葛繼平 王志強(qiáng) 彭大文 嚴(yán) 平

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)與安全工程學(xué)院1） 上海 200235） （同濟(jì)大橋橋梁工程系2） 上海 200092）（上海理工大學(xué) 環(huán) 境與建筑學(xué)院3） 上海 200093）

0 引 言

目前，我國高速鐵路設(shè)計(jì)車速為350km／h，速度目標(biāo)值較高，對(duì)線路軌道平順性，線下基礎(chǔ)設(shè)施要求更加嚴(yán)格.高速鐵路、客運(yùn)專線行車要求其下部結(jié)構(gòu)物具有較大的抗彎和抗扭剛度.先、后張預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁具有受力簡單、明確、形式簡潔、外形美觀、抗扭剛度大，建成后的橋梁養(yǎng)護(hù)工作量小以及噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用.我國秦沈客運(yùn)專線和京滬高速鐵路中的主力梁型為單雙線后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，其常用跨度為20，24和32m［1－2］.重復(fù)荷載下箱梁的全過程受力分析是一個(gè)非常復(fù)雜的一個(gè)問題.對(duì)于工程實(shí)踐中的成批原型箱梁，可以按照“預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路簡支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)”（2003）進(jìn)行檢查，驗(yàn)證了箱梁能夠滿足現(xiàn)行鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)變形和靜力使用性能的要求［3］.武鳳遠(yuǎn)［4］對(duì)高速鐵路、客運(yùn)專線中應(yīng)用廣泛的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁進(jìn)行了從設(shè)計(jì)、施工、科研試驗(yàn)多角度的分析，詳細(xì)總結(jié)了我國高速鐵路大規(guī)模采用的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁設(shè)計(jì)施工中的成熟經(jīng)驗(yàn).侯建軍［5］對(duì)時(shí)速250km城際鐵路單箱單室整孔箱梁開展了箱梁跨中彎曲靜載試驗(yàn)和梁端受力性能試驗(yàn)研究.李晗之［6］對(duì)施工完畢的32 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，判斷箱梁的工程質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)文件要求.何鑫［7］利用足尺箱梁模型研究了預(yù)應(yīng)力損失問題.這些研究對(duì)使用狀態(tài)下箱梁的各個(gè)方面的行為作了全面的總結(jié)，為本文的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

本文主要是對(duì)24m跨徑單線簡支模型箱梁進(jìn)行重復(fù)荷載試驗(yàn)研究［8］.研究目的是全面探究預(yù)應(yīng)力簡支箱梁在加載全過程中的受力性能，包括正常使用極限狀態(tài)下的撓度、裂縫寬度及其分布和跨中截面剪力滯效應(yīng)，承載力極限狀態(tài)下的破壞模式、撓度和跨中截面剪力滯效應(yīng)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的研究提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù).

1 模型試驗(yàn)箱梁設(shè)計(jì)

選取合蚌客運(yùn)專線24m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁為研究對(duì)象，適用范圍是旅客列車最高行車速度250～350km／h，適用于場地集中預(yù)制、架橋機(jī)架設(shè).梁體采用高性能混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C50.截面類型為單箱單室箱梁，梁端頂板、底板及腹板局部向內(nèi)側(cè)加厚.梁長分別為24.6m，計(jì)算跨度23.5m，梁高3.05m.箱梁結(jié)構(gòu)重心位于跨中截面梁體中心線，距跨中梁底都為1.78m.支座自重反力2 070kN，靜活載最大反力1 170kN.豎向自振頻率為12.22Hz.根據(jù)相似理論的3個(gè)相似定理、試驗(yàn)精度要求以及試驗(yàn)條件的可能性，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖淞翰捎?∶5的縮尺模型.模型箱梁長為4.92m，梁高0.61m，梁寬1.52m.混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C50，鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用1×7－15.2－1860.箱梁模型設(shè)計(jì)尺寸見圖1.

圖1 箱梁模型設(shè)計(jì)尺寸圖（單位：mm）

2 試驗(yàn)加載程序與試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)?zāi)康氖窃O(shè)計(jì)制作預(yù)應(yīng)力簡支箱梁模型，對(duì)該根梁進(jìn)行不同荷載級(jí)別的加載，不同的荷載級(jí)別對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為后續(xù)研究中需要的不同損傷程度的損傷狀態(tài).根據(jù)該損傷梁的不同加載方式來模擬不同位置的損傷.靜載試驗(yàn)主要測(cè)量項(xiàng)目為：全過程中的裂縫出現(xiàn)和開展情況，梁的撓度和支座轉(zhuǎn)角變化，混凝土、普通鋼筋的應(yīng)變等.

該預(yù)應(yīng)力混凝土簡支模型箱梁采用三分點(diǎn)方式，整個(gè)加載過程分為兩個(gè)不同的加載階段.第一加載階段采用較大的分配梁跨徑，跨徑為2.26 m；第二加載階段采用較小的分配梁跨徑，跨徑為0.75m.第一加載階段主要進(jìn)行試件在小程度損傷情況下狀態(tài)的研究；第二加載階段旨在進(jìn)行試件在徹底破壞前嚴(yán)重?fù)p傷情況下狀態(tài)的研究.試驗(yàn)簡支模型箱梁及加載設(shè)備全貌見圖2.

圖2 簡支模型箱梁及加載設(shè)備全貌圖

簡支模型箱梁整個(gè)試驗(yàn)過程包括11個(gè)工況，試驗(yàn)每個(gè)工況均按照先進(jìn)行靜力加載，后卸載，再進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的順序進(jìn)行.第一階段千斤頂荷載為350，700，800，1 000，1 300kN；第二階段千斤頂荷載為800，1 000，1 250kN.

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)破壞現(xiàn)象

在混凝土橋梁診斷中遇到最多的損傷是裂縫，甚至在全預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中都經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂縫，降低結(jié)構(gòu)的剛度，影響結(jié)構(gòu)的正常使用.在第一加載階段，當(dāng)荷載達(dá)到500kN時(shí)，跨中截面底板兩側(cè)開始出現(xiàn)裂縫，此時(shí)最大裂縫寬度為0.04mm.隨著荷載的增加裂縫繼續(xù)發(fā)展變寬，當(dāng)荷載達(dá)到700kN時(shí)，支座附近腹板開始出現(xiàn)斜裂縫，最大裂縫寬度達(dá)0.08mm.在試件的純彎區(qū)段，裂縫分布均勻，在加載至1 000kN時(shí)，純彎區(qū)段內(nèi)的平均裂縫間距為76mm，且在以后更大荷載作用下，其平均裂縫間距變化很小，加載至1 327kN時(shí)，簡支模型箱梁的最大裂縫寬度為0.34mm，但遠(yuǎn)未達(dá)到破壞承載力標(biāo)志之一的最大裂縫寬度規(guī)定的1.5mm限值，簡支模型箱梁的剛度有所減小，而卸載后由于預(yù)應(yīng)力預(yù)加應(yīng)力引起的反拱度使箱梁底板出現(xiàn)的大部分裂縫基本閉合，說明預(yù)應(yīng)力鋼筋遠(yuǎn)未達(dá)到極限荷載，施加的預(yù)應(yīng)力對(duì)混凝土裂縫開展取到有效的抑制作用.

在第二加載階段，隨著荷載的增加，裂縫不斷變寬，當(dāng)達(dá)到1 000kN時(shí)，裂縫寬度達(dá)到1mm.然后繼續(xù)加載，直到跨中頂板混凝土壓潰破壞.

3.2 荷載位移曲線

圖3為第一加載階段各級(jí)荷載下跨中截面的荷載－撓度曲線，從圖中可以看出每級(jí)重復(fù)荷載下的荷載－撓度曲線均為環(huán)形，加載和卸載路徑不重合，表明在每級(jí)重復(fù)荷載下截面都具有一定的能量耗散能力，這對(duì)結(jié)構(gòu)受力是有益的.隨著荷載級(jí)別的增大，殘余位移也逐漸增大，表明內(nèi)部材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，發(fā)生了不可恢復(fù)的變形.荷載位移滯回曲線的包絡(luò)線明顯分為2個(gè)直線段：簡支模型箱梁底板受拉區(qū)混凝土開裂前，荷載與撓度呈線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)基本處于線彈性工作狀態(tài)，剛度基本維持不變，此階段稱為線彈性階段（I階段）；簡支模型箱梁底板受拉區(qū)混凝土開裂后遠(yuǎn)未到極限荷載前，隨著外荷載的增加，變形增快，結(jié)構(gòu)的剛度有所降低，但模型箱梁底板部分普通受拉鋼筋屈服而預(yù)應(yīng)力鋼筋遠(yuǎn)未屈服，撓度與荷載仍基本呈線性關(guān)系，跨中測(cè)點(diǎn)的撓度隨荷載的卸除逐漸減小，最后的殘余位移達(dá)到最大加載的20%，箱梁剛度較開裂前有所降低，此階段稱為彈塑性階段（II階段）.總體來看整個(gè)荷載位移滯回曲線的包絡(luò)線的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)開裂狀態(tài)，表明開裂后，結(jié)構(gòu)整體剛度有一定程度的降低.

圖3 荷載－撓度曲線（第一加載階段）

圖4 為簡支模型箱梁在第二荷載階段各工況跨中截面的荷載－撓度曲線.從圖中可以看出，隨著荷載的增加，滯回環(huán)包圍的面積增加明顯，說明結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷程度較大，殘余位移也增大明顯.當(dāng)達(dá)到90mm時(shí)，試件上翼緣混凝土壓潰后，試件徹底喪失承載能力.從荷載位移滯回曲線的整個(gè)骨架曲線來看，結(jié)構(gòu)受力明顯分為3個(gè)階段：雖然在第一加載階段，試件已經(jīng)開裂，但是試驗(yàn)結(jié)束后，裂縫在預(yù)應(yīng)力筋作用下還能閉合.第I階段裂縫開裂的程度繼續(xù)增大，到普通鋼筋屈服時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度基本維持不變，第一個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)鋼筋屈服階段；第II階段簡支模型箱梁跨中截面底板普通受拉鋼筋屈服后，隨著外荷載的增加，結(jié)構(gòu)變形明顯增快，結(jié)構(gòu)的剛度大為降低，但簡支模型箱梁底板受拉預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服前，撓度與荷載仍基本呈線性關(guān)系，剛度基本維持在同一水平，對(duì)應(yīng)的第二個(gè)拐點(diǎn)稱為預(yù)應(yīng)力筋屈服；第III階段底板受拉預(yù)應(yīng)力鋼筋隨即屈服，隨著外荷載的增加，結(jié)構(gòu)剛度基本接近為零，即圖中表現(xiàn)為近似水平段，此階段稱為破壞階段.

圖4 荷載－撓度曲線（第二加載階段）

3.3 混凝土和鋼筋應(yīng)變

簡支模型箱梁跨中腹板處應(yīng)變沿高度分布基本符合平截面假定.隨著荷載的增加，梁的中和軸位置不斷上移，受拉區(qū)和受壓區(qū)混凝土應(yīng)變隨之加大，當(dāng)加載至1 327kN時(shí)，箱梁頂板最大壓應(yīng)變?yōu)?10×10－6，對(duì)應(yīng)的混凝土壓應(yīng)力為17.6 MPa，該值小于C50混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值23.1 MPa，說明簡支模型箱梁在第一荷載階段頂板受壓區(qū)混凝土基本處于彈性工作階段.而底板受拉混凝土基本處于塑性階段退出工作.

從箱梁鋼筋應(yīng)變片的測(cè)試結(jié)果可知，隨著跨中荷載的增加，截面中性軸高度不斷上升，開始上升速度較快，后面上升速度較慢，主要是混凝土受力和鋼筋受力慢慢達(dá)到平衡.但達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，近視認(rèn)為受壓區(qū)穩(wěn)定，中性軸高度不變.各級(jí)荷載作用下，鋼筋的應(yīng)變分布基本滿足平截面假定.

4 結(jié) 論

1）混凝土首先在跨中底板出現(xiàn)裂縫，然后慢慢向腹板擴(kuò)展.純彎矩區(qū)，裂縫分布間距均勻.當(dāng)開裂后荷載較小時(shí)，裂縫在預(yù)應(yīng)力筋的作用下能夠閉合.箱梁的破壞現(xiàn)象是混凝土頂板的壓潰爆裂，極限位移為跨徑的1／55.

2）重復(fù)加載下的荷載位移曲線的包絡(luò)線有3個(gè)拐點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)于混凝土開裂，鋼筋屈服，預(yù)應(yīng)力筋屈服；而重復(fù)荷載下的彎矩轉(zhuǎn)角曲線在整個(gè)過程中有一個(gè)拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于預(yù)應(yīng)力筋的屈服.每個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)于整體剛度的降低，為了保證列車安全運(yùn)營，保證使用情況下箱梁不開裂非常重要.

3）跨中截面鋼筋和混凝土應(yīng)變沿腹板基本符合平截面假定，頂板和底板的混凝土應(yīng)變的荷載較小時(shí)沿橫橋向均勻分布，隨著荷載在增大不均勻分布明顯.

［1］鄧運(yùn)清.客運(yùn)專線簡支箱梁綜述［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2005（1）：65－71.

［2］孟 莎.客運(yùn)專線常用跨度橋梁技術(shù)特點(diǎn)［J］.橋梁建設(shè)，2007（s1）：1－3.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB／T2092－2003預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路簡支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［4］武鳳遠(yuǎn).高速鐵路、客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁分析試驗(yàn)研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

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