王炎，錢(qián)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(yàn)研究

王炎1，錢(qián)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(duì)一座跨度為30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土U形簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行了靜載破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)中測(cè)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(xì)分析了梁體破壞過(guò)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(jì)荷載，在加載至2.0倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)主梁開(kāi)始進(jìn)入塑性階段，破壞荷載為2.7倍設(shè)計(jì)荷載;加載過(guò)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(guò)程表現(xiàn)出明顯的延性，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有較強(qiáng)的安全儲(chǔ)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(yàn)

近年來(lái)，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(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，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(kāi)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(guò)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(shí)，由于U形梁是開(kāi)口薄壁構(gòu)件，因此其抗扭性能相對(duì)于箱形結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)較差［5-6］。

要推廣U形梁的應(yīng)用，有必要先對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。本文針對(duì)重慶輕軌交通后張法預(yù)應(yīng)力混凝土U形簡(jiǎn)支梁，通過(guò)實(shí)橋的破壞試驗(yàn)，對(duì)其靜力行為、抗裂性、極限承載力等進(jìn)行了研究，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)承載力、耐久性具有重要意義。

1 試驗(yàn)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(jiǎn)支梁跨度為30 m，跨中梁高1.8 m，端部梁高1.94 m。混凝土行車道板設(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(qiáng)度等級(jí)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞試驗(yàn)。對(duì)于簡(jiǎn)支U形梁來(lái)說(shuō)，主要承受彎矩，在使用過(guò)程中，跨中是受彎的最不利截面。因此首先按照規(guī)范計(jì)算U形梁在設(shè)計(jì)荷載作用下跨中的最大彎矩，然后以此為基準(zhǔn)荷載分級(jí)施加，直至結(jié)構(gòu)破壞。設(shè)計(jì)荷載如表1所示。試驗(yàn)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(cè)點(diǎn)布置

2.1 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)測(cè)量U梁表面混凝土應(yīng)力，采用埋入式振弦鋼筋應(yīng)變計(jì)測(cè)量鋼筋應(yīng)力。橋梁應(yīng)力測(cè)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(gè)斷面上布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，各測(cè)試斷面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)96個(gè)，混凝土應(yīng)力測(cè)點(diǎn)170個(gè)。

2.2 位移測(cè)點(diǎn)布置

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

表1 設(shè)計(jì)荷載及對(duì)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(yàn)結(jié)果

3.1 梁體破壞形態(tài)

在試驗(yàn)加載過(guò)程中，當(dāng)跨中最大彎矩達(dá)到16 722.3 kN·m時(shí)，底板下緣出現(xiàn)橫向裂縫，此時(shí)對(duì)應(yīng)的彎矩即為消壓彎矩，相當(dāng)于1.308倍的設(shè)計(jì)荷載;當(dāng)加載至跨中最大彎矩約為18 944 kN·m時(shí)，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(shí)，U肋側(cè)面開(kāi)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(shí)，在支座附近首次出現(xiàn)斜向裂縫。

圖4 主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

在試驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)荷載加載至2.7倍的設(shè)計(jì)荷載時(shí)主梁失去承載能力，底板與U肋下方均出現(xiàn)開(kāi)裂，混凝土表面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)失效，因此本文僅分析U肋上翼緣混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的測(cè)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(jì)荷載時(shí)，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(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)壓應(yīng)變，底板上下緣鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)拉應(yīng)變。在試驗(yàn)荷載加載至2.7倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，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(shí)從圖6(b)和圖6(c)中可以看出，在試驗(yàn)荷載加載至大約2.0倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，U梁底板普通鋼筋開(kāi)始屈服，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形階段，此時(shí)各測(cè)點(diǎn)的荷載—應(yīng)變曲線呈非線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖5 混凝土表面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)荷載—應(yīng)變曲線

圖6 鋼筋縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)荷載—應(yīng)變曲線

圖7 底板鋼筋橫向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)荷載—應(yīng)變曲線

3.4 跨中截面鋼筋橫向應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

圖7給出了試驗(yàn)荷載下，跨中截面底板鋼筋橫向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果。從圖7可以看出，在試驗(yàn)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(yàn)荷載加載至2.7倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，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(jiàn)，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(cè)試結(jié)果

在試驗(yàn)荷載作用下，主梁在同一斷面各位移測(cè)點(diǎn)的豎向位移均比較接近;試驗(yàn)荷載加載至2.7倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，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(yàn)荷載加載至大約2.0倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，位移測(cè)點(diǎn)的荷載—位移曲線呈非線性遞增;在2.7倍設(shè)計(jì)荷載下持荷5 min，梁底豎向變形增量超過(guò)1 mm，可視為結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)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(jiǎn)支梁橋的破壞試驗(yàn)，對(duì)其靜力行為、抗裂性、極限承載力等進(jìn)行了研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)試驗(yàn)得到的消壓彎矩為16 722 kN·m，相當(dāng)約1.31倍設(shè)計(jì)荷載，試驗(yàn)梁破壞荷載為2.7倍設(shè)計(jì)荷載，表明結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的安全儲(chǔ)備。

2)在加載到2.0倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，U形梁開(kāi)始進(jìn)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(guò)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(guò)程中，鋼筋應(yīng)變具有明顯的屈服平臺(tái)。

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

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

［2］歐陽(yáng)輝來(lái)，王東民，劉蘭．槽形梁設(shè)計(jì)、研究與體會(huì)［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(bào)，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(yàn)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(guó)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(yàn)與計(jì)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。