周 帥，聶建國，方 聰，羅桂軍

（1.中國建筑集團有限公司，北京 100013；2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004；3.清華大學 土木水利學院，北京 100084）

發(fā)展軌道交通是解決城市交通擁堵、實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的主要方式之一。地鐵建設(shè)投資大（＞6 億元·km-1）、運輸能力強（＞單向6 萬人次·h-1）、運營成本高，主要用于人流集中的一線特大型城市。在廣大的二三線中小城市，客流需求相對較小、地方財政相對較弱，以跨座式單軌為代表的中運量軌道交通可滿足客運需求，且建設(shè)投資只有地鐵的1/3～1/4，是合理的軌道交通制式選擇[1-2]。

跨座式單軌交通是一種車輛騎跨在軌道梁上走行的交通制式，如圖1所示。目前在全球范圍內(nèi)運營里程不足600 km，技術(shù)研發(fā)尚顯不足。這類軌道交通制式的顯著特點是“梁軌合一”，軌道梁既是承重結(jié)構(gòu)，也是走行軌道，毫米級的線形精度是關(guān)鍵技術(shù)之一?；炷淋壍懒航ㄔ斐杀镜?，運營平穩(wěn)性好，卻面臨著毫米級成橋線形精度的重大質(zhì)量風險，已經(jīng)通車的重慶軌道交通2，3號線和在建的廣西柳州軌道2號線均有體現(xiàn)；全鋼結(jié)構(gòu)軌道梁線形精度易于保障、建設(shè)工期短，但經(jīng)濟成本高、運營噪聲大、走行面耐候問題突出。因此，采用大跨徑鋼-混凝土組合軌道梁結(jié)構(gòu)形式，揚長避短，是技術(shù)突破的方向之一。

圖1 廣西柳州跨座式單軌交通

采用剪力群釘?shù)姆绞?，可以實現(xiàn)組合軌道梁的下部鋼箱和上部混凝土板均在工廠預制，現(xiàn)場裝配化施工，縮短建設(shè)工期，降低預制梁廠費用，緩解混凝土板材料收縮徐變引起的質(zhì)量風險。聶建國等建立和發(fā)展了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的等效剛度理論，對滿鋪剪力釘、開孔鋼板、型鋼等組合結(jié)構(gòu)連接件做了大量的研究，并取得了很好的實踐應(yīng)用效果[3-4]。當前，關(guān)于群釘連接鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用則相對較少，葉梅新等對蕪湖長江大橋群釘組合鋼-混凝土主梁極限承載力開展了研究[5]；李成君對裝配式鋼-混凝土組合梁群釘構(gòu)造及受力開展了相關(guān)研究[6]；項貽強等對復雜應(yīng)力條件下快速施工鋼-混組合梁群釘性能進行了分析[7]；邵旭東等對群釘鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)層間剪切性能進行了研究[8-9]。組合梁群釘連接不同于剪力釘均勻滿鋪，平截面假定適用性問題、等效剛度折減等問題需要進一步研究[10-11]。

本文基于實際的工程參數(shù)，按照1∶3的縮尺比設(shè)計制作群釘連接裝配式組合軌道梁模型，全過程模擬構(gòu)件預制、裝配施工等主要過程，分別測試裝配前、裝配后的靜動力特性，研究群釘連接裝配式組合軌道梁的受力特性。

1 工程背景

龐巴迪車輛制式跨座式單軌雙線車輛-軌道梁幾何相對關(guān)系示意如圖2所示。雙線線間距4.6 m，簡支50 m跨徑雙線鋼-混凝土組合軌道梁梁高3.1 m，上部混凝土板厚度32 cm，寬度69 cm，下部鋼箱高度278 cm，單片軌道梁寬高比達到1∶4.5，高跨比1∶16。

圖2 車輛-軌道梁幾何關(guān)系（單位：mm）

組合軌道梁上部混凝土板尺寸如圖3所示，剪力預留槽尺寸為21 cm×90 cm，縱向中心距270 cm，橫向錯位布置，以降低“無釘區(qū)”長度?；炷涟逶诠S預制、養(yǎng)生完成后運抵現(xiàn)場，與下部鋼箱梁群釘對孔裝配，后澆剪力預留槽高性能混凝土，實現(xiàn)鋼箱-混凝土板組合。

圖3 預制混凝土板群釘槽口平面布置圖（單位：mm）

2 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

依據(jù)鋼-混凝土組合軌道梁原型尺寸，按照1∶3的幾何縮尺比設(shè)計制作鋼-混凝土組合軌道梁試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

試驗梁下部鋼箱（簡稱鋼梁）和上部混凝土板獨立、分開預制，分別如圖4和圖5所示。剪力群釘在設(shè)計指定位置與鋼箱焊接，混凝土板按設(shè)計位置及尺寸預留剪力預留槽。

圖4 鋼梁

圖5 預制混凝土板

預制混凝土板養(yǎng)生完成后，運至鋼梁位置吊裝與剪力群釘對孔裝配，如圖6所示，后澆群釘預留槽高性能混凝土，形成鋼-混凝土組合軌道梁（簡稱組合梁）。

圖6 預制裝配組合梁

集中荷載作用下簡支梁的撓度計算式為

式中：S為組合梁跨中豎向撓度；P為簡支組合梁跨中集中荷載；L為組合梁計算跨徑；EI為組合梁截面剛度。

由式（1）得到組合梁等效豎彎剛度P/S為

鋼梁、混凝土板連接界面無滑移和平截面假定是組合梁等效豎彎剛度理論建模的前提條件，傳統(tǒng)均勻滿鋪剪力釘組合結(jié)構(gòu)基本能滿足基本假設(shè)，剪力釘集中非均勻布置條件下的組合梁群釘連接存在無釘區(qū)受力問題，傳統(tǒng)理論適應(yīng)性將通過有限元計算和試驗實測進行驗證。

3 組合梁動力特性

3.1 試驗方案

鋼梁、組合梁梁體放置于實驗室平整地坪上，梁端底部通過臨時滾軸支座支撐于地面，梁端可以有扭轉(zhuǎn)自由度，約束3向平動自由度，模擬簡支邊界條件。測試所用傳感器為拾振器，采樣頻率為1 000 Hz。

由于梁體較重，且加載位置空間與技術(shù)受限，動力測試采用人體跳躍方式對梁體進行激振，以獲取結(jié)構(gòu)上多點的自由衰減時程曲線，而后通過自由振動法，即采用FFT（快速傅里葉變換法）以及對數(shù)衰減率法，完成對該軌道梁的頻率與阻尼比獲取[12]。

3.2 實測結(jié)果與討論

裝配前鋼梁和裝配后組合梁實測時程曲線和頻譜分別如圖7—圖10所示。由圖7—圖10可見：時程曲線呈現(xiàn)“拍現(xiàn)象”；FFT頻譜分析得到鋼梁、組合梁的1階豎向彎曲固有頻率分別為29.9 和32.2 Hz。

圖7 裝配前鋼梁跨中加速度時程曲線

圖8 裝配前鋼梁跨中頻譜

圖9 裝配后組合梁跨中加速度時程曲線

圖10 裝配后組合梁跨中頻譜

表1給出了3種方法得到的鋼梁、組合梁豎向彎曲固有頻率結(jié)果。其中，實測值為根據(jù)傳感器實測數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果，計算值為根據(jù)有限元方法計算結(jié)果，理論值為界面無滑移鋼-混凝土組合等效剛度理論結(jié)果[13-14]。

表1 豎彎固有頻率結(jié)果對比

鋼梁為規(guī)則的鋼結(jié)構(gòu)，實測值29.9 Hz 與計算值29.6 Hz 基本一致。混凝土板與鋼梁組合以后，提高了整體豎彎剛度，也增加了等效質(zhì)量，組合梁實測固有頻率為32.2 Hz，略高于鋼梁29.9 Hz。值得注意的是，組合梁實測值高于計算值，也高于理論值，原因可歸結(jié)于激振方式和梁體剛度的非線性。由于組合梁剛度較大，人體跳躍對梁體的激振幅度相對較小，沒有能夠真實反映在大振幅作用下，群釘連接裝配式組合梁等效剛度的折減效應(yīng)，甚至由于預制混凝土板與鋼梁的表面接觸、摩擦等因素作用提高了梁體剛度的非線性，小幅荷載激勵無法消除這一影響，使得實測結(jié)果偏大。

4 組合梁靜力性能

4.1 試驗方案

如圖6所示，雙線組合梁簡支支撐于地面臺座，通過試驗機進行單側(cè)加載，梁底設(shè)置接觸式位移計與千分表，測試梁底的豎向位移值，沿組合梁長度方向梁端（A1和A5）、四分點（A2和A4）、跨中（A3），雙線組合梁左右2幅共布設(shè)20個測量點。位移計量程有50和100 mm 2種，千分表量程有12 和25 mm 2種，靈敏度為0.002 mm。作用于梁體的加載點采用滾軸支撐的方式，減小與梁體表面的摩擦。

混凝土板與鋼梁之間設(shè)置傳感器，采用量程為12 mm的千分表，分別測量荷載作用下跨中、支座處、預制板濕接縫連接處、2側(cè)剪力槽邊緣處混凝土板與鋼梁界面滑移值。沿組合梁截面高度設(shè)置應(yīng)變片，測量截面高度應(yīng)變數(shù)據(jù)，研究荷載作用下下部鋼梁和上部混凝土板在同一截面的變形協(xié)調(diào)特征。

4.2 實測結(jié)果

不同荷載作用下，加載側(cè)軌道梁的撓度曲線如圖11所示。圖中：A1—A5分別對應(yīng)支點、四分點及跨中的平面位置。由圖11可見：軌道梁的撓度隨荷載的增加而增加，跨中撓度大于四分點撓度；梁底最大豎向撓度達到27.5 mm。

圖11 不同荷載作用下梁體加載側(cè)撓度曲線

單側(cè)加載作用下，雙線軌道梁撓度橫向分布如圖12所示，圖中：A2，B2為加載側(cè)梁體左四分點測點；C2，D2為非加載側(cè)梁體左四分點測點。由圖12可見，加載側(cè)梁體撓度顯著大于非加載側(cè)，橫向約束作用有限，以下將以加載側(cè)梁體撓度為例進行等效剛度評價。

圖12 不同荷載作用下跨中梁體雙側(cè)撓度橫向分布

采用單側(cè)加載的方式，集中荷載作用在組合梁跨中位置頂面，提取加載側(cè)軌道梁梁底豎向位移作為組合梁最大撓度，荷載等級以100 kN為間隔，加載到800 kN，作用點混凝土局部壓碎破壞，組合梁喪失協(xié)同變形能力。

3種方法得到的組合梁的荷載-最大豎向撓度曲線如圖13所示。圖中，計算值為根據(jù)組合梁模型實際尺寸進行有限元建模計算得到的結(jié)果，理論值是根據(jù)界面無滑移鋼-混凝土組合等效剛度理論得到的結(jié)果。由圖13可見：有限元和理論計算得到的荷載-最大豎向撓度曲線呈線性關(guān)系，而試驗實測得到荷載-撓度曲線呈現(xiàn)非線性特征；同一等級荷載作用下，豎向撓度計算值總體大于理論值。

圖13 組合梁荷載-最大豎彎撓度曲線

根據(jù)式（2）和圖13荷載-豎向撓度關(guān)系，可以得到基于有限元計算、試驗實測、理論計算3種不同方法的鋼梁、組合梁等效豎彎剛度，結(jié)果見表3。由表3可知：鋼梁材質(zhì)單一，結(jié)構(gòu)規(guī)則，所得等效豎彎剛度較為穩(wěn)定，計算值和理論值一致，均為21.4 kN·mm-1，試驗實測值為21.1 kN·mm-1，偏差在2%以內(nèi)；由于考慮了混凝土板和鋼梁界面的滑移，等效豎彎剛度有所折減，組合梁等效豎彎剛度計算值為31.5 kN·mm-1，小于不考慮界面滑移的理論值32.5 kN·mm-1。由圖13可知，組合梁實測豎向撓度并非隨著荷載的增加呈現(xiàn)線性關(guān)系，以500 kN荷載為界，小幅荷載作用下（＜500 kN），組合梁實測豎向撓度小于理論值，大幅荷載作用下（＞500 kN），組合梁實測豎向撓度大于理論值，因此，組合梁實測等效豎彎剛度并非恒定值，而表現(xiàn)出區(qū)間非線性效應(yīng)，實測組合梁最小、最大等效豎彎剛度分別為29.1和35.9 kN·mm-1，分別對應(yīng)理論值32.5 kN·mm-1的0.9和1.1倍。

表3 組合梁等效豎彎剛度對比

綜上所述，在本研究工況中，以500 kN 荷載為界，小幅荷載作用下（＜500 kN），群釘連接裝配式鋼-混凝土組合梁實測等效豎彎剛度高于無滑移等效剛度理論值，提高幅度達到10%，因而可以合理解釋本文3.2節(jié)組合梁固有頻率研究中，組合梁等效質(zhì)量一致的情況下，固有頻率實測值32.2 Hz 高于理論值29.0 Hz的現(xiàn)象；大幅荷載作用下（＞500 kN），組合梁實測等效豎彎剛度低于理論值，并且隨著荷載等級的提高，差距逐步增大，等效豎彎剛度進一步折減，折減幅度達到10%。因此，組合梁等效豎彎剛度表現(xiàn)出隨著荷載增加而逐步降低的非線性特征。

相比于鋼梁，由于預制混凝土板的疊合，組合梁截面慣性矩增大，等效豎彎剛度理論上提高幅度應(yīng)為52%。由表3可知：在不同等級的荷載作用下，組合梁實測等效豎彎剛度為29.1～35.9 kN·mm-1，分別為鋼梁實測等效豎彎剛度21.1 kN·mm-1的138%～170%，提高幅度為38%～70%，鋼-混凝土組合梁疊合共同受力程度隨著外加荷載量值的變化而表現(xiàn)出非線性效應(yīng)。

在不同荷載等級作用下，組合梁跨中截面沿截面高度鋼梁、混凝土板的應(yīng)變?nèi)鐖D14所示，試驗梁整體梁高1 033 mm，上部預制混凝土板厚度107 mm，下部鋼梁厚度926 mm，中性軸位置距離梁底583 mm。由圖14可見：中性軸以上的鋼梁和全部混凝土板均受壓，中性軸以下均為鋼梁，全部受拉，混凝土板最大壓應(yīng)力＜13.8 MPa，鋼梁最大拉應(yīng)力＜73.5 MPa，均處于彈性受力階段。

圖14 跨中截面變形協(xié)同曲線

由圖14還可見：在100 kN荷載作用下，鋼-混凝土組合梁界面以下（截面高度＜926 mm）鋼梁的應(yīng)變沿截面高度方向呈線性關(guān)系，所有測點均在同一直線上，組合界面以上（截面高度＞926 mm）混凝土板上緣應(yīng)變（―162×10-6）顯著大于等高度鋼梁應(yīng)變值（―64×10-6），比值為2.5；在200 kN 荷載作用下，鋼梁和混凝土板的應(yīng)變均大幅增加，而組合界面處混凝土板和鋼梁同樣存在應(yīng)變突變的現(xiàn)象，混凝土板上緣應(yīng)變（―367×10-6）顯著大于等高度鋼梁應(yīng)變（―132×10-6），比值為2.8，上部混凝土板與下部鋼梁存在變形不協(xié)調(diào)的受力特征。小幅荷載作用下（＜500 kN），混凝土板提前介入受力，在組合梁等效豎彎剛度中發(fā)揮了更多的作用，這在一定程度上可以解釋上述剛度非線性的問題，由于混凝土板對組合截面的提前貢獻，使得群釘連接裝配式組合梁實測等效豎彎剛度大于理論值。

5 結(jié) 論

（1）群釘連接裝配式鋼-混凝土組合軌道梁呈現(xiàn)出隨著作用荷載變化的非線性受力特征，荷載-撓度曲線存在1個反彎點，本試驗組合梁剛度非線性反彎點對應(yīng)跨中集中荷載500 kN，小幅荷載作用下（＜500 kN）等效豎彎剛度大，且大于理論值，隨著作用荷載的增大，等效豎彎剛度逐步減小，經(jīng)過反彎點后將折減到理論值以下，變化幅度在理論值的0.9～1.1倍。

（2）在鋼梁和混凝土板共同受力的過程中，下部鋼梁和上部混凝土板在同一截面的變形不協(xié)調(diào)，混凝土板的應(yīng)變顯著增大，偏離鋼梁線性應(yīng)變關(guān)系值，不滿足平截面假定。

（3）在小幅設(shè)計荷載條件下，群釘連接裝配式組合軌道梁等效剛度設(shè)計值可以按無滑移等效剛度理論取值，無須折減，組合梁固有頻率也有提高；大幅設(shè)計荷載條件下應(yīng)考慮群釘效應(yīng)帶來的剛度折減。