班新林，石　龍( ．中國鐵道科學(xué)研究院，北京　0008; ．中國鐵道科學(xué)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(yàn)分析

班新林1，石龍2
( 1．中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081; 2．中國鐵道科學(xué)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在中運(yùn)量軌道交通中顯現(xiàn)一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(yàn)證設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)質(zhì)量，展開靜載試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用分配梁進(jìn)行4點(diǎn)同步加載至1. 2級(jí)抗裂荷載，測(cè)試梁體變形和混凝土應(yīng)變。試驗(yàn)結(jié)果表明，該P(yáng)C梁的剛度和抗裂安全性均滿足規(guī)范規(guī)定和設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞:跨座式輕軌PC軌道梁抗裂荷載靜載試驗(yàn)

我國跨座式單軌交通用作城市客運(yùn)交通的首條線路，是2000年動(dòng)工建設(shè)的重慶市軌道交通2號(hào)線(較新線)。線路由市中心解放碑地區(qū)的較場(chǎng)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(shè)有18座車站。隨后修建的重慶軌道交通3號(hào)線也采用跨座式單軌系統(tǒng)。

跨座式單軌是一種優(yōu)勢(shì)獨(dú)特的中運(yùn)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(zhuǎn)向架的兩側(cè)有導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪，夾行于軌道梁兩側(cè)(圖1)。軌道梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，梁軌合一，對(duì)列車起承載導(dǎo)向穩(wěn)定作用。目前國內(nèi)跨座式單軌PC梁的跨度一般為22和25 m。本文針對(duì)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(yàn)證設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)PC梁性能，展開靜載試驗(yàn)研究。

圖1重慶單軌2號(hào)線

1　試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

1. 1結(jié)構(gòu)形式

試驗(yàn)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(shè)橫隔板，梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(yù)應(yīng)力鋼筋采用7?5(公稱直徑15. 24 mm)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每束由4或5根鋼絞線組成。采用內(nèi)徑?50 mm波紋管形成管道。試驗(yàn)梁在終張拉49 d后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)梁按實(shí)際曲線梁的墩梁布置方式放置在試驗(yàn)支墩上，梁面超高為3. 858%。

1. 2設(shè)計(jì)活載

采用實(shí)際運(yùn)營車輛作為設(shè)計(jì)活載，活載圖式見圖2，滿員時(shí)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(shè)計(jì)活載圖式(單位: mm)

2　試驗(yàn)方案

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，參照《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50458—2008)和《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(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》( TB /T 2092—2003)相關(guān)要求制定試驗(yàn)方案。

2. 1加載圖式

根據(jù)設(shè)計(jì)單位要求，試驗(yàn)梁靜載試驗(yàn)采用4點(diǎn)加載。加載圖式見圖3，加載點(diǎn)間距考慮最不利車輛軸位布置。加載裝置采用兩個(gè)分載梁，一個(gè)千斤頂?shù)募虞d力平均分配至兩個(gè)加載點(diǎn)上，由分載梁中部的橫向水平傳力裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)梁橫向水平加載。加載橫斷面如圖4所示。

圖3靜載試驗(yàn)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(yàn)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(yù)應(yīng)力損失作用下的跨中彎矩，以各級(jí)加載荷載作用下的跨中彎矩與相應(yīng)的設(shè)計(jì)荷載作用下的跨中彎矩相等為原則，確定靜載試驗(yàn)每級(jí)荷載下每個(gè)加載點(diǎn)的加載力。

加載值作用下的跨中彎矩

各級(jí)荷載作用下的跨中彎矩

基數(shù)級(jí)跨中彎矩

靜活載級(jí)跨中彎矩

式中:α為加載圖式相應(yīng)的跨中彎矩系數(shù); Pk為加載圖式中的加載值; K為加載級(jí); 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(yàn)時(shí)未完成的預(yù)應(yīng)力損失引起的跨中彎矩; Ms為加載設(shè)備引起的跨中彎矩; 1 + h為設(shè)計(jì)活載對(duì)應(yīng)的沖擊系數(shù)。

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

表1抗裂荷載靜載試驗(yàn)加載值

2. 3測(cè)點(diǎn)布置

1)跨中及1 /4截面外貼鋼弦應(yīng)變計(jì)

在跨中截面和兩個(gè)1 /4截面布置外貼鋼弦應(yīng)變計(jì)。每個(gè)加載截面布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，整孔梁共計(jì)42個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置見圖5。

2)跨中梁底外貼鋼弦應(yīng)變計(jì)

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

3)變形測(cè)點(diǎn)

考慮試驗(yàn)梁受到豎向彎矩、橫向彎矩和扭矩的作用，在梁體側(cè)面和底面布置位移計(jì)測(cè)試梁體空間位移變化。測(cè)點(diǎn)共計(jì)24個(gè)。測(cè)點(diǎn)布置見圖6。

圖5外貼鋼弦應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)布置(單位: mm)

圖6位移測(cè)點(diǎn)布置(單位: mm)

3　試驗(yàn)結(jié)果

3. 1撓度

第1循環(huán)加載至設(shè)計(jì)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(guān)系見圖7。各級(jí)荷載下梁底撓度變形見圖8。

圖7跨中撓度與加載值關(guān)系

圖8各加載級(jí)下底板撓度變形

實(shí)測(cè)結(jié)果表明:加載過程中，撓度與加載值保持了較好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)＞0. 999，兩個(gè)加載循環(huán)相同加載值作用下各撓度點(diǎn)撓度值相同，說明梁體處于彈性工作狀態(tài)。實(shí)測(cè)撓度小于設(shè)計(jì)值，原因是混凝土實(shí)際彈性模量與設(shè)計(jì)值不同。兩次加載實(shí)測(cè)跨中靜活載撓度為19. 5 mm，撓跨比為1/1 496，相應(yīng)的設(shè)計(jì)值為24. 0 mm和1/1 216，梁體剛度滿足《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)撓度和理論計(jì)算撓度推算，箱梁靜載試驗(yàn)時(shí)的混凝土彈性模量為4. 62 ×104MPa。

加載至1. 2級(jí)，曲線內(nèi)外側(cè)底板撓度非常接近，曲線內(nèi)側(cè)撓度值稍微大于外側(cè)值，而理論計(jì)算曲線外側(cè)撓度稍大于曲線內(nèi)側(cè)。原因是由于施工精度的影響，加載過程中活動(dòng)支座向曲線內(nèi)側(cè)傾斜變形;實(shí)測(cè)側(cè)面上緣位移是向曲線內(nèi)側(cè)，跨中最大值為－0. 4 mm，側(cè)面下緣位移是向曲線外側(cè)，跨中最大值為0. 4 mm。

3. 2混凝土應(yīng)力

梁體跨中4. 7 m范圍內(nèi)，曲線內(nèi)外側(cè)的底板邊緣各均勻布置17只外貼鋼弦應(yīng)變計(jì)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明:跨中底板應(yīng)變與加載值呈良好線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)均＞0. 999;加載至1. 2級(jí)，跨中梁體未發(fā)現(xiàn)裂縫，證明梁體處于彈性狀態(tài)，試驗(yàn)梁抗裂性滿足設(shè)計(jì)要求。

在1. 2倍設(shè)計(jì)荷載下，實(shí)測(cè)試驗(yàn)箱梁曲線內(nèi)、外側(cè)跨中4. 7 m區(qū)域內(nèi)下緣混凝土的平均應(yīng)力分別為18. 66 MPa(應(yīng)變404×10－6)和17. 97 MPa(應(yīng)變389 ×10－6)，兩側(cè)平均值為18. 32 MPa，實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論計(jì)算值18. 58 MPa非常一致。實(shí)測(cè)應(yīng)力計(jì)算中混凝土彈性模量取推算值4. 62×104MPa。梁體跨中附近外側(cè)應(yīng)變與加載值的關(guān)系見圖9。

3. 3中性軸

加載至1. 2級(jí)荷載過程中，跨中截面(圖10)和L/4截面的腹板測(cè)點(diǎn)處混凝土應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)距離底緣的高度呈良好的線形關(guān)系，跨中截面和L/4截面中性軸高度實(shí)測(cè)平均值分別為806 cm和808 cm，考慮預(yù)應(yīng)力筋的換算界面中性軸高度理論值為828 cm，實(shí)測(cè)值與理論值比較一致。

圖9曲線外側(cè)底板應(yīng)變與加載值關(guān)系

圖10跨中截面腹板應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)高度關(guān)系

4　結(jié)論

1)兩次加載實(shí)測(cè)跨中靜活載撓度為19. 5 mm，撓跨比為1 /1 496，相應(yīng)的設(shè)計(jì)值為24. 0 mm和1 /1 216，梁體剛度滿足規(guī)范規(guī)定和設(shè)計(jì)要求。根據(jù)實(shí)測(cè)撓度和理論計(jì)算撓度推算，箱梁靜載試驗(yàn)時(shí)的混凝土彈性模量為4. 62×104MPa。

2)加載至1. 2級(jí)，試驗(yàn)梁跨中底板混凝土應(yīng)變與加載值呈線性關(guān)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(shè)計(jì)荷載下，實(shí)測(cè)試驗(yàn)箱梁跨中下緣混凝土的平均應(yīng)力18. 32 MPa，與理論計(jì)算值18. 58 MPa非常接近。

3)加載至1. 2級(jí)荷載過程中，跨中截面和L/4截面的腹板測(cè)點(diǎn)處混凝土應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)距離底緣的高度呈良好的線形關(guān)系，跨中截面和L/4截面中性軸高度實(shí)測(cè)平均值分別為806 cm和808 cm，考慮預(yù)應(yīng)力筋的換算界面中性軸高度理論值為828 cm，實(shí)測(cè)值與理論值比較一致。

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

參考文獻(xiàn)

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(責(zé)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(hào):1003-1995( 2016) 01-0020-05

中圖分類號(hào):U446．1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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