朱希同
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(zhǎng)江,經(jīng)張家港、常熟、太倉(cāng)市到上海安亭,全長(zhǎng)137.3 km,按國(guó)鐵I 級(jí)雙線標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計(jì)時(shí)速200 km。根據(jù)初步設(shè)計(jì)批復(fù)意見(jiàn)及滬通鐵路聲屏障設(shè)置情況,滬通鐵路南通至安亭段采用簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)[1-3]。
滬通鐵路全線大量采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙線及單線整孔簡(jiǎn)支箱梁[4-5],部分單線梁為適應(yīng)高架站線情況,在通橋(2014)2231-Ⅳ基礎(chǔ)上切除了懸出的單側(cè)翼緣板,對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。針對(duì)截面變化后箱梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載及運(yùn)架荷載作用下能否滿足設(shè)計(jì)要求,開(kāi)展了靜載試驗(yàn)予以驗(yàn)證。
滬通鐵路時(shí)速200 km 客貨共線32 m 單線箱梁的圖號(hào)為滬通施(橋)參-Ⅲ-11,是在橋(2014)2231-Ⅳ的基礎(chǔ)上切除單側(cè)翼緣板而成,采用單箱單室截面(見(jiàn)圖1)。梁體采用C50 混凝土,預(yù)應(yīng)力鋼絞線公稱直徑為15.2 mm,強(qiáng)度等級(jí)為1 860 MPa,彈性模量為195 GPa。箱梁寬6.48 m,長(zhǎng)32.6 m,計(jì)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(shè)計(jì)活載采用中-活載。
圖1 滬通鐵路32m單線箱梁截面(單位:mm)
靜載試驗(yàn)內(nèi)容主要包含靜載彎曲抗裂試驗(yàn)、梁端受力性能試驗(yàn)和橋面板受力性能試驗(yàn)3部分。
1)靜載彎曲抗裂試驗(yàn)在梁體跨中采用縱向5排每排2 點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)采用在梁體跨中縱向3排每排2點(diǎn)集中力+梁端靠近支座中心線處1排2點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)集中力間距為2.96 m。
3)橋面板受力性能試驗(yàn)采用單排集中力、特種活載、27 t 軸重貨車單個(gè)轉(zhuǎn)向架和橋面板應(yīng)力影響線4種荷載進(jìn)行加載。其中單排集中力、特種活載和27 t軸重貨車單個(gè)轉(zhuǎn)向架作用在跨中截面。橋面板應(yīng)力影響線加載采用270 kN 的集中力對(duì)影響線共15 個(gè)加載點(diǎn)進(jìn)行加載,加載點(diǎn)間距分別為1 100,550和275 mm。橋面板受力影響線加載方式見(jiàn)圖2,圖中顯示的是對(duì)稱布置的一半。
圖2 橋面板受力影響線加載方式(單位:mm)
2.2.1 靜載彎曲抗裂試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)
對(duì)于梁體變形測(cè)試,在箱梁跨中截面和兩端支座中心線截面共布置了6 個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)(百分表),每個(gè)截面2 個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。對(duì)于混凝土應(yīng)變測(cè)試,箱梁跨中截面左、右側(cè)腹板底緣3 m 范圍內(nèi)各布置縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)15個(gè),測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。
圖3 跨中截面底部混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)
2.2.2 梁端受力性能試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)
在梁端受力性能試驗(yàn)中,在梁端、腹板外側(cè)、頂板底面和底板頂面布置外貼式鋼弦應(yīng)變計(jì)。梁端測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。
2.2.3 橋面板受力性能試驗(yàn)
在橋面板受力性能試驗(yàn)中,在頂板底面沿縱向、橫向,跨中截面腹板內(nèi)外側(cè)以及腹板上方頂板內(nèi)分別布設(shè)鋼弦應(yīng)變計(jì)。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。
圖4 梁端測(cè)點(diǎn)布置
圖5 頂板底面測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)
2.3.1 靜載彎曲抗裂試驗(yàn)
靜載彎曲抗裂試驗(yàn)加載值見(jiàn)表1。加載分2 個(gè)循環(huán),第1循環(huán)加載至1.0級(jí),第2循環(huán)加載至1.2級(jí)。
表1 靜載彎曲抗裂試驗(yàn)加載值
2.3.2 梁端受力性能試驗(yàn)
梁端受力性能試驗(yàn)加載值見(jiàn)表2。加載分2 個(gè)循環(huán),第1 循環(huán)加載至模擬運(yùn)營(yíng)最大支反力工況(1 768 kN);第2 循環(huán)加載至模擬運(yùn)架最大支反力工況(2 320 kN)。
2.3.3 橋面板受力性能試驗(yàn)
橋面板受力性能試驗(yàn)加載值見(jiàn)表3。試驗(yàn)分別對(duì)單點(diǎn)加載、特種活載、27 t軸重貨車單個(gè)轉(zhuǎn)向架加載和影響線加載進(jìn)行了2個(gè)加載循環(huán)測(cè)試。其中單點(diǎn)加載采用250 kN和270 kN共2個(gè)加載級(jí)。
表2 梁端受力性能靜載試驗(yàn)加載值
表3 橋面板受力性能試驗(yàn)加載值
靜載彎曲抗裂試驗(yàn)中,實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值均小于設(shè)計(jì)值(1/3915),梁體剛度滿足規(guī)范要求[7]。第2 加載循環(huán)實(shí)測(cè)跨中撓度見(jiàn)圖6??梢?jiàn)跨中實(shí)測(cè)撓度與荷載呈線性關(guān)系,梁體處于彈性工作狀態(tài)。撓度實(shí)測(cè)值與理論值有差異主要是因?yàn)榛炷翉椥阅A颗c設(shè)計(jì)彈性模量不一致。根據(jù)實(shí)測(cè)撓度反推靜載試驗(yàn)過(guò)程中的梁體實(shí)際彈性模量為38.1 GPa。
圖6 第2加載循環(huán)實(shí)測(cè)跨中撓度
第2 循環(huán)加載至1.2 倍設(shè)計(jì)荷載過(guò)程中,跨中截面下緣3.0 m 范圍內(nèi)底板兩側(cè)混凝土應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果相同,跨中下緣混凝土平均應(yīng)力為8.80 MPa(彈性模量取38.1 GPa),與理論計(jì)算值8.81 MPa 一致??缰械装逵覀?cè)應(yīng)變與荷載的關(guān)系見(jiàn)圖7??梢?jiàn)跨中截面下緣各測(cè)點(diǎn)的混凝土實(shí)測(cè)應(yīng)變與加載值保持線性關(guān)系,未出現(xiàn)明顯增大或減小的現(xiàn)象。梁體混凝土拉應(yīng)力最大區(qū)域處于彈性狀態(tài),加載過(guò)程中梁體沒(méi)有開(kāi)裂,抗裂安全性滿足規(guī)范要求[8]。
圖7 跨中底板右側(cè)應(yīng)變與荷載的關(guān)系
梁端受力性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8??芍憾隧敯甯拱宓菇翘?,除5#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值略大于理論值外,其余各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值均小于理論值,實(shí)測(cè)5#測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)力最大值為 4.27 MPa(120×10-6),出現(xiàn)在第 9 級(jí)加載時(shí);梁端底板腹板倒角處實(shí)測(cè)拉應(yīng)力最大值為4.22 MPa,小于理論值,出現(xiàn)在第3 級(jí)加載時(shí);梁端頂板底面橫向拉應(yīng)力實(shí)測(cè)值比理論值大,隨著加載級(jí)遞增拉應(yīng)力有所增大,最大為4.71 MPa(133×10-6);試驗(yàn)過(guò)程中,進(jìn)人孔各測(cè)點(diǎn)橫向受壓,考慮自重及預(yù)應(yīng)力后橫向壓應(yīng)力在0.5 MPa 以上;梁端受力性能試驗(yàn)全過(guò)程各測(cè)點(diǎn)處均未開(kāi)裂,結(jié)構(gòu)受力安全。
圖8 梁端受力性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
采用實(shí)體有限元模型對(duì)橋面板受力性能進(jìn)行了計(jì)算。橋面板受力性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9。
由圖9(a)可知:?jiǎn)吸c(diǎn)加載和特種活載加載工況,實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力為2.91 MPa大于理論值(1.75 MPa);27 t 軸重貨車單個(gè)轉(zhuǎn)向架加載工況,實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力為1.97 MPa,大于理論值(1.36 MPa);試驗(yàn)中箱梁頂板底面橫向受拉,實(shí)測(cè)最大拉力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度容許值,測(cè)試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)混凝土開(kāi)裂。
圖9 橋面板受力性能測(cè)試結(jié)果
由圖9(b)可知:?jiǎn)吸c(diǎn)加載和特種活載加載工況,實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力為1.75 MPa,大于理論值(1.07 MPa),實(shí)測(cè)豎向最大壓應(yīng)力為-2.38 MPa,超過(guò)理論值(-1.87 MPa);27 t軸重貨車單個(gè)轉(zhuǎn)向架加載工況,實(shí)測(cè)跨中腹板頂部豎向最大拉應(yīng)力為1.28 MPa,大于理論值(0.84 MPa),實(shí)測(cè)豎向最大壓應(yīng)力為-1.56 MPa,超過(guò)理論值(-1.46 MPa);試驗(yàn)中實(shí)測(cè)拉、壓應(yīng)力均小于混凝土強(qiáng)度容許值,測(cè)試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)混凝土開(kāi)裂。
由圖9(c)、圖9(d)可知:270 kN 集中力沿縱向加載15個(gè)點(diǎn),總體上影響線變化趨勢(shì)符合理論預(yù)期,荷載主要對(duì)加載點(diǎn)4~6 m范圍內(nèi)混凝土應(yīng)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(duì)應(yīng)腹板上方)橫向均受拉,腹板頂部外側(cè)豎向受拉,內(nèi)側(cè)豎向受壓。
滬通鐵路時(shí)速200 km 客貨共線32 m 單線箱梁(圖號(hào)滬通施(橋)參-Ⅲ-11)靜載試驗(yàn)結(jié)果如下:
1)靜載彎曲試驗(yàn)結(jié)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(shè)計(jì)值,梁體剛度滿足設(shè)計(jì)要求;在1.2 倍設(shè)計(jì)荷載作用下,實(shí)測(cè)跨中下緣應(yīng)變與荷載呈線性關(guān)系,梁體處于彈性狀態(tài),沒(méi)有發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,梁體抗裂性能滿足設(shè)計(jì)要求。
2)梁端受力性能試驗(yàn)結(jié)果表明,加載至架梁最大支反力時(shí),梁端端面最大拉應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值比較一致,測(cè)試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)裂縫,結(jié)構(gòu)受力安全。
3)橋面板受力性能試驗(yàn)結(jié)果表明,梁體頂板底面橫向拉應(yīng)力最大值為2.91 MPa,腹板外側(cè)頂部豎向拉應(yīng)力最大為1.75 MPa,均發(fā)生于特種活載加載時(shí);測(cè)試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)裂縫,結(jié)構(gòu)受力安全。
4)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,滬通鐵路時(shí)速200 km 客貨共線通用32 m單線箱梁(圖號(hào)滬通施(橋)參-Ⅲ-11)的各項(xiàng)受力性能符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。