李 葳，胡所亭

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 科學技術信息研究所，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081)

1 概述

設計時速250 km客運專線某型32 m簡支箱梁為單箱單室斷面。梁高2.8 m，頂板厚300 mm，底板厚250 mm，腹板厚500 mm。為增強支點處抗剪能力，在梁端支承處1.95 m范圍內腹板厚度增加為850～950 mm，頂?shù)装逑蛳录雍裰?00 mm，箱梁高增為3.15 m。腹板、頂板、底板加厚的變化長度分別為3.95，0.35，1.05 m。箱梁構造尺寸見圖1。

圖1 箱梁構造尺寸(單位：mm)

為了驗證該梁的使用性能，選擇4孔梁在山西省晉中市進行預制和試驗。各梁預制日期見表1。

表1 試驗梁預制日期統(tǒng)計

6月11日下午，在1#，2#試驗梁頂板底面中心各發(fā)現(xiàn)1條縱向裂縫，裂縫在白天和夜間呈明顯張合趨勢，白天裂縫寬度在0.15～0.30 mm，夜間裂縫寬度小于0.15 mm[1]。此外，在裂縫兩側0.4～0.6 m處出現(xiàn)了縱向斷續(xù)裂縫(與中心處裂縫平行)，縱向延伸至距兩端頂板變厚度處1 m附近(見圖2)。2#梁終張拉時對縱向裂縫進行監(jiān)測，在終張拉前后，裂縫寬度無明顯變化。6月21日，3#梁頂板底面也出現(xiàn)了裂縫，至6月25日裂縫開展情況與1#，2#試驗梁基本相同。

圖2 箱梁頂板底面縱向裂縫示意(單位：mm)

針對試驗梁在預制過程中頂板底面出現(xiàn)開裂的情況，開展了試驗測試和有限元分析，研究豎向溫度梯度的影響。

2 存梁期間的溫度分布測試

2.1 存梁期間箱梁頂板環(huán)境溫度

為了解存梁期間箱梁頂板頂、底緣處的環(huán)境溫度分布，選取1#梁對存梁期間的環(huán)境溫度進行測試。測試期間在半跨箱梁頂板上鋪設30 cm厚道砟，用以量化分析軌道結構鋪設后對頂板表面溫度的影響。溫度測試分別采用溫度傳感器與紅外線測溫儀，測點布置見圖3。

圖3 存梁期間頂板環(huán)境溫度測點布置

測試工作于7月18日—23日12:00左右進行，天氣情況包括了晴天、陰天和下雨天。測試結果見圖4。

由圖4可知：實測箱梁無道砟遮蓋時頂板頂、底緣環(huán)境溫差明顯，晴天溫差在15～23 ℃，陰雨天溫差在5～10 ℃；實測箱梁有道砟遮蓋時頂板頂、底緣環(huán)境溫差均在3 ℃以下，道砟層能夠有效降低頂板兩側的環(huán)境溫差。

2.2 存梁期間箱梁豎向溫差分布

通過在4#梁跨中截面預先內埋溫度傳感器(見圖5)，測試箱梁存梁期間截面豎向溫差分布及隨時間的變化規(guī)律。測試工作于8月3—17日進行，利用自動化采集儀進行數(shù)據(jù)采集，采樣周期為1 h。

圖5 4#試驗梁跨中截面溫度傳感器測點布置

圖6 箱梁頂板各溫度測試區(qū)域上下測點溫差分布(8月14—15日)

跨中頂板區(qū)域(圖5中Ⅰ～Ⅳ區(qū))各測點溫度隨時間變化曲線見圖6?？芍淞喉敯迳喜繙y點分別約在凌晨06：00時和下午16：00時達到最低和最高溫度。受混凝土導熱系數(shù)影響，內部測點溫度變化較上表面測點有明顯的滯后現(xiàn)象。在日照情況下梁頂面迅速升溫導致正溫差產(chǎn)生；在夜間頂面迅速降溫導致負溫差產(chǎn)生。

實測頂板Ⅰ～Ⅳ區(qū)域上下測點部位最大正溫差在10 ℃左右，最大負溫差在-5 ℃以內，最大正、負溫差發(fā)生的時間分別為下午15：00～16：00時和凌晨6：00～7：00時。根據(jù)溫度測點實測數(shù)據(jù)，繪制頂板頂面升溫情況下上下測點部位最大正溫差分布圖，見圖7。為便于比較，圖7 給出鐵路規(guī)范和英國BS5400規(guī)范在測點處溫差的規(guī)定值。可明顯看出，實測最大正溫差隨天氣狀況不斷變化，梁體翼緣區(qū)域(Ⅳ區(qū))、頂板中部區(qū)域(Ⅰ,Ⅱ區(qū))實測溫差明顯小于腹板區(qū)域(Ⅲ區(qū))，實測最大正溫差接近于鐵路規(guī)范的規(guī)定[2-4]。

圖7 各溫度測試區(qū)域上下測點最大正溫差分布

通過將實測各部位溫差進行數(shù)據(jù)擬合，溫差分布曲線較好地符合指數(shù)分布規(guī)律。擬合式為y=8.313e-6.90x,R2=0.954。實測曲線分布與鐵路規(guī)范規(guī)定的豎向溫度梯度分布曲線吻合較好[5-8]。

3 溫度梯度影響的有限元分析

3.1 計算模型

采用MIDAS/Civil 2006建立箱梁實體模型，分析自重、日照溫差(正溫度梯度)、均勻收縮等荷載作用下頂板的應力分布。模型采用梁單元模擬，節(jié)點數(shù) 20 720，單元數(shù) 16 128?；炷翉椥阅Ａ咳?5.5 GPa。溫度梯度按鐵路規(guī)范取用，均勻收縮按體系降溫模擬。邊界取存梁邊界。

3.2 計算結果分析

豎向正溫度梯度作用下，頂板頂面升溫膨脹，由于其變形受下部結構的約束，頂板頂面產(chǎn)生壓應力，其縱、橫向最大壓應力分別為-6.05，-6.00 MPa(見圖8(a),圖8(b))；頂板底面受上部變形的影響產(chǎn)生拉應力，其縱橫向最大拉應力分別為1.74,2.84 MPa(見圖8(c),圖8(d))。橫向最大拉應力區(qū)域出現(xiàn)在距截面中心1.0 m范圍內，與試驗梁裂縫出現(xiàn)區(qū)域相同。

圖8 豎向正溫度梯度作用下頂板頂面、底面應力分布(單位：kPa)

圖9 豎向正溫度梯度作用下跨中截面橫向應力分布(單位：kPa)

從豎向正溫度梯度作用下跨中截面橫向應力分布(見圖9)可以看出，豎向正溫度梯度在橫向主要引起頂板中部區(qū)域受力，對腹板、底板受力影響較小。

自重和均勻收縮(按應變100×10-6計)工況下跨中截面橫向應力分布見圖10，在頂板底面中心自重和均勻收縮產(chǎn)生的橫向應力分別為0.30 MPa和-0.02 MPa。

圖10 自重和均勻收縮工況下跨中截面橫向應力分布(單位：kPa)

4 裂縫成因及影響

4.1 裂縫成因

1#—3#試驗箱梁頂板縱向裂縫具有以下特征：裂縫均出現(xiàn)在頂板的底面，且先在頂板中心出現(xiàn)；裂縫均在存梁階段產(chǎn)生，裂縫出現(xiàn)時箱梁頂板上部無附加荷載；3#試驗梁裂縫在日照(頂板頂面升溫)情況下具有明顯的延伸；裂縫出現(xiàn)后在白天和夜間具有明顯的張合趨勢，白天裂縫寬度在0.15～0.30 mm，夜間裂縫寬度小于0.15 mm。

根據(jù)裂縫特征和各工況下理論計算結果，豎向正溫度梯度(日照溫差)在箱梁頂板底部產(chǎn)生較大的橫向應力(2.84 MPa)，加之自重作用及混凝土表面可能存在的不均勻收縮導致了裂縫的產(chǎn)生，其中箱梁豎向正溫度梯度是頂板縱向裂縫產(chǎn)生的主要原因。

4.2 箱梁頂板裂縫影響

為了解開裂后箱梁頂板在荷載作用下的受力狀態(tài)，進行頂板縱橫向影響線加載試驗[9-10]。同時為了解運營荷載下頂板橫向受力狀態(tài)和裂縫擴展情況，在梁面上部鋪設35 cm厚道砟，并按照設計圖紙布置了軌排，通過在鋼軌間加設橫梁，在橫梁中部采用千斤頂施加250 kN荷載以模擬25 t軸重。

4.2.1 頂板縱橫向影響線加載試驗

縱向加載位置在頂板上部中心，自距腹板變截面終點0.6 m開始，以間距0.5 m進行加載，共分為8級，試驗荷載為150 kN(見圖11)。實測橫向應變(16#,43#測點，頂板中心底緣)影響線的變化趨勢與理論計算結果基本一致，但量值上有一定的差別。

圖11 縱向加載影響線及測試結果

橫向加載自距翼緣板邊緣1.6 m開始，各加載點位置見圖12，分為8級加載，試驗荷載為150 kN。從實測頂板中心兩側橫向應變(29#,30#)影響線可以看出，實測影響線變化趨勢與理論計算結果基本一致，但由于受縱向開裂的影響，實測應變明顯具有不連續(xù)性，且開裂部位量值大于理論值。

圖12 橫向加載影響線及測試結果

頂板影響線加載試驗表明：實測試驗荷載作用下頂板應變連續(xù)性較好，影響線變化趨勢與理論計算結果基本一致，但由于頂板縱向開裂、橫向剛度減弱導致實測值在量值上較理論值偏大;實測試驗荷載作用下頂板橫向應變存在明顯的不連續(xù)性，量值上具有較大的差別。根據(jù)實測各跨裂縫測點在縱橫向各級加載下的擴展，推算二期恒載作用下裂縫擴展量約為0.01 mm。

圖13 跨中截面加載橫向應變實測結果

4.2.2 軸重荷載模擬加載試驗

為了解在運營荷載下橋面板橫向受力和裂縫擴展情況，選取跨中截面進行測試。在橋面板上部鋪設35 cm 厚的道砟，并按照設計圖紙布置了鋼軌和軌枕。通過在鋼軌間加設橫梁(鋼軌)，在橫梁中部采用千斤頂施加250 kN荷載以模擬25 t軸重。

利用千斤頂模擬單/雙線25 t軸重在跨中截面加載，從頂板底面實測橫向應變結果(見圖13)可知，由于頂板底緣存在縱向裂縫，其橫向應變呈明顯不連續(xù)。對于頂板中心處(圖13中0 m處)的裂縫，雙線荷載下裂縫擴展量大于單線荷載下的擴展量；中心兩側的裂縫，單線荷載下裂縫擴展量要大于雙線荷載下的擴展量。實測25 t軸重荷載作用下最大應變(跨裂縫)為21×10-6，根據(jù)頂板受力影響線實測結果，考慮特種荷載三軸間相互影響，推算特種荷載作用下最大應變?yōu)?4×10-6。即運營荷載作用下，裂縫擴展量僅為 0.005 mm，頂板縱向裂縫對結構受力影響較小，裂縫的出現(xiàn)主要影響結構耐久性。

5 結論與建議

1)實測箱梁橋面板溫度梯度分布與鐵路規(guī)范規(guī)定的指數(shù)規(guī)律分布曲線及溫差值吻合較好。按鐵路規(guī)范取值進行計算，在正溫度梯度(日照溫差)作用下，橋面板頂面產(chǎn)生壓應力，其縱橫向最大壓應力分別為-6.05，-6.00 MPa；橋面板底面產(chǎn)生拉應力，其縱橫向最大拉應力分別為1.74，2.84 MPa。橫向最大拉應力區(qū)域出現(xiàn)在距截面中心1.0 m范圍內，與實際縱向裂縫出現(xiàn)區(qū)域相一致。

2)道砟能夠有效降低箱梁橋面板頂?shù)拙墱夭?，道砟下部頂、底緣溫差較未鋪設區(qū)域有很大程度下降，均在3 ℃以下。鐵路規(guī)范中雖然規(guī)定有砟箱梁只考慮梁寬方向的溫度荷載，但建議設計時充分考慮在制梁、存梁和架梁期間(軌道鋪設前)豎向溫差對箱梁局部受力的影響。

3)試驗荷載作用下橋面板縱向應變連續(xù)性較好，縱向加載影響線變化趨勢與理論計算結果基本一致，量值上較理論值偏大。橋面板橫向應變存在明顯的不連續(xù)性，各部位實測結果與裂縫走向具有直接對應關系，實測影響線的變化趨勢與理論計算結果基本一致，但量值上有較大差別。根據(jù)實測各跨裂縫測點在縱橫向各級加載下的擴展，推算二期恒載作用下裂縫擴展量約為0.01 mm。

4)由于橋面板存在縱向裂縫，導致其橫向應變不連續(xù)；單、雙線列車荷載分別導致了橋面板中心兩側和中心位置裂縫的擴展。25 t軸重荷載作用下最大應變(跨裂縫)為21×10-6。根據(jù)橋面板受力影響線實測結果，考慮特種荷載三軸間相互影響，推算特種荷載作用下最大應變?yōu)?4×10-6，裂縫擴展量僅為0.005 mm。

存梁期間日照引起的豎向正溫度梯度是橋面板裂縫產(chǎn)生的主要原因。裂縫的出現(xiàn)主要影響結構耐久性，對結構受力影響較小。建議有砟箱梁設計時充分考慮軌道鋪設前豎向溫度梯度的影響。