杜勝男

中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司 河北 涿州 072750

運(yùn)輸行業(yè)伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步提升而逐步發(fā)展。作為近半個多世紀(jì)以來陸路運(yùn)輸?shù)闹饕煌ǚ绞?，鐵路以其運(yùn)輸速度快、單次運(yùn)輸量多的獨(dú)特優(yōu)勢在大宗物資的運(yùn)輸上起著無可替代的作用[1]，譬如石油、煤炭、鋼鐵等材料的運(yùn)輸均離不開鐵路。在快節(jié)奏的社會發(fā)展趨勢下，為加大運(yùn)輸量、降低各類材料運(yùn)輸成本、提高國民經(jīng)濟(jì)效益，運(yùn)輸大宗貨物已經(jīng)開始由普通鐵路向重載鐵路發(fā)展[2]。重載鐵路于20世紀(jì)60年代開始制造，其列車軸重達(dá)25 t，之后上升至30 t；20世紀(jì)90年代，北美率先開始制造軸重35 t以上的重載列車[3]。我國重載鐵路于20世紀(jì)80年代開始發(fā)展[4]，目前處于世界領(lǐng)先水平。作為重載鐵路之基，鐵路的橋梁、根基對于能否安全、高效的運(yùn)輸起到?jīng)Q定性作用，但其往往存在一定的安全隱患，尤其是在重載條件作用下。故本文主要研究重載鐵路預(yù)應(yīng)力梁的抗裂性能。

預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁[5]以其承載效果較好、受力方式簡單（靜定結(jié)構(gòu)）、結(jié)算難度較小等優(yōu)勢而被廣泛使用，在穿越河流、峽谷、公路等復(fù)雜情況時，橋梁發(fā)揮著獨(dú)特的優(yōu)勢，目前我國最常見的簡支橋梁跨度一般在40 m以下。

隨著鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，重載鐵路出現(xiàn)以后，其運(yùn)量增大、速度提升，加之橋梁經(jīng)常建設(shè)于惡劣環(huán)境當(dāng)中，導(dǎo)致其出現(xiàn)危害的概率逐步增大。分析重載運(yùn)輸對混凝土預(yù)應(yīng)力梁的影響具有一定的必要性。重載列車通過橋梁，會增大梁所受的垂直荷載，導(dǎo)致其撓度增大，對梁體產(chǎn)生不利作用；重載列車不僅增大了列車軸重、運(yùn)輸質(zhì)量，還在運(yùn)輸密度、速度上都有所提升，導(dǎo)致其疲勞作用不斷加強(qiáng)[6]、承受的動荷載持續(xù)處于一個較高值，從而導(dǎo)致梁體的開裂，影響結(jié)構(gòu)的安全。根據(jù)斜裂縫病害在高32 m的橋梁出現(xiàn)得較多的情況，本文以渝黔鐵路某橋段進(jìn)行研究。

1 工程概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

渝黔鐵路為我國“十二五”綜合交通運(yùn)輸體系規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，總長近347 km，其在加快沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展上發(fā)揮著巨大作用，該線屬于國家Ⅰ級鐵路干線，設(shè)計(jì)年運(yùn)輸能力為1 100萬 t。全線最主要梁型為高32 m的預(yù)應(yīng)力混凝土梁，本文選取研究橋段部分為雙線橋，該橋基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)、板式柱墩，采用盆式橡膠活動支座，梁端存在斜裂縫[2]（圖1）。

圖1 第4孔梁端斜裂縫

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

分別研究具有斜裂縫和完整情況下預(yù)應(yīng)力混凝土梁在靜載作用下的撓度和起裂特征，對當(dāng)下各型號列車作用下的梁體的撓度、拉應(yīng)力及剪應(yīng)力、主應(yīng)力展開測試。靜力測試布置在上行側(cè)第3、第4孔，測點(diǎn)各面布置如圖2、圖3所示。因第3孔梁為完整情況下的梁，而第4孔梁存在斜裂縫，因此測試應(yīng)力沒有價值。為了研究斜裂縫對梁的影響，因此在內(nèi)梁相應(yīng)點(diǎn)位預(yù)設(shè)應(yīng)力傳感器，測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)見表1。

圖2 測點(diǎn)縱向布置示意

圖3 試驗(yàn)測點(diǎn)布置示意

表1 試驗(yàn)測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

2 研究結(jié)果分析

2.1 跨中撓度分析

分別對各測點(diǎn)進(jìn)行測量，靜載試驗(yàn)荷載為該段鐵路運(yùn)行期間的實(shí)際荷載（C64、C70、C80列車實(shí)際荷載，下同）。統(tǒng)計(jì)出測試的列車實(shí)際荷載作用下各撓度的實(shí)測值如表2所示，對比分析各荷載下的撓度值，其隨著荷載的增加，無論第3孔還是第4孔的內(nèi)、外側(cè)，跨中撓度值均呈現(xiàn)增長態(tài)勢；對比第3孔與第4孔，無論是內(nèi)側(cè)梁還是外側(cè)梁，在以上3種荷載情況下第3孔撓度總小于第4孔，即有斜裂紋的孔撓度值較大；對于各孔而言，無論施加任何荷載，孔內(nèi)外側(cè)梁撓度總高于內(nèi)側(cè)梁。

表2 跨中撓度實(shí)測值統(tǒng)計(jì)

將上表中撓度值轉(zhuǎn)換為“中-活載”作用下的撓度值，數(shù)據(jù)見表3。分析轉(zhuǎn)換為均布荷載后的數(shù)據(jù)，第3、第4孔的撓度最大值均出現(xiàn)在C70荷載的外側(cè)梁，其大小分別為12.81 mm和13.49 mm，此時對應(yīng)的撓跨比也為最大值，分別是1/2 498、1/2 371。分析不同情況下各位置的撓度在各荷載作用下的情況，有斜裂紋的梁體撓度值均比完好梁體的值大，最大相差值達(dá)6.5%?？變?nèi)2片并置梁中1片具有裂縫，則跨中撓度值差異達(dá)到4.0%，以上說明斜裂縫對結(jié)構(gòu)的承載能力起到消極作用。

表3 “中-活載”換算值統(tǒng)計(jì)

2.2 梁底混凝土應(yīng)力增量分析

試驗(yàn)測試的列車荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中應(yīng)力增量測量值如表4所示，根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制出增量實(shí)測值（圖4）。根據(jù)圖表分析：各荷載作用下，第4孔內(nèi)側(cè)、外側(cè)梁的跨中應(yīng)力增量值較第3孔都偏大，兩者最大相差25.8%，說明具有斜裂縫的梁體跨中梁底混凝土應(yīng)力增量值比完整狀態(tài)下的值大，因此斜裂縫的存在降低了梁體的承載能力。

表4 跨中梁底應(yīng)力增量值統(tǒng)計(jì) 單位：MPa

圖4 跨中梁底混凝土應(yīng)力增量實(shí)測值

表5 梁端應(yīng)力增量實(shí)測值統(tǒng)計(jì)

圖5 梁端剪應(yīng)力增量隨列車荷載變化

2.3 梁端截面應(yīng)力增量分析

試驗(yàn)測試的列車荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土梁梁端應(yīng)力增量測量值如表5所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制如圖5所示的散點(diǎn)圖。各列車荷載作用下，第3、第4兩孔的剪應(yīng)力增量值均大于拉應(yīng)力增量值，依次相差12.5%、12.9%、13.8%，說明梁端斜裂縫的破壞為剪應(yīng)力導(dǎo)致。

根據(jù)散點(diǎn)圖分析剪應(yīng)力增量值，隨著施加的列車荷載逐步提升，梁端的剪應(yīng)力值呈現(xiàn)增大趨勢，荷載值由C64增加到C80，第3、第4孔剪應(yīng)力分別提升了33.3%、36.1%。分別分析不同情況下的第3、第4孔剪應(yīng)力，均表現(xiàn)為后者增量大于前者，即有裂縫的梁剪應(yīng)力增量大于沒有裂縫的梁，差值區(qū)間為20.0%～25.5%，說明斜裂縫導(dǎo)致梁體的受力性能降低。其次，分析梁端的主拉應(yīng)力，隨著施加的列車荷載逐步提升，荷載值由C64增加到C80，第3、第4孔主拉應(yīng)力分別提升了31.8%、41.8%。分別分析不同荷載下的第3孔和第4孔主拉應(yīng)力，均表現(xiàn)為第4孔的主拉應(yīng)力增量大于第3孔，即有裂縫的梁主拉應(yīng)力增量大于沒有裂縫的梁，差值區(qū)間為3.3%～14.7%，同樣說明斜裂縫導(dǎo)致梁體的受力性能降低。最后，分析梁端的主壓應(yīng)力，隨著施加的列車荷載逐步提升，荷載值由C64增加到C80，第3、第4孔主壓應(yīng)力分別提升了33.3%、21.4%。分別分析不同荷載下的第3孔和第4孔主壓應(yīng)力，均表現(xiàn)為第4孔的主壓應(yīng)力增量大于第3孔，即有裂縫的梁主壓應(yīng)力增量大于沒有裂縫的梁，同樣說明斜裂縫導(dǎo)致梁體的受力性能降低。

靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同試驗(yàn)荷載的列車作用下，梁體存在斜裂縫的梁端截面的應(yīng)力增量測量值比完整狀態(tài)下最大多25.5%，說明梁端存在的斜裂縫使得結(jié)構(gòu)性能有所下降，且趨勢顯著。

3 結(jié)語

本文通過對具有斜裂縫和完整情況下的32 m高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，對線路重載列車荷載作用下的完整橋梁和具有裂縫的橋梁的測試結(jié)果進(jìn)行分析，包括其撓度和各項(xiàng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

1）對存在裂紋的橋梁和完好無損的橋梁進(jìn)行靜載對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在各不同荷載情況作用下，有、無斜裂縫這2種情況下梁的跨中撓度、應(yīng)力增加量差距峰值分別為6.5%、25.8%，表現(xiàn)為在具有斜裂縫的梁體中略大；當(dāng)孔中2塊并排放置的梁中有1塊具有斜裂縫，則內(nèi)梁和外梁撓度測量值差異峰值可達(dá)4.0%。該試驗(yàn)結(jié)果說明斜裂縫的存在使得橋體結(jié)構(gòu)的承受荷載能力減弱。

2）在各不同的荷載試驗(yàn)情況中，具有斜裂縫的梁體，其梁端截面的各應(yīng)力（剪、主拉、主壓應(yīng)力）增量的測量值與完整情況差異峰值達(dá)到 25.5%，說明梁端的斜裂縫使梁體結(jié)構(gòu)承受荷載的能力削弱。有、無斜裂縫情況下梁端剪應(yīng)力增量測量值與主拉應(yīng)力增量測量值差異峰值達(dá)到13.8%，均表現(xiàn)為前者居大，說明剪應(yīng)力為影響梁端斜向裂縫的主要因素。