趙鴻陽(yáng)

(西南交通大學(xué),四川成都 610031)

U型梁作為一種新穎的下承式橋梁結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代城市的軌道交通建設(shè)中。與傳統(tǒng)的T型梁和箱梁相比，U型梁能夠有效阻隔輪軌噪音，具有降低建筑高度，降低運(yùn)營(yíng)成本，提升行車(chē)安全性、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)[1]。自2009年國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用U型斷面的橋梁結(jié)構(gòu)以來(lái)，U型梁的預(yù)制與施工技術(shù)日趨成熟。與傳統(tǒng)的槽形梁類(lèi)似，U型梁的空間結(jié)構(gòu)及其受力特性復(fù)雜。在荷載作用下，主梁兩側(cè)腹板受到彎、剪、扭耦合作用，底板除了受到雙向彎曲和扭轉(zhuǎn)作用外，還會(huì)和腹板共同參與受力。此外，兩側(cè)腹板存在不對(duì)稱(chēng)性；U型梁只在縱向張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，而不在橫向布置。針對(duì)U型梁復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和受力特性，對(duì)結(jié)構(gòu)在工程運(yùn)營(yíng)中的受力和變形情況進(jìn)行建模分析和模型靜載試驗(yàn)十分重要[2]。同時(shí)，也可以為今后U型梁的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)的優(yōu)化改善提供重要的依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)梁簡(jiǎn)介

本次靜載試驗(yàn)的試驗(yàn)梁選自濱海新區(qū)軌道Z4線(xiàn)一期工程高架區(qū)高架橋梁，為單線(xiàn)薄壁開(kāi)口U型梁，標(biāo)準(zhǔn)跨徑30m，梁高1.8m，梁寬5.395m。梁體底板與腹板厚度均為26cm，梁端加厚段底板厚度為40cm。其制作工藝為全先張拉預(yù)應(yīng)力施工，在天津市為首例。梁體采用C55混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束采用直徑15.20mm的低松弛高強(qiáng)鋼絞線(xiàn)，底板鋼束布設(shè)分為兩層，共100束。

1.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了解U形梁制作過(guò)程中的性能以及正常使用狀態(tài)下的強(qiáng)度及剛度等性能，以跨度30m的U型梁為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試該梁在制作過(guò)程中的各個(gè)施工階段的應(yīng)力(增量)、變形(增量)情況，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工。梁制作完成后，進(jìn)行抗彎靜載試驗(yàn)，研究U形梁在正常使用狀態(tài)和其他受力階段的性能,為該類(lèi)梁在軌道交通中的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

總結(jié)以往U型梁靜載試驗(yàn)的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)采用機(jī)電百分表在跨中以及支座斷面處布置位移測(cè)點(diǎn)(圖1、圖2)。

應(yīng)變測(cè)試采用在試驗(yàn)梁表面粘貼電阻應(yīng)變片和底板預(yù)埋振弦式混凝土傳感器兩種方式，其中底板預(yù)埋的振弦式混凝土計(jì)用于測(cè)量鋼絞線(xiàn)放張后的有效預(yù)應(yīng)力。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的斷面布置圖如圖3所示。

圖1 支點(diǎn)處撓度測(cè)點(diǎn)布置

圖2 跨中處撓度測(cè)點(diǎn)布置

圖3 跨中應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

在各荷載工況的加載過(guò)程中，觀察梁體底部是否有裂縫產(chǎn)生，并采用裂縫觀測(cè)儀觀測(cè)裂縫的寬度和深度。

1.4 試驗(yàn)加載

本試驗(yàn)采用千斤頂模擬五點(diǎn)集中力進(jìn)行加載[3]，加載千斤頂下端墊40cm×40cm×2cm的傳力鋼板，鋼板下設(shè)置厚度為40cm的木方枕木,長(zhǎng)度及寬度略大于傳力鋼板。加載裝置示意圖如圖4所示。

圖4 30 m U梁加載示意(單位：cm)

靜載試驗(yàn)加載工況共以下四個(gè)：預(yù)應(yīng)力筋放張后梁體有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試(工況一)；1.0倍設(shè)計(jì)荷載滿(mǎn)足跨中最大彎矩加載(工況二)；1.2倍設(shè)計(jì)荷載滿(mǎn)足跨中最大彎矩加載(工況三)；1.0倍設(shè)計(jì)荷載下支座不均勻沉降滿(mǎn)足跨中最大彎矩加載(工況四)。

2 理論計(jì)算模型

U型梁作為一種空間異形結(jié)構(gòu)，在荷載作用下受力行為復(fù)雜。為準(zhǔn)確分析試驗(yàn)梁在各個(gè)荷載工況下的受力及位移情況，本試驗(yàn)采用有限元通用軟件ANSYS進(jìn)行建模分析?；炷敛捎脤?shí)體單元Solid45進(jìn)行模擬，預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)則采用桿系單元Link8進(jìn)行模擬，并將混凝土及預(yù)應(yīng)力筋鋼絞線(xiàn)節(jié)點(diǎn)耦合以模擬粘結(jié)。全梁模型共 68 483個(gè)單元，模型示意圖如圖5所示。

圖5 ANSYS模型示意

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試

在預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)放張后，對(duì)之前在5個(gè)斷面預(yù)埋的振弦式混凝土傳感器進(jìn)行測(cè)試?？缰袛嗝娴装逵行ьA(yù)應(yīng)力實(shí)測(cè)值及理論計(jì)算值對(duì)比如圖6所示。

圖6 跨中斷面有效預(yù)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比(單位：MPa)

在梁體混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80 %后放張預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，底板有效預(yù)應(yīng)力在縱向分布上，跨中斷面最大，為7.5MPa左右；由上圖可知，在橫向分布上，與跨中斷面類(lèi)似,各測(cè)試斷面均為靠近左右兩側(cè)腹板位置處較大，靠近底板中間處較小。試驗(yàn)測(cè)得的梁體有效預(yù)應(yīng)力與理論模型計(jì)算值相比基本接近，印證了建模計(jì)算的正確性。

3.2 1.0倍設(shè)計(jì)荷載加載

在1.0倍設(shè)計(jì)荷載下，滿(mǎn)足跨中彎矩最大和支點(diǎn)剪力最大，所測(cè)得的跨中位移增量隨荷載的增加基本呈現(xiàn)線(xiàn)性相關(guān)，說(shuō)明試驗(yàn)梁的應(yīng)力應(yīng)變均處于彈性階段。表1、表2給出了跨中斷面梁體底板的應(yīng)力及豎向位移的測(cè)量值與理論值。由表中數(shù)據(jù)可知，底板上、下緣應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值較為接近。底板下緣應(yīng)力小于C55混凝土開(kāi)裂應(yīng)力，且試驗(yàn)過(guò)程中梁體底部并未發(fā)現(xiàn)裂紋，說(shuō)明梁體在正常使用狀態(tài)下抗裂性較好。

3.3 1.2倍設(shè)計(jì)荷載加載

在1.2倍設(shè)計(jì)荷載作用下，底板仍未出現(xiàn)裂縫，且底板應(yīng)力及豎向位移仍隨荷載的增加基本呈線(xiàn)性增加的趨勢(shì)，說(shuō)明梁體仍處于彈性階段。該工況下加載至1.44倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，底板下緣跨中位置處首次發(fā)現(xiàn)縱向裂縫，寬度約為0.02mm，長(zhǎng)度約為9cm。直至該工況加載完畢，底板下緣肉眼可見(jiàn)數(shù)條縱向裂縫，但未發(fā)現(xiàn)橫向裂縫。

表1 跨中斷面實(shí)測(cè)應(yīng)力σs與理論計(jì)算應(yīng)力σl對(duì)比 MPa

表2 實(shí)測(cè)位移與理論計(jì)算位移對(duì)比 mm

3.4 1.0倍設(shè)計(jì)荷載支座不均勻沉降滿(mǎn)足跨中最大彎矩加載

該工況以降低一處支座的墊板高度的方式來(lái)模擬實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能發(fā)生的支座不均勻沉降情況。該工況下，跨中斷面底板下緣最大縱向拉應(yīng)力為2.98MPa，跨中斷面處豎向位移為19.056mm。整個(gè)加載過(guò)程當(dāng)中梁體結(jié)構(gòu)整體并未發(fā)現(xiàn)橫向裂縫，也未發(fā)現(xiàn)新增縱向裂縫。支座處剪應(yīng)力小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度且四個(gè)支座附近均未發(fā)現(xiàn)斜裂縫。

4 結(jié)論

(1)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)放張后，梁體跨中斷面有效預(yù)應(yīng)力為7.5MPa左右，且結(jié)構(gòu)在跨中斷面處上撓9.8mm與理論模型計(jì)算結(jié)果基本接近，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由于U型梁截面空間效應(yīng)的影響，結(jié)構(gòu)斷面上有效預(yù)應(yīng)力分布規(guī)律為底板中間處較小，靠近兩側(cè)腹板處較大。

(2)在1.0倍設(shè)計(jì)荷載作用下，梁體結(jié)構(gòu)整體處于彈性階段，說(shuō)明梁體具有良好的施工強(qiáng)度及剛度，能保證其在運(yùn)營(yíng)荷載下的正常使用。

(3)在1.2倍設(shè)計(jì)荷載作用下，梁體整體并未發(fā)現(xiàn)裂縫，說(shuō)明結(jié)構(gòu)具有良好抗裂性。梁體的縱向裂縫出現(xiàn)的荷載為1.44倍設(shè)計(jì)荷載；梁體在試驗(yàn)全程并未出現(xiàn)縱向裂縫。

(4)在不均勻沉降荷載工況下，支座處剪應(yīng)力小于設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度，且支座附近并未發(fā)現(xiàn)斜裂縫，梁體整體結(jié)構(gòu)抗剪性能滿(mǎn)足要求。