石龍

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

21 世紀(jì)初，我國在秦沈客運(yùn)專線建設(shè)中開始應(yīng)用跨度24 m 標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁，確立了梁場(chǎng)預(yù)制、運(yùn)梁車運(yùn)輸、架橋機(jī)架設(shè)的高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁施工模式［1］。2007年鄭西高速鐵路建設(shè)中，首次應(yīng)用并定型了350 km/h的32 m 標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁，梁高取3.0 m。后期發(fā)布的通用參考圖中箱梁結(jié)構(gòu)尺寸除橋面寬度外其余參數(shù)均變化不大［2-3］，特別是跨中腹板厚度，因采用預(yù)應(yīng)力雙排布束，受制于管道間距的構(gòu)造要求，均為450 mm。隨著高速鐵路簡(jiǎn)支箱梁應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累、預(yù)應(yīng)力體系的發(fā)展，32 m標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁存在一定的優(yōu)化空間［4-5］。

2017 年以來，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所結(jié)合國鐵集團(tuán)科研課題，開展了350 km/h 32m 簡(jiǎn)支箱梁的優(yōu)化工作，結(jié)合應(yīng)用需求對(duì)優(yōu)化后的32 m 簡(jiǎn)支箱梁制作了足尺試驗(yàn)梁進(jìn)行試驗(yàn)研究。為評(píng)估箱梁的整體受力和變形是否滿足設(shè)計(jì)要求，有必要開展足尺試驗(yàn)梁的1.2級(jí)靜載彎曲試驗(yàn)，開裂、重裂試驗(yàn)和2.0 級(jí)破壞性試驗(yàn)。本文對(duì)試驗(yàn)中的箱梁應(yīng)變、撓度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，為優(yōu)化箱梁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供支撐。

1 足尺試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

結(jié)合高速鐵路箱梁前期設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成果［6］，提出梁高為2.8，3.0 m共2種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案［7-8］。足尺試驗(yàn)梁為梁高2.8 m箱梁優(yōu)化方案，截面尺寸見圖1。與既有32 m 箱梁相比，腹板預(yù)應(yīng)力采用單排布束，腹板厚度由450 mm減小為360 mm。

圖1 32 m足尺試驗(yàn)梁截面尺寸（單位：mm）

1.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

32 m 箱梁主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。與既有32 m 箱梁相比，優(yōu)化足尺試驗(yàn)梁的混凝土用量減少了12%，基頻與撓跨比均有所降低。

表1 32 m箱梁主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 試驗(yàn)加載及測(cè)點(diǎn)布置

2.1 試驗(yàn)加載

靜載試驗(yàn)包含1.2級(jí)靜載彎曲試驗(yàn)，開裂、重裂試驗(yàn)和2.0 級(jí)破壞性試驗(yàn)。采用縱向5 排加載方式，每排間距4 m。每排橫向采用2點(diǎn)加載，加載點(diǎn)作用于箱梁腹板中心處頂板，加載圖示見圖2。試驗(yàn)加載采用靜載試驗(yàn)自動(dòng)加載系統(tǒng)，可控制各級(jí)單頂力偏差在0.5%以內(nèi)。試驗(yàn)加載荷載考慮橋面二期恒載尚未施加及預(yù)應(yīng)力收縮徐變損失尚未完成等因素，箱梁各級(jí)荷載下單頂力見表2。

圖2 靜載試驗(yàn)加載圖式（單位：mm）

表2 靜載試驗(yàn)箱梁各級(jí)荷載下單頂力 kN

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

1）跨中底板底面測(cè)點(diǎn)

在跨中截面底板底面沿梁體縱向3 m 范圍內(nèi)布置外貼式鋼弦應(yīng)變計(jì)（圖3），共30個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖3 底板底面測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

2）跨中截面及1/4截面測(cè)點(diǎn)

在跨中截面布置外貼振弦應(yīng)變計(jì)（圖4），共22 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖4 跨中截面測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

3）百分表測(cè)點(diǎn)布置

在跨中截面和兩端支座中心線截面左右各布置1個(gè)百分表測(cè)試梁體跨中撓度，共6個(gè)百分表。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 靜載彎曲試驗(yàn)

1）跨中撓度

1.2級(jí)靜載彎曲試驗(yàn)箱梁跨中撓度見圖5?？梢姡孩傧淞嚎缰袚隙扰c單頂力保持良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.999，荷載作用下梁體處于線彈性工作狀態(tài)。②箱梁實(shí)測(cè)跨中靜活載撓度為5.78 mm，對(duì)應(yīng)撓跨比1/5 413，小于設(shè)計(jì)撓跨比1/4 193，箱梁豎向剛度滿足要求。③根據(jù)撓度結(jié)果推算出試驗(yàn)時(shí)箱梁梁體平均彈性模量為45.8 GPa。

圖5 1.2級(jí)靜載彎曲試驗(yàn)箱梁跨中撓度

2）跨中截面中性軸高度

1.2 級(jí)靜載彎曲試驗(yàn)箱梁跨中截面沿梁高的應(yīng)變見圖6?？芍篕=1.0級(jí)與K=1.2級(jí)時(shí)實(shí)測(cè)箱梁截面中性軸高度分別為1.838，1.875 m，平均值為1.864 m，與設(shè)計(jì)值1.820 m接近。

圖6 1.2級(jí)靜載彎曲試驗(yàn)箱梁跨中截面沿梁高的應(yīng)變

3）跨中底緣應(yīng)變

圖7 1.2級(jí)靜載彎曲試驗(yàn)箱梁跨中底緣應(yīng)變

1.2 級(jí)靜載彎曲試驗(yàn)箱梁跨中底緣（3.0 m 范圍內(nèi)）應(yīng)變見圖7。可見：①箱梁跨中截面底緣各測(cè)點(diǎn)的混凝土實(shí)測(cè)應(yīng)變與單頂力呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.999，未出現(xiàn)明顯增大或減小的現(xiàn)象，箱梁混凝土處于彈性工作狀態(tài)；②加載至1.2 倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)箱梁跨中下緣混凝土實(shí)測(cè)平均應(yīng)力為13.99 MPa（彈性模量取45.8 GPa），與理論計(jì)算值12.51 MPa接近。

3.2 開裂、重裂試驗(yàn)

1）應(yīng)變測(cè)試

開裂試驗(yàn)箱梁跨中底緣應(yīng)變見圖8?？芍?，當(dāng)K＜1.40 級(jí)時(shí)，實(shí)測(cè)應(yīng)變與加載荷載有較好的線性關(guān)系；當(dāng)K在 1.40～1.45 級(jí)時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變出現(xiàn)了拐點(diǎn)；繼續(xù)加載，部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)變急劇增大，兩側(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變有所減小，表明箱梁截面底緣出現(xiàn)了裂縫。

圖8 開裂試驗(yàn)箱梁跨中底緣應(yīng)變

開裂試驗(yàn)箱梁首條裂縫出現(xiàn)在4#測(cè)點(diǎn)，其應(yīng)變見圖9。理論應(yīng)變按全截面計(jì)算，彈性模量取靜載實(shí)測(cè)彈性模量?？芍?，箱梁跨中開裂荷載約為1 340 kN，對(duì)應(yīng)梁體抗裂安全系數(shù)為1.434，與設(shè)計(jì)值1.440接近。

圖9 開裂試驗(yàn)箱梁首條裂縫區(qū)域應(yīng)變

4#測(cè)點(diǎn)開裂與重裂試驗(yàn)應(yīng)變對(duì)比見圖10?？芍寒?dāng)K＜1.15 級(jí)時(shí)，重裂試驗(yàn)與開裂試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變吻合良好，表明梁體底緣尚未消壓；當(dāng)K≥1.15 級(jí)以后，重裂試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽恐饾u增大，表明梁體底緣消壓后裂縫張開?？芍愠咴囼?yàn)梁跨中重裂荷載約為962 kN，對(duì)應(yīng)荷載等級(jí)為1.121，略大于設(shè)計(jì)值1.090。

圖10 4#測(cè)點(diǎn)開裂、重裂試驗(yàn)應(yīng)變對(duì)比

2）撓度測(cè)試

開裂試驗(yàn)箱梁跨中撓度見圖11?？芍寒?dāng)K≤1.50時(shí)，撓度與荷載具有良好的線性關(guān)系；當(dāng)K＞1.50 級(jí)時(shí)，由于裂縫的出現(xiàn)梁體剛度降低，撓度與荷載關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。撓度拐點(diǎn)相比應(yīng)變拐點(diǎn)有所滯后。

圖11 開裂試驗(yàn)箱梁跨中撓度

開裂、重裂試驗(yàn)箱梁跨中撓度結(jié)果對(duì)比見圖12。可知：當(dāng)K≤1.30 級(jí)時(shí)，重裂試驗(yàn)與開裂試驗(yàn)跨中撓度基本一致；當(dāng)K＞1.3 級(jí)時(shí)，重裂試驗(yàn)與開裂試驗(yàn)跨中撓度有一定差異。

圖12 開裂、重裂試驗(yàn)箱梁跨中撓度結(jié)果對(duì)比

3.3 2.0級(jí)破壞性試驗(yàn)

2.0級(jí)破壞性試驗(yàn)裂縫分布如圖13所示。試驗(yàn)梁在破壞試驗(yàn)階段裂縫開展情況如下：①K＞1.65 級(jí)時(shí)，箱梁跨中6.0 m 范圍內(nèi)的下緣陸續(xù)產(chǎn)生新的彎曲裂縫，靠近箱梁跨中L/4～3L/8的腹板陸續(xù)產(chǎn)生新的彎剪斜裂縫，并延伸至底板。②K＞1.80 級(jí)時(shí)，靠近箱梁梁端L/10～L/4的腹板陸續(xù)產(chǎn)生腹剪斜裂縫，未延伸至底板（首條腹剪斜裂縫于重裂試驗(yàn)K=1.80 級(jí)時(shí)產(chǎn)生）。③K=1.90 級(jí)時(shí)，跨中彎曲裂縫、斜裂縫延伸至腹板與翼緣板圓倒角處。④K=2.00 級(jí)時(shí)，梁體裂縫分布均勻，裂縫形態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)正常，跨中裂縫間距在15～25 cm，裂縫寬度約0.8 mm，梁端腹剪裂縫寬度在0.25～0.40 mm，梁體未出現(xiàn)混凝土壓潰或預(yù)應(yīng)力鋼絞線斷絲等破壞跡象。⑤卸載后跨中裂縫基本閉合，梁端腹剪斜裂縫有所殘余，梁體撓度基本恢復(fù)（殘余量2.6%）?？傮w上試驗(yàn)梁強(qiáng)度安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。

圖13 2.0級(jí)破壞性試驗(yàn)裂縫分布（單位：m）

4 結(jié)論

1）足尺試驗(yàn)梁1.2 級(jí)荷載作用下的靜活載撓度、跨中截面應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，截面中性軸高度與設(shè)計(jì)值接近。

2）足尺試驗(yàn)梁應(yīng)變測(cè)試得到的開裂荷載等級(jí)為1.434，重裂荷載等級(jí)為1.121，與設(shè)計(jì)值接近。

3）2.0 級(jí)破壞性試驗(yàn)，梁體裂縫形態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)正常，未出現(xiàn)混凝土壓潰或預(yù)應(yīng)力鋼絞線斷絲等破壞跡象，卸載后梁體跨中正截面裂縫閉合、撓度基本恢復(fù)。

4）優(yōu)化后箱梁的各項(xiàng)靜載受力指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。