客貨共線鐵路32m單線箱梁靜載試驗研究

朱希同

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

滬通鐵路為客貨共線鐵路，北起南通平東與寧啟鐵路貫通，向南跨越長江，經(jīng)張家港、常熟、太倉市到上海安亭，全長137.3 km，按國鐵I 級雙線標準建設，設計時速200 km。根據(jù)初步設計批復意見及滬通鐵路聲屏障設置情況，滬通鐵路南通至安亭段采用簡支箱梁結構［1-3］。

滬通鐵路全線大量采用預應力混凝土雙線及單線整孔簡支箱梁［4-5］，部分單線梁為適應高架站線情況，在通橋（2014）2231-Ⅳ基礎上切除了懸出的單側翼緣板，對結構設計進行了改進。針對截面變化后箱梁結構在設計荷載及運架荷載作用下能否滿足設計要求，開展了靜載試驗予以驗證。

1 箱梁基本參數(shù)

滬通鐵路時速200 km 客貨共線32 m 單線箱梁的圖號為滬通施（橋）參-Ⅲ-11，是在橋（2014）2231-Ⅳ的基礎上切除單側翼緣板而成，采用單箱單室截面（見圖1）。梁體采用C50 混凝土，預應力鋼絞線公稱直徑為15.2 mm，強度等級為1 860 MPa，彈性模量為195 GPa。箱梁寬6.48 m，長32.6 m，計算跨度31.5 m，梁體質(zhì)量367 t，箱梁橫斷面中心線處梁高2.742 m，頂板厚0.262 m，底板厚0.25 m，腹板厚0.24 m，設計活載采用中-活載。

圖1 滬通鐵路32m單線箱梁截面（單位：mm）

2 靜載試驗方案

靜載試驗內(nèi)容主要包含靜載彎曲抗裂試驗、梁端受力性能試驗和橋面板受力性能試驗3部分。

2.1 加載方式

1）靜載彎曲抗裂試驗在梁體跨中采用縱向5排每排2 點的集中力方式加載?？v向每排集中力間距為4 m，每排橫向2點集中力間距為3 m，作用于箱梁腹板頂面中心［6］。

2）梁端受力性能試驗采用在梁體跨中縱向3排每排2點集中力+梁端靠近支座中心線處1排2點集中力的方式加載?？缰锌v向每排集中力間距為4 m，每排橫向2 點集中力間距為2.96 m，作用于箱梁腹板頂面中心。梁端1 排距梁端1.13 m，橫向2 點集中力間距為2.96 m。

3）橋面板受力性能試驗采用單排集中力、特種活載、27 t 軸重貨車單個轉(zhuǎn)向架和橋面板應力影響線4種荷載進行加載。其中單排集中力、特種活載和27 t軸重貨車單個轉(zhuǎn)向架作用在跨中截面。橋面板應力影響線加載采用270 kN 的集中力對影響線共15 個加載點進行加載，加載點間距分別為1 100，550和275 mm。橋面板受力影響線加載方式見圖2，圖中顯示的是對稱布置的一半。

圖2 橋面板受力影響線加載方式（單位：mm）

2.2 測點布置

2.2.1 靜載彎曲抗裂試驗測點

對于梁體變形測試，在箱梁跨中截面和兩端支座中心線截面共布置了6 個撓度測點（百分表），每個截面2 個撓度測點。對于混凝土應變測試，箱梁跨中截面左、右側腹板底緣3 m 范圍內(nèi)各布置縱向應變測點15個，測點布置見圖3。

圖3 跨中截面底部混凝土應變測點布置（單位：mm）

2.2.2 梁端受力性能試驗測點

在梁端受力性能試驗中，在梁端、腹板外側、頂板底面和底板頂面布置外貼式鋼弦應變計。梁端測點布置見圖4。

2.2.3 橋面板受力性能試驗

在橋面板受力性能試驗中，在頂板底面沿縱向、橫向，跨中截面腹板內(nèi)外側以及腹板上方頂板內(nèi)分別布設鋼弦應變計。測點布置見圖5。

圖4 梁端測點布置

圖5 頂板底面測點布置（單位：mm）

2.3 試驗荷載

2.3.1 靜載彎曲抗裂試驗

靜載彎曲抗裂試驗加載值見表1。加載分2 個循環(huán)，第1循環(huán)加載至1.0級，第2循環(huán)加載至1.2級。

表1 靜載彎曲抗裂試驗加載值

2.3.2 梁端受力性能試驗

梁端受力性能試驗加載值見表2。加載分2 個循環(huán)，第1 循環(huán)加載至模擬運營最大支反力工況（1 768 kN）；第2 循環(huán)加載至模擬運架最大支反力工況（2 320 kN）。

2.3.3 橋面板受力性能試驗

橋面板受力性能試驗加載值見表3。試驗分別對單點加載、特種活載、27 t軸重貨車單個轉(zhuǎn)向架加載和影響線加載進行了2個加載循環(huán)測試。其中單點加載采用250 kN和270 kN共2個加載級。

表2 梁端受力性能靜載試驗加載值

表3 橋面板受力性能試驗加載值

3 靜載試驗結果

3.1 靜載彎曲抗裂試驗

靜載彎曲抗裂試驗中，實測第1，2 加載循環(huán)跨中撓度分別為7.507.97 mm，撓跨比分別為1/4199，1/3953，實測值均小于設計值（1/3915），梁體剛度滿足規(guī)范要求［7］。第2 加載循環(huán)實測跨中撓度見圖6?？梢娍缰袑崪y撓度與荷載呈線性關系，梁體處于彈性工作狀態(tài)。撓度實測值與理論值有差異主要是因為混凝土彈性模量與設計彈性模量不一致。根據(jù)實測撓度反推靜載試驗過程中的梁體實際彈性模量為38.1 GPa。

圖6 第2加載循環(huán)實測跨中撓度

第2 循環(huán)加載至1.2 倍設計荷載過程中，跨中截面下緣3.0 m 范圍內(nèi)底板兩側混凝土應變實測結果相同，跨中下緣混凝土平均應力為8.80 MPa（彈性模量取38.1 GPa），與理論計算值8.81 MPa 一致?？缰械装逵覀葢兣c荷載的關系見圖7?？梢娍缰薪孛嫦戮壐鳒y點的混凝土實測應變與加載值保持線性關系，未出現(xiàn)明顯增大或減小的現(xiàn)象。梁體混凝土拉應力最大區(qū)域處于彈性狀態(tài)，加載過程中梁體沒有開裂，抗裂安全性滿足規(guī)范要求［8］。

圖7 跨中底板右側應變與荷載的關系

3.2 梁端受力性能試驗

梁端受力性能試驗測試結果見圖8?？芍?，梁端頂板腹板倒角處，除5#測點應力實測值略大于理論值外，其余各測點實測值均小于理論值，實測5#測點拉應力最大值為 4.27 MPa（120×10-6），出現(xiàn)在第 9 級加載時；梁端底板腹板倒角處實測拉應力最大值為4.22 MPa，小于理論值，出現(xiàn)在第3 級加載時；梁端頂板底面橫向拉應力實測值比理論值大，隨著加載級遞增拉應力有所增大，最大為4.71 MPa（133×10-6）；試驗過程中，進人孔各測點橫向受壓，考慮自重及預應力后橫向壓應力在0.5 MPa 以上；梁端受力性能試驗全過程各測點處均未開裂，結構受力安全。

圖8 梁端受力性能試驗測試結果

3.3 橋面板受力性能試驗

采用實體有限元模型對橋面板受力性能進行了計算。橋面板受力性能測試結果見圖9。

由圖9（a）可知：單點加載和特種活載加載工況，實測最大拉應力為2.91 MPa大于理論值（1.75 MPa）；27 t 軸重貨車單個轉(zhuǎn)向架加載工況，實測最大拉應力為1.97 MPa，大于理論值（1.36 MPa）；試驗中箱梁頂板底面橫向受拉，實測最大拉力均小于混凝土抗拉強度容許值，測試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)混凝土開裂。

圖9 橋面板受力性能測試結果

由圖9（b）可知：單點加載和特種活載加載工況，實測最大拉應力為1.75 MPa，大于理論值（1.07 MPa），實測豎向最大壓應力為-2.38 MPa，超過理論值（-1.87 MPa）；27 t軸重貨車單個轉(zhuǎn)向架加載工況，實測跨中腹板頂部豎向最大拉應力為1.28 MPa，大于理論值（0.84 MPa），實測豎向最大壓應力為-1.56 MPa，超過理論值（-1.46 MPa）；試驗中實測拉、壓應力均小于混凝土強度容許值，測試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)混凝土開裂。

由圖9（c）、圖9（d）可知：270 kN 集中力沿縱向加載15個點，總體上影響線變化趨勢符合理論預期，荷載主要對加載點4～6 m范圍內(nèi)混凝土應力產(chǎn)生影響；橋面荷載作用下，梁體頂板底面與頂板頂面（對應腹板上方）橫向均受拉，腹板頂部外側豎向受拉，內(nèi)側豎向受壓。

4 結論

滬通鐵路時速200 km 客貨共線32 m 單線箱梁（圖號滬通施（橋）參-Ⅲ-11）靜載試驗結果如下：

1）靜載彎曲試驗結果表明，箱梁最大靜活載撓度為7.97 mm，撓跨比為1/3953，小于設計值，梁體剛度滿足設計要求；在1.2 倍設計荷載作用下，實測跨中下緣應變與荷載呈線性關系，梁體處于彈性狀態(tài)，沒有發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，梁體抗裂性能滿足設計要求。

2）梁端受力性能試驗結果表明，加載至架梁最大支反力時，梁端端面最大拉應力實測值與理論計算值比較一致，測試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，結構受力安全。

3）橋面板受力性能試驗結果表明，梁體頂板底面橫向拉應力最大值為2.91 MPa，腹板外側頂部豎向拉應力最大為1.75 MPa，均發(fā)生于特種活載加載時；測試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，結構受力安全。

4）經(jīng)試驗驗證，滬通鐵路時速200 km 客貨共線通用32 m單線箱梁（圖號滬通施（橋）參-Ⅲ-11）的各項受力性能符合設計及相關規(guī)范要求。