侯建軍

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計研究院,北京 100055)

1 設(shè)計概述

根據(jù)我國鐵路“十一五”路網(wǎng)規(guī)劃,大量城際鐵路建設(shè)已列入規(guī)劃,為滿足250 km城際鐵路工程建設(shè)需要,開展了城際鐵路簡支箱梁設(shè)計,此系列設(shè)計是對我國鐵路已有通用參考圖紙的補充和完善。

單箱單室整孔簡支箱梁具有受力簡單、明確、形式簡潔、外形美觀、抗彎和抗扭剛度大,施工簡潔,建成后的橋梁養(yǎng)護(hù)工作量及噪聲小等優(yōu)點,在我國客運專線和高速鐵路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用,城際鐵路簡支箱梁的設(shè)計亦采用單箱單室截面形式。

1.1 橋面布置

依據(jù)鐵道部建設(shè)司關(guān)于做好客運專線橋面系優(yōu)化工作的要求和“客運專線箱梁橋面系優(yōu)化專題論證會”專家意見,確定橋面設(shè)計寬度：擋砟墻內(nèi)側(cè)凈寬9.0 m,橋上人行道欄桿內(nèi)側(cè)凈寬12.1 m,橋梁寬12.2 m,橋梁建筑總寬12.48 m,橋面布置見圖1。

圖1 橋面布置(單位：mm)

1.2 構(gòu)造形式

箱梁設(shè)計采用等高度截面設(shè)計,截面中心梁高2.686 m，橫橋向支座中心距4.4 m?？紤]城際鐵路橋梁大多連接大中型城市,因此在橋梁景觀上結(jié)合結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行比選,箱梁設(shè)計腹板采用1∶3.5斜度,在結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的腹板與頂板相交處采用R=1 800 mm大圓弧倒角過渡,使其線形順暢,具有較好的景觀效果。箱梁主要截面尺寸見圖2。

圖2 箱梁截面尺寸(單位：mm)

1.3 主要設(shè)計指標(biāo)

由于城際鐵路運行速度較高,箱梁在設(shè)計過程中除了保證橋梁結(jié)構(gòu)強度和抗裂性能滿足安全的前提下,要求下部結(jié)構(gòu)具有較高的平順性,為保證線路的平順性,應(yīng)盡量減小徐變拱度。對于常用跨度31.5 m簡支箱梁，其主要設(shè)計指標(biāo)見表1。

表1 跨度31.5 m箱梁主要設(shè)計指標(biāo)

2 試驗研究

由于城際鐵路建設(shè)中大量采用跨度31.5 m簡支箱梁,其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對城際鐵路建設(shè)及運營具有重大影響,為驗證箱梁在運營和施工架設(shè)過程中各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求,在進(jìn)行空間計算分析基礎(chǔ)上,開展實體梁試驗研究驗證。

2.1 試驗方法

2.1.1 跨中彎曲靜載試驗

為了更好地檢驗設(shè)計,檢驗箱梁承載能力,依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路梁靜載彎曲試驗方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》的方法進(jìn)行,采用縱向5排加載方式加載,每排間距4 m,每排橫向采用2點加載,加載點作用于箱梁腹板頂面中心,橫向加載點距離梁體中線2.99 m,加載示意見圖3。

圖3 跨中彎曲靜載試驗加載示意(單位：mm)

2.1.2 梁端受力性能試驗

為了更好地檢驗箱梁在施工架設(shè)過程中梁端受力性能,梁端試驗采用模擬支點反力與運架梁最大支點反力等效方式進(jìn)行。梁端試驗采用縱向6排加載力,加載示意見圖4。

圖4 梁端受力性能試驗加載示意(單位：mm)

2.2 試驗參數(shù)確定

2.2.1 剪力滯系數(shù)

根據(jù)初等彎曲理論,剪力流在橫向傳遞過程中有滯后現(xiàn)象,特別對于寬跨比小的結(jié)構(gòu)。按照初等梁理論平截面假定算出應(yīng)力為δ1,而實際截面發(fā)生的應(yīng)力為δ2,則剪力滯系數(shù)即為λ=δ2/δ1。對于箱形截面一般采用變分法的最小勢能原理分析其剪力滯效應(yīng)。本次是通過建立MADIS FEA空間模型,模擬試驗加載工況和實際運營工況,分析確定箱梁剪力滯系數(shù)。

(1)綜合剪力滯系數(shù)

試驗過程中為考慮箱梁自重、二恒、活載等荷載引起箱梁跨中截面應(yīng)力不均勻性,引入綜合剪力滯系數(shù)λ1,空間加載計算模型見圖5,箱梁在綜合荷載作用下跨中截面應(yīng)力見圖6。

圖5 空間加載計算模型

圖6 綜合荷載作用下跨中截面下緣應(yīng)力圖示

由圖6分析可得,箱梁跨中截面底板應(yīng)力在綜合荷載作用下應(yīng)力分布不均勻,兩側(cè)腹板下方產(chǎn)生拉應(yīng)力較大,其最大值為15.67 MPa,底板靠近梁體中心線處產(chǎn)生拉應(yīng)力較小,在底板寬度范圍等間距取21個應(yīng)力點作統(tǒng)計分析,求取底板在荷載作用下平均拉應(yīng)力為15.29 MPa,則確定綜合剪力滯系數(shù)為λ1=1.025。

(2)集中剪力滯系數(shù)

靜載試驗加載過程為考慮10點加載方式引起箱梁跨中截面應(yīng)力不均勻性,引入集中剪力滯系數(shù)λ2,空間加載計算模型見圖7,箱梁在集中荷載作用下跨中截面應(yīng)力見圖8。

圖7 空間加載計算模型

由圖8分析可得,箱梁跨中截面底板應(yīng)力在集中試驗荷載作用下應(yīng)力分布不均勻,兩側(cè)腹板下方產(chǎn)生拉應(yīng)力較大,其最大值為16.30 MPa,底板靠近梁體中心線處產(chǎn)生拉應(yīng)力較小,同樣按照綜合剪力滯系數(shù)求取辦法,在底板寬度范圍等間距取21個應(yīng)力點作統(tǒng)計分析,求取底板在荷載作用下平均拉應(yīng)力為15.75 MPa,則確定集中剪力滯系數(shù)為λ2=1.035。

圖8 集中荷載作用下跨中截面下緣應(yīng)力圖示

2.2.2 撓度修正系數(shù)

箱梁靜載彎曲試驗集中力加載計算是按照箱梁跨中截面產(chǎn)生應(yīng)力等效的原則確定,箱梁撓度由于集中力加載和實際活載加載模式不同,兩者產(chǎn)生撓度將有差別,根據(jù)初等理論中結(jié)構(gòu)力學(xué)圖乘法分析,10點集中加載模擬實際活載產(chǎn)生的撓度修正值為1.008 7；同時又考慮了活載作用下跨中截面撓度分布不均勻影響的修正值為1.005 9。綜合考慮上述因素,跨度31.5 m箱梁ZK活載作用下等效荷載加載撓度修正系數(shù)η取1.008 7/1.005 9=1.002 8

2.3 試驗過程分析

2.3.1 跨中彎曲靜載試驗

(1)加載荷載計算

依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路梁靜載彎曲試驗方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》的方法,計算各級荷載加載時要考慮剪力滯系數(shù)影響,計算公式如下

Mk=K×(Md+Mz+Mh)×λ1/λ2+ΔMs/λ2-

Mz×λ1/λ2-Ms

式中Mk——各加載等級下的跨中彎矩；

K——加載等級；

Mz、Md、Mh——自重、二期恒載、活載對跨中產(chǎn)生的彎矩；

Ms——加載設(shè)備對跨中產(chǎn)生的彎矩；

ΔMs——未完成預(yù)應(yīng)力損失產(chǎn)生的補償彎矩。

對于曲線、無聲屏障跨度31.5 m簡支箱梁,根據(jù)上述公式計算靜載彎曲試驗各級荷載加載數(shù)值見表2。

表2 曲線、無聲屏障箱梁各級荷載加載數(shù)值

(2)空間理論分析

在各級荷載作用下,理論分析箱梁跨中截面底板產(chǎn)生最大拉應(yīng)力和豎向撓度：凈活載撓度為8.4 mm；靜載試驗加載至1.2倍荷載時,跨中截面下緣最大將產(chǎn)生1.1 MPa拉應(yīng)力,小于混凝土抗拉設(shè)計強度,見圖9。

圖9 1.2倍荷載作用下跨中截面應(yīng)力及撓度

(3)試驗測試

跨中彎曲靜載試驗中,為檢驗梁體承載能力,在跨中截面的底部沿梁體縱向3 m范圍內(nèi)布置外貼振弦式應(yīng)變傳感器,測試各級荷載作用下跨中截面底板應(yīng)力狀況。同時在跨中、L/4截面和支點截面下緣布置10個撓度測點(百分表)，測試梁體在試驗荷載作用下的變形。

由試驗實測結(jié)果分析,試驗荷載與跨中撓度基本保持線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù)大于0.999),梁體處于彈性工作狀態(tài),第1和第2加載循環(huán)跨中靜活載撓度分別為6.75 mm和6.51 mm,撓跨比分別為1/4 667和1/4 839,小于設(shè)計撓跨比1/3 691?？缰袚隙葘崪y結(jié)果見圖10。第2循環(huán)加載至1.2倍設(shè)計荷載時,分布于箱梁跨中下緣兩側(cè)3 m范圍內(nèi)的30個應(yīng)變測點的實測應(yīng)變值與試驗荷載基本保持線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù)均大于0.999),未出現(xiàn)明顯增大或減小的情況,表明試驗梁拉應(yīng)力最大區(qū)域仍處于彈性工作狀態(tài)?？缰邢戮墐蓚?cè)3 m范圍內(nèi)應(yīng)變實測結(jié)果見圖11。

圖10 試驗梁跨中撓度實測結(jié)果

圖11 試驗梁跨中底板下緣3 m范圍內(nèi)測點應(yīng)變實測結(jié)果

2.3.2 梁端受力性能試驗

為了更好地檢驗箱梁運架工況下箱梁梁端截面受力性能,試驗?zāi)M實際運架梁工況進(jìn)行,鑒于運架設(shè)備形式各異,支腿反力不盡相同,此次梁端試驗按照SXJ900/32架橋機架設(shè)跨度31.5 m箱梁,喂梁時第二吊荷載工況支反力控制加載，見圖12。

圖12 喂梁時第二吊荷載工況(單位：mm)

(1)加載荷載計算

按照上述圖示,綜合考慮架橋機中支腿(4×1 936 kN)、后支腿(8×177.8 kN)和運梁車(2 800 kN)共同作用,該工況產(chǎn)生最大支反力為8 600.3 kN,根據(jù)支反力等效原則計算各點加載力大小。按照運架梁最大支座反力的0.2、0.4、0.6、0.8、1.0倍5級控制。加載過程為不影響箱梁跨中截面承載力,加載過程跨中5排加載點最大加載力控制不超靜載彎曲試驗1.0倍級加載值,其他加載值由梁端1排加載點補足,各級荷載加載數(shù)值見表3。

表3 梁端受力性能試驗各級加載數(shù)值 kN

(2)空間理論分析

根據(jù)空間模型模擬各級加載工況,分析箱梁梁端截面產(chǎn)生應(yīng)力狀況：加載至1.0級時,梁端最大支反力為8 600 kN,梁端截面最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂板上緣,最大值為2.46 MPa；底板橫向最大壓應(yīng)力為5.96 MPa,具體參見圖13。

圖13 加載圖示及1.0級喂梁梁端截面最大橫向拉應(yīng)力分布

(3)試驗測試

箱梁梁端受力性能試驗中,為檢驗箱梁施工架設(shè)過程中梁端截面受力性能,在箱梁端面布置外貼振弦式應(yīng)變傳感器測試其應(yīng)力狀態(tài),測點布置見圖14。

圖14 梁端受力性能試驗端面測點布置

由實測結(jié)果分析,梁端試驗整個加載過程中,梁端端面頂板區(qū)域橫向應(yīng)變測點均受拉,最大拉應(yīng)力為2.40 MPa,出現(xiàn)在頂板中間上緣測點位置；底板區(qū)域橫向應(yīng)變測點均受壓,最大壓應(yīng)力為4.39 MPa,出現(xiàn)在底板下緣測點位置。梁端試驗在加載到最大荷載時,各測點實測拉壓應(yīng)力均沒有超出規(guī)范拉壓應(yīng)力允許范圍,梁端受力是偏于安全的。

3 結(jié)語

通過時速250 km客運專線(城際鐵路)單箱單室整孔箱梁的試驗研究,驗證了箱梁能夠滿足現(xiàn)行鐵路設(shè)計規(guī)范對結(jié)構(gòu)變形和靜力使用性能的要求,達(dá)到驗證設(shè)計的目的,同時也為單箱單室城際鐵路箱梁推廣使用提供科學(xué)依據(jù),為城際鐵路的全面建設(shè)提供了技術(shù)支持。

[1]TB/T2092—2003，預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路梁靜載彎曲試驗方法及評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]TB10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]項海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京：人民交通出版社，2002.