祝明橋，孫康杰，陳 功，劉 橋

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201）

0 引 言

近年來(lái)，為適應(yīng)交通運(yùn)輸量的快速膨脹，雙層橋梁越來(lái)越多的出現(xiàn)在城市橋梁中，雙層橋上下層橋面共用主體結(jié)構(gòu)，能夠充分利用有限的空間，將單層交通變作雙層交通，對(duì)于提高橋梁的通行能力，節(jié)約土地資源有重要意義.

混凝土箱形截面梁憑借其自身的眾多優(yōu)點(diǎn)，諸如具有良好的空間整體受力性能，抗彎、抗扭剛度大，能較好地適應(yīng)各種現(xiàn)代施工方法等，在現(xiàn)代各種橋梁中得到極其廣泛的應(yīng)用.國(guó)內(nèi)外學(xué)者和橋梁工程師們從雙層交通鋼桁梁橋中得到啟發(fā)，將箱梁頂板與底板同時(shí)作為橋面，頂層與底層共用基礎(chǔ)工程，從而構(gòu)思出一種雙層橋道的混凝土箱梁橋.這種能夠?qū)崿F(xiàn)雙層交通的混凝土箱形梁結(jié)合雙層橋梁及箱形截面的優(yōu)點(diǎn)，取消橫隔板，將箱梁頂、底板作為上下行分層車道，充分利用箱梁的空間資源，減少工程投資并提高橋梁的通行能力.

本文通過(guò)按與實(shí)際工程1∶6的比例尺在試驗(yàn)室制作了實(shí)現(xiàn)雙層交通的單箱三室混凝土簡(jiǎn)支箱梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并針?duì)試驗(yàn)箱梁在上層荷載、下層荷載、上下層荷載三種不同工況的均布荷載作用下的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行的試驗(yàn)研究，研究箱梁在不同等級(jí)荷載作用下、荷載作用不同位置等雙層荷載作用下的剪力滯效應(yīng).

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 模型概況

雙層交通混凝土簡(jiǎn)支箱梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒孛嫘问讲捎脤掜敯濉⒄装?、斜腹板的梯形單箱三室截?模型總長(zhǎng)8m，計(jì)算跨度7.4m，梁高1.24m，頂板寬4 m，懸挑390mm，底板寬2.31m，頂板和底板厚度均為60mm，頂板懸挑根部厚度80mm.為實(shí)現(xiàn)底板通車取消了常規(guī)設(shè)置的箱內(nèi)橫隔板，通過(guò)布置一定的頂、底板橫向加勁肋來(lái)提高箱梁的橫向剛度，頂板加勁肋寬度如圖1所示，高度均為120mm.箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C50，鋼筋選用 HPB235、HRB335級(jí)兩種規(guī)格的鋼筋.箱梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缛鐖D1～圖4所示.

1.2 試驗(yàn)材料性能

雙層交通混凝土簡(jiǎn)支箱梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎玫幕炷恋燃?jí)為C50.整個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ头謨纱螡仓?先澆筑底板，后澆筑頂板及腹板.混凝土攪拌方式采用機(jī)械攪拌.為比較準(zhǔn)確地測(cè)試實(shí)際混凝土材料性能，在每次進(jìn)行混凝土澆筑的同時(shí)預(yù)留相應(yīng)的混凝土試塊.混凝土試塊尺寸有150mm×150mm×150mm的立方體試件、100mm×100mm×300mm的棱柱體試件，試件經(jīng)振動(dòng)成型后24h脫模，并在與試驗(yàn)構(gòu)件相同條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以便確定與試驗(yàn)構(gòu)件模型相同的混凝土強(qiáng)度等級(jí)的力學(xué)性能.嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)行《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》（GBJ81－85）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行混凝土材料試驗(yàn).對(duì)混凝土及鋼筋進(jìn)行材料試驗(yàn)，各項(xiàng)力學(xué)性能如表1所示.

表1 混凝土力學(xué)性能（MPa）

驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肏PB235、HRB335級(jí)鋼筋，其直徑為6、12、22三種，對(duì)每一種鋼筋都預(yù)留了試件，以便進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn).實(shí)測(cè)鋼筋各項(xiàng)性能指標(biāo)如表2所示.

表2 鋼筋力學(xué)性能

1.3 測(cè)試斷面與測(cè)點(diǎn)布置

為了了解測(cè)試斷面頂板上彎曲正應(yīng)力沿橫向?qū)嶋H變化規(guī)律，研究雙層交通混凝土箱梁在不同位置荷載作用下的剪力滯現(xiàn)象，利用截面對(duì)稱性，本試驗(yàn)分別選取跨中截面、1／4截面共2個(gè)控制截面作為研究對(duì)象，選取截面編號(hào)如圖1所示，相應(yīng)截面命名為1－1、2－2截面.1－1截面混凝土應(yīng)變片布置如圖5所示，2－2截面混凝土應(yīng)變片布置及編號(hào)與之類似.

圖5 1－1截面混凝土應(yīng)變片布置

2 模型試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用砂袋堆載來(lái)對(duì)箱梁施加均布荷載.采用荷載全部作用于頂板、荷載全部作用于底板、荷載同時(shí)作用在頂、底板三種工況，加載方式為分級(jí)加載，保證箱梁在彈性工作階段.荷載作用簡(jiǎn)圖如圖6所示，加載圖如圖7所示.

試驗(yàn)加載三種工況每級(jí)施加荷載如表3所示.所施加面荷載換算為沿梁跨度方向的線荷載，其中工況一分六級(jí)加載，工況二分四級(jí)加載，工況三分五級(jí)加載.

表3 加載工況表

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

撓度能夠比較真實(shí)地反映出試驗(yàn)構(gòu)件的變形情況，是箱梁整體性能的一項(xiàng)重要指標(biāo).跨中截面在不同工況下作用下?lián)隙茸兓鐖D8所示.

圖8 不同工況作用下跨中截面荷載－撓度曲線

由圖8可知，雙層交通簡(jiǎn)支箱梁在均布荷載作用下，跨中截面撓度與施加荷載基本成線性關(guān)系，無(wú)突變點(diǎn)，說(shuō)明簡(jiǎn)支梁基本處在線彈性工作狀態(tài)下.同時(shí)從圖中可以看出在荷載大小相同的情況下，荷載作用在全部作用在頂板或全部作用在底板與分別作用于頂、底板上引起的跨中撓度基本相同.

1－1截面截面頂板混凝土應(yīng)變分布如圖9所示，橫坐標(biāo)“位置”是指模型頂板、底板沿橫向的分布位置；縱坐標(biāo)“應(yīng)變”是指在工況一作用下試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹澢鷳?yīng)變值，取拉為正，壓為負(fù).1－1截面即跨中截面，2－2截面即1／4跨截面.

由圖可知，在不同工況作用下，跨中截面頂板受壓，壓應(yīng)變?cè)诟拱迮c頂板交接部位較大，往兩邊呈減小趨勢(shì)，表明在跨中截面為正剪力滯效應(yīng).

圖9 1－1截面頂板應(yīng)變分布

由圖可知，在不同工況均布荷載作用下，箱梁跨中截面頂板應(yīng)變隨著荷載等級(jí)的提高呈現(xiàn)等比例增長(zhǎng)的現(xiàn)象，也表明箱梁在上述三種荷載工況作用下處于線彈性工作階段.

對(duì)比圖9（a）、圖9（b）、圖9（c）可以看出，當(dāng)荷載全部作用于底板上時(shí)頂板跨中截面應(yīng)變分布曲線相對(duì)比較平緩，該工況作用下跨中截面橫向壓應(yīng)變最大為29με，最小為22.8με，浮動(dòng)21.3%；而荷載全部作用于頂板或同時(shí)作用于頂、底板時(shí)即本試驗(yàn)中的工況一和工況二的情況下，跨中截面頂板應(yīng)變減小程度相對(duì)工況三較大，其中工況二壓應(yīng)變浮動(dòng)19.7%，工況三壓應(yīng)變浮動(dòng)16.5%.表明當(dāng)荷載作用位置不同時(shí)，跨中截面頂板的應(yīng)變變化范圍不同，當(dāng)荷載全部作用于頂板時(shí)，跨中截面應(yīng)變浮動(dòng)最大.

2－2截面在不同工況作用下頂板混凝土應(yīng)變?nèi)鐖D10所示，圖中縱橫坐標(biāo)同圖9.從圖10中可以看出，在不同工況作用下，2－2截面頂板受壓，壓應(yīng)變?cè)诟拱迮c頂板交接部位較大，并往兩側(cè)呈減小趨勢(shì)，呈現(xiàn)出明顯的正剪力滯現(xiàn)象.

圖10 2－2截面頂板應(yīng)變分布

對(duì)比圖10（a）、圖10（b）、圖10（c）可以看出，工況三中2－2截面頂板應(yīng)變橫向分布曲線較工況一、工況二平緩.結(jié)合應(yīng)變進(jìn)行分析可知：工況一中，2－2截面頂板壓應(yīng)變最大為20με，最小壓應(yīng)變?yōu)?3 με，變化35%；工況二中最大壓應(yīng)變與最小壓應(yīng)變分別為22με、16με，變化27%；工況三中為9.9με、8.1με，變化18.2%.由以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)荷載全部作用于底板時(shí)，2－2跨截面頂板混凝土應(yīng)變分布沿橫向比較均勻，而當(dāng)荷載全部作用于頂板時(shí)，壓應(yīng)變?cè)谶吀拱迮c中腹板之間明顯減小，減小程度為三種工況最大，荷載作用于頂、底板時(shí)，壓應(yīng)變變化程度居二者之間.

4 荷載作用位置不同時(shí)跨中截面剪力滯系數(shù)

為了簡(jiǎn)便描述雙層交通混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的變化規(guī)律，通常利用剪力滯系數(shù)來(lái)對(duì)箱梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行衡量.剪力滯系數(shù)λ定義為：

剪力滯系數(shù)反映了箱梁翼緣正應(yīng)力分布的不均勻程度.當(dāng)翼板與腹板交接處λ值大于1時(shí)為正剪力滯，數(shù)值越大剪力滯現(xiàn)象越嚴(yán)重，小于1時(shí)為負(fù)剪力滯，數(shù)值越小剪力滯現(xiàn)象越嚴(yán)重，λ值等于1時(shí)表明截面內(nèi)無(wú)剪力滯現(xiàn)象.

圖11為不同荷載工況作用下跨中截面剪力滯系數(shù)橫向分布圖，1－1截面即跨中截面，2－2截面即1／4跨截面.由圖中可以看出，1－1截面在不同工況作用下腹板與頂板交接處的剪力滯系數(shù)均大于1，表明跨中截面頂板在荷載作用位置不同時(shí)均呈現(xiàn)出正剪力滯現(xiàn)象.

圖11 不同荷載工況作用下1－1截面剪力滯系數(shù)

從圖11（a）、圖11（b）、圖11（c）中可以看出，箱梁在同一種工況的各級(jí)荷載作用下，跨中截面的剪力滯系數(shù)基本一致，而不同工況作用下，同一截面的剪力滯系數(shù)不同，表明箱梁剪力滯效應(yīng)與荷載作用大小無(wú)關(guān)，與荷載作用位置有關(guān).

由圖11中跨中截面在不同工況作用下剪力滯系數(shù)分布曲線可以看出，當(dāng)荷載全部作用于頂板時(shí)，中腹板與頂板交接處剪力滯系數(shù)為1.128，當(dāng)荷載全部作用于底板時(shí)剪力滯系數(shù)為1.087，當(dāng)荷載同時(shí)作用于頂、底板時(shí)剪力滯系數(shù)為1.109.邊腹板與頂板交接處剪力滯系數(shù)：當(dāng)荷載全部作用于頂板時(shí)為1.13，荷載全部作用于底板時(shí)為1.05，荷載同時(shí)作用于頂、底板時(shí)為1.023.由以上數(shù)據(jù)可知跨中截面剪力滯系數(shù)在荷載全部作用于頂板時(shí)最大，荷載全部作用于底板時(shí)剪力滯系數(shù)最小，荷載同時(shí)作用于頂、底板時(shí)剪力滯系數(shù)居于上述兩種工況之間.

圖12為不同荷載工況作用下1／4跨截面剪力滯系數(shù)橫向分布圖，由圖中可以看出，跨中截面在不同工況作用下腹板與頂板交接處的剪力滯系數(shù)均大于1，表明1／4跨截面頂板在荷載作用位置不同時(shí)亦呈現(xiàn)出正剪力滯現(xiàn)象.

圖12 不同荷載工況作用下2－2截面剪力滯系數(shù)

由圖12不同荷載工況作用下1／4跨截面頂板剪力滯系數(shù)分布可以看出，工況一當(dāng)荷載全部作用于頂板時(shí).中腹板與頂板交接處剪力滯系數(shù)為1.188；工況三當(dāng)荷載全部作用于底板時(shí)剪力滯系數(shù)為1.165，工況二當(dāng)荷載同時(shí)作用于頂、底板時(shí)剪力滯系數(shù)為1.135.邊腹板與頂板交接處剪力滯系數(shù)：當(dāng)荷載全部作用于頂板時(shí)為1.144，荷載全部作用于底板時(shí)為1.147，荷載同時(shí)作用于頂、底板時(shí)為1.148.由以上數(shù)據(jù)可知跨中截面剪力滯系數(shù)在荷載全部作用于頂板時(shí)最大，荷載全部作用于底板時(shí)剪力滯系數(shù)最小，荷載同時(shí)作用于頂、底板時(shí)剪力滯系數(shù)居于上述兩種工況之間.

由跨中截面及1／4跨截面剪力滯系數(shù)分析可知，當(dāng)荷載全部作用于底板時(shí)，剪力滯現(xiàn)象比較小，當(dāng)荷載全部作用頂板時(shí)，剪力滯效應(yīng)比較嚴(yán)重，荷載同時(shí)作用于頂、底板上時(shí)，剪力滯效應(yīng)居于上述兩種工況之間.表明當(dāng)荷載全部作用于頂板上時(shí)對(duì)箱梁的剪力滯效應(yīng)影響最嚴(yán)重，當(dāng)荷載全部作用于底板上時(shí)，箱梁的剪力滯效應(yīng)最小.這也驗(yàn)證了圖9及圖10中，當(dāng)荷載作用在頂板時(shí)，應(yīng)變浮動(dòng)比其他兩種工況大的現(xiàn)象，同時(shí)也可以推斷當(dāng)把作用在箱梁頂板的荷載轉(zhuǎn)移一部分作用到底板時(shí)，會(huì)減小箱梁的剪力滯效應(yīng)，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ).

5 結(jié) 論

實(shí)現(xiàn)雙層交通混凝土箱形截面梁作為一種全新的橋梁結(jié)構(gòu)形式，能夠充分利用底部空間，對(duì)提高城市橋梁的通行能力有極大的意義，本文通過(guò)對(duì)實(shí)現(xiàn)雙層交通混凝土簡(jiǎn)支箱梁模型進(jìn)行三種不同工況作用下的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）在均布荷載作用下雙層交通箱梁橋?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ涂缰薪孛婧奢d－撓度曲線基本為直線，同一種工況不同荷載等級(jí)作用下剪力滯系數(shù)分布基本一致，表明該箱梁處于線彈性工作狀態(tài)；

（2）均布荷載作用下，箱梁跨中截面與1／4跨截面頂板均呈現(xiàn)出正剪力滯現(xiàn)象；

（3）當(dāng)荷載全部作用于頂板時(shí)雙層交通簡(jiǎn)支箱梁的剪力滯效應(yīng)影響最嚴(yán)重，荷載全部作用于底板時(shí)箱梁的剪力滯效應(yīng)最小，荷載同時(shí)作用于頂、底板時(shí)箱梁的剪力滯效應(yīng)居于上述兩種工況之間.

（4）在彈性工作階段箱梁剪力滯效應(yīng)與荷載作用大小無(wú)關(guān)，與荷載作用位置有關(guān).當(dāng)把作用在箱梁頂板的荷載轉(zhuǎn)移一部分作用到底板時(shí)，會(huì)減小箱梁的剪力滯效應(yīng).

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