鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁靜載彎曲抗裂試驗(yàn)

荊龍江，王志堅，馬 林，李 葳

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.武廣客運(yùn)專線有限公司 武漢 430050)

1 試驗(yàn)梁概況

本批32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁為武廣客運(yùn)專線廣州動車段工程用梁，梁場從2008年9月至11月共生產(chǎn)32 m曲線簡支T梁33片，并在梁體混凝土強(qiáng)度達(dá)到33.5 MPa時進(jìn)行初張拉，梁體混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范［1］規(guī)定的 58.5 MPa、彈模達(dá)到 36 GPa和齡期不少于14 d時進(jìn)行終張拉，簡支梁在初張拉和終張拉過程中均未出現(xiàn)滑絲和斷絲現(xiàn)象。在終張拉后30 d，33片32 m曲線簡支T梁上拱度測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，其值為0 ～5 mm，滿足規(guī)范［1］的要求。

由于該33片梁所用的13孔錨具，通過鐵道部質(zhì)檢中心認(rèn)證時間較晚，根據(jù)廣州動車段指揮部的要求，中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所于2009年3月對33片簡支梁分早期和后期隨機(jī)各抽取一片進(jìn)行靜載彎曲抗裂試驗(yàn)，以檢驗(yàn)該批32 m簡支梁的質(zhì)量和使用性能，兩片梁的編號分別為 PL32QZZH-005和PL32QZBH-078。

PL32QZZH-005梁圖號為“通橋(2005)2101-Ⅰ-6”，系曲線中梁，PL32QZBH-078梁圖號為“通橋(2005)2101-Ⅰ-5”，系曲線邊梁，梁體結(jié)構(gòu)類型均為有砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支T梁。兩片簡支梁長 32.6m，跨 度 為 32m，梁 高 2.523m。PL32QZZH-005梁質(zhì)量129.283 t，頂面寬1.70 m，馬蹄形底面寬0.88 m。PL32QZBH-078梁質(zhì)量139.283 t，頂面寬2.10 m，馬蹄形底面寬0.88 m。試驗(yàn)時兩片梁防水層均已鋪設(shè)，梁體預(yù)制資料見表1。

表1 32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支試驗(yàn)梁預(yù)制資料

2 簡支梁靜載彎曲抗裂試驗(yàn)設(shè)計

PL32QZZH-005和PL32QZBH-078梁靜載試驗(yàn)分別在終張拉后135 d及72 d時進(jìn)行，滿足試驗(yàn)梁30 d后進(jìn)行靜載試驗(yàn)的規(guī)定［2］。

試驗(yàn)時用厚鋼板及石棉板組合調(diào)整支座高度，T梁移入試驗(yàn)臺座后，經(jīng)測量，兩支座間實(shí)測跨度符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求［2］，T梁支座高度一致，受力均衡。

2.1 加載方式

根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［2］，簡支梁靜載試驗(yàn)等效集中荷載采用5點(diǎn)法加載，跨中設(shè)一集中荷載，其余左右對稱布置，各加載點(diǎn)縱向間距為4 m，加載圖式見圖1。

圖1 32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁靜載試驗(yàn)加載圖式(單位:mm)

2.2 測點(diǎn)布置

兩片簡支梁靜載彎曲抗裂試驗(yàn)中，在跨中截面底部東、西兩側(cè)，沿梁體縱向1.5 m范圍內(nèi)各對稱布置5個鋼弦式應(yīng)變計，測試梁底在各級荷載作用下的應(yīng)力狀況;在跨中截面兩側(cè)沿梁高度方向，各布置4個鋼弦式應(yīng)變計，測試各級荷載作用下梁體高度方向的應(yīng)力變化［2-3］。鋼弦式應(yīng)變計測點(diǎn)編號及布置見圖2。

在梁體跨中及支點(diǎn)截面底部兩側(cè)共布置6個百分表作為撓度測點(diǎn)，測試梁體在各級荷載作用下的撓度變形情況。

圖2 32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁靜載試驗(yàn)跨中截面應(yīng)變計布置

2.3 試驗(yàn)加載值測試

靜載試驗(yàn)中采用5個壓力傳感器測試加載力，保證試驗(yàn)荷載的準(zhǔn)確施加。試驗(yàn)前對所有傳感器均進(jìn)行了標(biāo)定。圖3給出了PL32QZZH-005梁在第二個加載循環(huán)中每級荷載實(shí)測加載值與理論加載值的關(guān)系圖。從圖中可以看出，每級荷載實(shí)測加載值與理論加載值線性關(guān)系良好。

圖3 實(shí)測與理論加載值關(guān)系

3 梁體豎向撓度測試

根據(jù)實(shí)測結(jié)果:PL32QZZH-005梁第一、第二加載循環(huán)跨中靜活載撓度最大值分別為13.26 mm和13.04 mm，撓跨比分別為1/2 413、1/2 454，靜活載撓跨比設(shè)計值為1/1 771;PL32QZBH-078梁第一、第二加載循環(huán)跨中靜活載撓度最大值分別為12.60 mm和12.00 mm，撓跨比分別為1/2 540、1/2 667，靜活載撓跨比設(shè)計值為1/1 869。兩片試驗(yàn)梁的靜活載撓跨比均符合設(shè)計要求。

圖4給出了兩片試驗(yàn)梁第二加載循環(huán)中各級荷載與撓度的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，加載荷載與撓度基本保持線性關(guān)系，說明梁體處于彈性工作狀態(tài)。

4 梁體跨中縱向應(yīng)力測試

4.1 PL32QZZH-005梁跨中下緣縱向應(yīng)力

圖4 32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁第二加載循環(huán)荷載值與跨中撓度關(guān)系

實(shí)測PL32QZZH-005梁第一循環(huán)加載至1.0倍設(shè)計荷載，第二循環(huán)加載至1.2倍設(shè)計荷載。在1.2倍設(shè)計荷載作用下，跨中底面縱向兩側(cè)1.5 m區(qū)域內(nèi)的平均拉應(yīng)力分別為18.90 MPa(應(yīng)變值525×10-6)和17.75 MPa(應(yīng)變值493×10-6)，兩側(cè)平均為 18.325 MPa(彈性模量E=3.60×104MPa)，曲線中梁在運(yùn)營階段設(shè)計預(yù)壓應(yīng)力為21 MPa，試驗(yàn)梁體混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計要求。

圖5給出了分布于T梁底面兩側(cè)1.5 m范圍內(nèi)的10個測點(diǎn)，即①～⑩號測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變與各級荷載關(guān)系。從圖5可以看出，在各級荷載作用下，實(shí)測應(yīng)變與荷載基本保持線彈性關(guān)系，各應(yīng)變均隨荷載線性變化，未出現(xiàn)異常增大或減小，表明試驗(yàn)梁跨中下緣拉應(yīng)力最大的區(qū)域仍處于彈性工作狀態(tài)。在試驗(yàn)加載全過程中，梁體中部下緣及梁底面均未發(fā)現(xiàn)受力裂縫，試驗(yàn)梁的抗裂性能符合設(shè)計要求。

4.2 PL32QZZH-005梁縱向應(yīng)力沿梁高分布

PL32QZZH-005梁第二循環(huán)加載至1.2倍設(shè)計荷載時，各級荷載作用下試驗(yàn)梁跨中位置腹板兩側(cè)沿梁高方向布置的8個測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變值與各級荷載關(guān)系見圖6。從圖6可以看出，在各級荷載作用下，各測點(diǎn)應(yīng)力沿梁高方向的分布呈非常明顯的線性關(guān)系，表明試驗(yàn)梁在各級荷載作用下處于線彈性工作狀態(tài)。

根據(jù)應(yīng)力分布狀態(tài)，計算試驗(yàn)梁中性軸位置:西側(cè)距梁底1.359 m，東側(cè)距梁底1.341 m，平均值1.350 m，與設(shè)計計算中性軸高度1.399 m基本一致。

4.3 PL32QZBH-078梁跨中下緣縱向應(yīng)力

PL32QZBH-078梁第一循環(huán)加載至1.0倍設(shè)計荷載，第二循環(huán)加載至1.2倍設(shè)計荷載。在1.2倍設(shè)計荷載作用下，跨中底面兩側(cè)1.5 m區(qū)域內(nèi)的平均拉應(yīng)力分別為16.79 MPa(應(yīng)變值466.4×10-6)和18.19 MPa(505.4×10-6)，兩側(cè)平均為17.49 MPa(彈性模量E=3.60×104MPa)，曲線邊梁在運(yùn)營階段設(shè)計預(yù)壓應(yīng)力為20.5 MPa，試驗(yàn)梁體混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計要求。

圖7給出了T梁底面兩側(cè)1.5 m范圍內(nèi)的10個測點(diǎn)，即①～⑩號測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變與各級荷載關(guān)系。從圖7可以看出，在各級荷載作用下，實(shí)測應(yīng)變與荷載基本保持線彈性關(guān)系，各應(yīng)變均隨荷載線性變化，未出現(xiàn)異常增大或減小，表明試驗(yàn)梁跨中下緣拉應(yīng)力最大的區(qū)域仍處于彈性工作狀態(tài)。在試驗(yàn)加載全過程中，梁體中部下緣及梁底面均未發(fā)現(xiàn)受力裂縫，試驗(yàn)梁的抗裂性能符合設(shè)計要求。

4.4 PL32QZBH-078梁縱向應(yīng)力沿梁高分布

圖5 第二循環(huán)荷載作用下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁跨中下緣1.5 m內(nèi)各測點(diǎn)應(yīng)變值

PL32QZBH-078梁第二循環(huán)加載至1.2倍設(shè)計荷載時，各級荷載作用下試驗(yàn)梁跨中位置腹板兩側(cè)沿梁高方向布置的8個測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變值與各級荷載關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，在各級荷載作用下，各測點(diǎn)應(yīng)力沿梁高方向的分布呈非常明顯的線性關(guān)系，表明試驗(yàn)梁在各級荷載作用下處于線彈性工作狀態(tài)。

圖6 第二循環(huán)荷載作用下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁跨中沿梁高方向各測點(diǎn)應(yīng)變值

根據(jù)應(yīng)力分布狀態(tài)，計算試驗(yàn)梁中性軸位置:西側(cè)距梁底1.375 m，東側(cè)距梁底1.430 m，平均值1.403 m，與設(shè)計計算中性軸高度1.426 m基本一致。

圖7 第二循環(huán)荷載作用下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁跨中下緣1.5 m內(nèi)各測點(diǎn)應(yīng)變值

圖8 第二循環(huán)荷載作用下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁跨中沿梁高方向各測點(diǎn)應(yīng)變值

5 結(jié)論

1)實(shí)測PL32QZZH-005梁第一、第二加載循環(huán)，跨中靜活載撓度分別為13.26 mm和13.04 mm，撓跨比分別為1/2 413、1/2 454，靜活載撓跨比設(shè)計值為1/1 771;PL32QZBH-078梁第一、第二加載循環(huán)，跨中靜活載撓度分別為12.60 mm和12.00 mm，撓跨比分別為1/2 540、1/2 667，靜活載撓跨比設(shè)計值為1/1 869。兩片試驗(yàn)梁的剛度均滿足設(shè)計要求。

2)在1.2倍設(shè)計荷載作用下，實(shí)測 PL32QZZH-005梁跨中底面兩側(cè)1.5 m區(qū)域內(nèi)混凝土的平均拉應(yīng)力為18.325 MPa，曲線中梁在運(yùn)營階段設(shè)計預(yù)壓應(yīng)力為21 MPa;PL32QZBH-078梁跨中底面兩側(cè)1.5 m區(qū)域內(nèi)混凝土的平均拉應(yīng)力為17.49 MPa，曲線邊梁在運(yùn)營階段設(shè)計預(yù)壓應(yīng)力為20.50 MPa。在整個加載過程中，兩片試驗(yàn)梁跨中下緣實(shí)測應(yīng)變與荷載基本保持線性關(guān)系，梁體拉應(yīng)力最大區(qū)域仍處于彈性工作狀態(tài)，梁體中部下緣及底面均未發(fā)現(xiàn)受力裂縫。兩片試驗(yàn)梁梁體混凝土抗裂性均能滿足設(shè)計要求。

3)兩片試驗(yàn)梁沿梁高方向縱向應(yīng)力均呈線性關(guān)系，各測點(diǎn)縱向應(yīng)力值無明顯的增大或減小。PL32QZZH-005梁中性軸位置距梁底1.350 m，與設(shè)計計算值1.399 m基本一致;PL32QZBH-078梁中性軸位置距梁底1.403 m，與設(shè)計計算值1.426 m基本一致。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB/T 3043—2005 預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支T梁技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］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:中國鐵道出版社，2003.

［3］高巖，王迎軍.加強(qiáng)整體化層對 T梁受力影響的試驗(yàn)評估［J］.鐵道建筑，2009(3):63-65.