凝土的平均應力分別為18. 66 MPa(應變404×10－6)和17. 97 MPa(應變389 ×10－6)，兩側平均值為18. 32 MPa，實測應力與理論計算值18. 58 MPa非常一致。實測應力計算中混凝土彈性模量取推算值4. 62×104MPa。梁體跨中附近外側應變與加載值的關系見圖9。

3. 3中性軸

加載至1. 2級荷載過程中，跨中截面(圖10)和L/4截面的腹板測點處混凝土應變與測點距離底緣的高度呈良好的線形關系，跨中截面和L/4截面中性軸高度實測平均值分別為806 cm和808 cm，考慮預應力筋的換算界面中性軸高度理論值為828 cm，實測值與理論值比較一致。

圖9曲線外側底板應變與加載值關系

圖10跨中截面腹板應變與測點高度關系

4　結論

1)兩次加載實測跨中靜活載撓度為19. 5 mm，撓跨比為1 /1 496，相應的設計值為24. 0 mm和1 /1 216，梁體剛度滿足規(guī)范規(guī)定和設計要求。根據(jù)實測撓度和理論計算撓度推算，箱梁靜載試驗時的混凝土彈性模量為4. 62×104MPa。

2)加載至1. 2級，試驗梁跨中底板混凝土應變與加載值呈線性關系，沒有開裂情況，梁體抗裂安全系數(shù)＞1. 2，滿足規(guī)范要求。1. 2倍設計荷載下，實測試驗箱梁跨中下緣混凝土的平均應力18. 32 MPa，與理論計算值18. 58 MPa非常接近。

3)加載至1. 2級荷載過程中，跨中截面和L/4截面的腹板測點處混凝土應變與測點距離底緣的高度呈良好的線形關系，跨中截面和L/4截面中性軸高度實測平均值分別為806 cm和808 cm，考慮預應力筋的換算界面中性軸高度理論值為828 cm，實測值與理論值比較一致。

綜上所述，經(jīng)試驗驗證，新型跨座式輕軌PC梁的剛度和抗裂安全性滿足相關要求，為下一步研究及應用提供了依據(jù)。

參考文獻

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(責任審編孟慶伶)

Anti-cracking load of new-type prestressed concrete track beam based on static loading test analysis used in straddle-type monorail transit system

BAN Xinlin1，SHI Long2
( 1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:Nowadays，straddle-type monorail is attractive due to its exceptional advantages in growing ubran rail transit with medium traffic．A new straddle-type monorail PC beam has a span length of 29．18 m，which locates on a curve with a radius of 1 000 m．T he four-point static loading test was conducted for design validation and quality inspection．T he track beam was loaded to 1．2 times design anti-cracking load，and the deformation and the concrete strain were measured．T he test result indicates that the stiffness and crack resistance of the PC beam meet the requirements of the specification and design．

Key words:Straddle-tpye monorail; Prestressed concrete track beam; Anti-cracking load; Static loading test

文章編號:1003-1995( 2016) 01-0020-05

中圖分類號:U446．1

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．04

作者簡介:班新林( 1984—)，男，助理研究員，博士研究生。

收稿日期:2015-11-30;修回日期: 2015-12-10