高珊 袁磊 李文淵 高晗

摘 要：為了研究預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土U型梁行車(chē)道板處縱向裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響，選擇實(shí)際工程項(xiàng)目中標(biāo)準(zhǔn)梁段的一個(gè)節(jié)段進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn).通過(guò)對(duì)試驗(yàn)梁節(jié)段進(jìn)行1 000萬(wàn)次的循環(huán)加載，分析了預(yù)應(yīng)力混凝土U型梁行車(chē)道板縱向裂縫的發(fā)展及變化規(guī)律，并通過(guò)一定重復(fù)荷載作用后的靜力試驗(yàn)研究了裂縫發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響.結(jié)果表明，在整個(gè)循環(huán)加載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)位移、混凝土和鋼筋的應(yīng)變及行車(chē)道板的縱向裂縫均隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增加，且前300萬(wàn)次循環(huán)加載變化較大，后期逐漸趨于平穩(wěn)；鋼筋的應(yīng)力幅值較低，不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞；U型梁行車(chē)道板的壽命主要受縱向裂縫控制.

關(guān)鍵詞：城市橋梁；縱向裂縫；U型梁；循環(huán)荷載

中圖分類(lèi)號(hào)：U446.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前 言

U型梁是在槽型梁的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種下承式薄壁式橋梁結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的軌道交通采用的箱梁及T梁而言，具有建筑高度低、斷面利用率高、降低噪聲效果好、美觀(guān)和防止車(chē)輛脫軌后沖出橋梁等優(yōu)點(diǎn)，適用于鐵路橋、公路橋及城市高架橋，目前更是作為主要結(jié)構(gòu)形式被廣泛應(yīng)用于軌道交通中.

預(yù)應(yīng)力混凝土U型梁的主梁腹板作為主要受力構(gòu)件，既作隔音墻，又可防止車(chē)輛傾覆，其工況復(fù)雜，施工繁瑣.預(yù)應(yīng)力混凝土U型梁構(gòu)造獨(dú)特，受力行為與傳統(tǒng)混凝土梁橋不同，除了承受靜載作用外，還要經(jīng)常承受地鐵等車(chē)輛的反復(fù)荷載作用，荷載重復(fù)次數(shù)多、速度快，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)小于靜載強(qiáng)度的情況下發(fā)生脆性破壞，即疲勞破壞.因此，對(duì)于該種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)U型梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及靜載下的受力性能進(jìn)行了一定的研究［1-5］，但針對(duì)U型梁動(dòng)力及疲勞性能等方面的研究較少.因此，為確保結(jié)構(gòu)的承載安全，防止由于U型梁疲勞開(kāi)裂降低梁體和行車(chē)道板的剛度與承載力，影響行車(chē)安全，有必要對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土U型梁行車(chē)道板縱向疲勞裂縫擴(kuò)展問(wèn)題進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究.本研究以國(guó)內(nèi)某城市地鐵30 m預(yù)應(yīng)力混凝土U型梁為背景，通過(guò)選擇標(biāo)準(zhǔn)梁段的一個(gè)節(jié)段進(jìn)行重復(fù)荷載下的疲勞試驗(yàn)，研究重復(fù)荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土U型梁行車(chē)道板縱向裂縫的發(fā)展變化及對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響.

1 試驗(yàn)梁簡(jiǎn)介及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)梁為某城市軌道交通30 m預(yù)應(yīng)力混凝土U型簡(jiǎn)支梁，梁高180 cm，底板厚度為26 cm，內(nèi)側(cè)腹板采用彎弧形等厚度腹板，外側(cè)為上部外鼓的彎弧形變厚度腹板.單梁重約為182 t，采用整孔吊裝施工，后張法施加預(yù)應(yīng)力.根據(jù)現(xiàn)有疲勞試驗(yàn)機(jī)的加載能力及裂縫產(chǎn)生的部位，本研究截取了單梁跨中標(biāo)準(zhǔn)截面的一段作為試驗(yàn)研究對(duì)象，梁體截面如圖1所示.

梁體采用C55混凝土，混凝土彈性模量為3.57×104 MPa，立方體抗壓強(qiáng)度為56.3 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線(xiàn)，普通鋼筋采用HRB335，真空壓漿技術(shù).根據(jù)構(gòu)造和應(yīng)力等效原則，確定了縱向施加的預(yù)應(yīng)力束的大小及位置.

在列車(chē)等活載的反復(fù)作用下，U型梁行車(chē)道板下緣產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力不斷增大，當(dāng)橫向拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)在U型梁下緣產(chǎn)生縱向裂縫.因此，首先需確定等效初始荷載，使得試驗(yàn)梁在初始荷載及預(yù)制節(jié)段梁自重和預(yù)應(yīng)力共同作用下，行車(chē)道板底緣橫向拉應(yīng)力與30 m全梁在自重、預(yù)應(yīng)力及二期恒載作用下產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力相等；其次，根據(jù)30 m全梁在常遇荷載作用下行車(chē)道板橫向產(chǎn)生的應(yīng)力幅，確定出模型梁的荷載幅值，使得模型梁在此荷載幅的作用下產(chǎn)生與全梁相同的橫向應(yīng)力.

根據(jù)以上原則，計(jì)算確定試驗(yàn)梁的等效荷載，并對(duì)其進(jìn)行重復(fù)加載，觀(guān)察預(yù)應(yīng)力混凝土U型梁行車(chē)道板縱向裂縫的發(fā)展變化，并通過(guò)一定重復(fù)荷載作用后的靜力試驗(yàn)，研究裂縫發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響.

2 加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置

2.1 加載裝置

本研究采用MTS液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，最大加載噸位1 000 kN，最大頻率為10 Hz.試驗(yàn)梁為簡(jiǎn)支，通過(guò)分配梁在軌道縱梁上進(jìn)行兩點(diǎn)加載，加載裝置如圖2所示.

由于該試驗(yàn)梁所在工程尚處于施工階段，無(wú)法用實(shí)測(cè)法編制荷載譜，故本研究參照國(guó)內(nèi)有關(guān)類(lèi)似尺寸U型梁疲勞試驗(yàn)［6-7］，根據(jù)其工程段行車(chē)組織及客流量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)得到的交通荷載譜，采用Miner線(xiàn)性累計(jì)損傷法換算等效試驗(yàn)疲勞荷載譜，參考其疲勞荷載上下限的設(shè)計(jì)值，同時(shí)考慮本研究加載設(shè)備的穩(wěn)定性，最終確定該試驗(yàn)疲勞荷載下限為25 kN，上限為240 kN，采用常幅正弦波加載.U型梁鋼筋及混凝土的縱橫向應(yīng)變采用電阻應(yīng)變片及應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)試.梁體各向變形采用位移計(jì)進(jìn)行測(cè)試.

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

2.2.1 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

為了測(cè)量行車(chē)道板在荷載作用下的應(yīng)力變化，監(jiān)測(cè)U型梁行車(chē)道板裂縫的開(kāi)展情況，在試驗(yàn)梁行車(chē)道板底部布設(shè)多個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn).其中，有7個(gè)縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖3），26個(gè)橫向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖4）.在U型梁行車(chē)道板的下層鋼筋中布置7個(gè)縱向鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖5）.在U型梁行車(chē)道板的橫向鋼筋處布置12個(gè)橫向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖6）.

2.2.2 位移測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)梁共布置位移測(cè)點(diǎn)9個(gè).其中，在U型試驗(yàn)梁行車(chē)道板跨中底部布置5個(gè)豎向位移測(cè)點(diǎn)；在U型梁行車(chē)道板橫斷面處布置2個(gè)軸向位移測(cè)點(diǎn)；在U型梁左右腹板頂部各布置1個(gè)橫向位移測(cè)點(diǎn).U型試驗(yàn)梁位移測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示.

在進(jìn)行正式疲勞試驗(yàn)之前，用MTS液壓伺服系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行70%設(shè)計(jì)荷載的預(yù)加載，以消除非彈性影響.

3 結(jié)果與分析

U型試驗(yàn)梁共經(jīng)歷了1 000萬(wàn)次循環(huán)反復(fù)加載.循環(huán)加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖8與圖9所示.為了獲得U型梁在承受一定次數(shù)循環(huán)荷載作用后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，試驗(yàn)分別在U型梁經(jīng)歷200萬(wàn)次、400萬(wàn)次、600萬(wàn)次、800萬(wàn)次和1 000萬(wàn)次循環(huán)加載后，停機(jī)對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，以觀(guān)測(cè)U型梁位移、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)及梁體裂縫發(fā)展情況對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力和使用安全的影響.

3.1 應(yīng)變測(cè)試

隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，U型試驗(yàn)梁的縱橫向應(yīng)變均有所增加，梁體的縱橫向剛度有所下降.各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變隨荷載的增加呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，表明U型試驗(yàn)梁在荷載作用下處于線(xiàn)彈性工作狀態(tài).圖10為跨中結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)處鋼筋橫向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)SST9在不同循環(huán)次數(shù)下的荷載應(yīng)變圖.

由圖10可知，相同荷載作用下，初始加載至200萬(wàn)次循環(huán)加載之前鋼筋的橫向應(yīng)變?cè)龇^大，200萬(wàn)次后至1 000萬(wàn)次循環(huán)加載時(shí)，鋼筋的橫向應(yīng)變?cè)隽糠浅Ｐ?表明在200萬(wàn)次循環(huán)加載后，混凝土已開(kāi)裂至鋼筋處，U型梁行車(chē)道板底板部分受拉區(qū)混凝土退出工作；200萬(wàn)次至1 000萬(wàn)次循環(huán)加載過(guò)程中，U型梁結(jié)構(gòu)處于帶裂縫工作狀態(tài)，裂縫開(kāi)展緩慢，未對(duì)結(jié)構(gòu)再次造成較為嚴(yán)重的損傷.

圖11給出了U型試驗(yàn)梁跨中結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)及道路中心線(xiàn)附近鋼筋測(cè)點(diǎn)的靜應(yīng)力幅.從圖中可以看出，與初始加載時(shí)相比，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的鋼筋靜應(yīng)力幅均有增大.結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)處的鋼筋應(yīng)力幅比道路中心線(xiàn)處鋼筋的應(yīng)力幅要大.結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)處測(cè)點(diǎn)SST9處的鋼筋應(yīng)力幅最大，平均應(yīng)力幅為26.5 MPa.在200萬(wàn)次循環(huán)加載后，測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力幅均出現(xiàn)明顯增幅，200萬(wàn)次至1 000萬(wàn)次循環(huán)加載過(guò)程中，鋼筋應(yīng)力幅增幅不大.

3.2 位移測(cè)試

U型梁在豎向荷載作用下，試驗(yàn)梁的梁體發(fā)生豎向變形.其中，U型梁行車(chē)道板跨中截面道路中心線(xiàn)處DV3測(cè)點(diǎn)的豎向位移最大.在各級(jí)循環(huán)加載后的最大靜載作用下，選取在有代表性的200萬(wàn)次、600萬(wàn)次和1 000萬(wàn)次循環(huán)加載后的最大靜載作用下，對(duì)U型梁行車(chē)道板跨中截面中心線(xiàn)處DV3測(cè)點(diǎn)的豎向位移進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)點(diǎn)DV3在不同循環(huán)次數(shù)下荷載位移如圖12所示.

從跨中截面道路中心線(xiàn)DV3測(cè)點(diǎn)在不同循環(huán)次數(shù)下荷載位移圖可以看出，試驗(yàn)梁在初始、200萬(wàn)次和600萬(wàn)次加載的荷載位移曲線(xiàn)差別較大，而600萬(wàn)次與1 000萬(wàn)次加載的荷載位移曲線(xiàn)卻十分接近.在加載初期，加載至50 kN時(shí)，不同循環(huán)次數(shù)下的荷載位移區(qū)別不大，初始加載時(shí)豎向位移為0.34 mm，200萬(wàn)次時(shí)為0.37 mm，600萬(wàn)次時(shí)為0.32 mm，1 000萬(wàn)次時(shí)為0.32 mm.隨著荷載的增加，不同循環(huán)次數(shù)下的荷載位移逐漸發(fā)生偏離，當(dāng)加載至225 kN時(shí)，初始加載時(shí)豎向位移為1.55 mm，200萬(wàn)次時(shí)為1.67 mm，600萬(wàn)次時(shí)為1.88 mm，1 000萬(wàn)次時(shí)為1.89 mm.說(shuō)明隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，跨中截面道路中心線(xiàn)處測(cè)點(diǎn)的豎向撓度逐漸增加，表明試驗(yàn)梁的整體剛度有所衰減.同一荷載作用下，前600萬(wàn)次循環(huán)加載的位移變化較大，600萬(wàn)次時(shí)的位移比初始加載位移增加了21%，而600萬(wàn)次以后變化非常小.說(shuō)明試驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)在前600萬(wàn)次循環(huán)加載產(chǎn)生裂縫并擴(kuò)展后，600萬(wàn)次到1 000萬(wàn)次結(jié)構(gòu)處于帶裂縫工作狀態(tài)，而裂縫幾乎沒(méi)有發(fā)展，未對(duì)結(jié)構(gòu)造成進(jìn)一步損傷，試驗(yàn)梁整體剛度也沒(méi)有進(jìn)一步退化，這與應(yīng)變測(cè)試結(jié)果反映的情況基本一致.

3.3 裂縫測(cè)試

在U型試驗(yàn)梁不同次數(shù)的循環(huán)加載過(guò)程中，不斷地通過(guò)肉眼及裂縫寬度檢測(cè)儀對(duì)試驗(yàn)梁梁體裂縫的發(fā)展情況進(jìn)行觀(guān)測(cè)，同時(shí)結(jié)合混凝土應(yīng)變測(cè)量值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)觀(guān)測(cè)裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展及裂縫寬度.

0～20萬(wàn)次循環(huán)加載過(guò)程中，U型試驗(yàn)梁未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂縫.大約20萬(wàn)次循環(huán)加載后，在U型梁橋面板底板中心線(xiàn)與加載中心線(xiàn)之間，出現(xiàn)2條長(zhǎng)度約30 cm的縱向裂縫；100萬(wàn)次循環(huán)加載后，U型梁橋面板底板共產(chǎn)生22條縱向裂縫；200萬(wàn)次循環(huán)加載后，U型梁橋面板底板新增縱向裂縫14條；400萬(wàn)次循環(huán)加載后，U型梁橋面板底板新增縱向裂縫14條，其中僅有2條裂縫出現(xiàn)在300萬(wàn)次循環(huán)加載之后；600萬(wàn)次循環(huán)加載后，U型梁橋面板底板新增縱向裂縫3條；1 000萬(wàn)次循環(huán)加載后，U型梁橋面板底板無(wú)新增縱向裂縫.截止1 000萬(wàn)次循環(huán)加載結(jié)束時(shí)，共發(fā)現(xiàn)縱向裂縫53條，主要分布在U型梁底板跨中至兩加載位置之間.各級(jí)循環(huán)加載后U型梁橋面板底板裂縫分布情況如圖13所示.各級(jí)循環(huán)加載所產(chǎn)生裂縫比例示意圖如圖14所示.

綜合U型梁橋面板底板裂縫開(kāi)展情況可以看出，梁體裂縫主要集中出現(xiàn)在200萬(wàn)次循環(huán)加載之前，200萬(wàn)次循環(huán)加載之后主要是裂縫的擴(kuò)展和延伸，通過(guò)對(duì)位移和應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，這種裂縫的擴(kuò)展和延伸對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷不顯著.前200萬(wàn)次循環(huán)加載生裂縫36條，占裂縫總數(shù)的67.93%；300萬(wàn)次循環(huán)加載以后僅新增5條裂縫.同時(shí)也印證了200萬(wàn)次循環(huán)加載以后應(yīng)變曲線(xiàn)變化不大，以及600萬(wàn)次循環(huán)加載以后位移變化不大的事實(shí).

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目中U型梁的1個(gè)節(jié)段進(jìn)行循環(huán)反復(fù)加載試驗(yàn)，研究了循環(huán)荷載作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土U型梁行車(chē)道板的受力特點(diǎn)和裂縫發(fā)展及變化規(guī)律，可以得到以下結(jié)論：

1）隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，在相同荷載作用下U型試驗(yàn)梁的混凝土與鋼筋的應(yīng)變及試驗(yàn)梁的位移均有所增加，表明試驗(yàn)梁在循環(huán)荷載作用下，出現(xiàn)疲勞損傷累積，梁體的剛度有所下降.該系列變化在循環(huán)加載前期（200萬(wàn)次循環(huán)加載之前）表現(xiàn)比較明顯，循環(huán)加載后期逐漸平穩(wěn).

2）在循環(huán)荷載反復(fù)作用下，U型梁行車(chē)道板底板的裂縫均為縱向短裂縫.90%以上的縱向裂縫出現(xiàn)在循環(huán)加載前期即300萬(wàn)次循環(huán)加載之前，循環(huán)加載后期裂縫發(fā)展非常緩慢.

3）在循環(huán)荷載反復(fù)作用下，U型梁行車(chē)道板鋼筋的應(yīng)力幅比較小，不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，U型梁行車(chē)道板的壽命主要受縱向裂縫控制.

參考文獻(xiàn)：

［1］Zhang J F， Jing Y， Li P D，et al.Experimental and Numerical Investigation on the Ultimate Vertical Bearing Capacity of U-Shaped Girder with Damaged Web［J］.Sensors，2019，19（17）：3735-1-3735-20.

［2］Xu J C，Chen S G ，Guo Q Q，et al.Experimental and analytical studies of U-shaped thin-walled RC beams under combined actions of torsion，flexure and shear［J］.Int J Concr Struct M，2018，12 （1）：1-17.

［3］馮仲仁，呂爾燕，郭蒙蒙.循環(huán)荷載作用下鋼纖維混凝土梁疲勞試驗(yàn)研究［J］.中外公路，2020，40（5）：191-195.

［4］王起才，薛彥瑾，張戎令，等.高速鐵路無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支槽型梁靜載彎曲試驗(yàn)研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，48（4）： 463-467.

［5］李強(qiáng)，王起才，張戎令，等.蘭新二線(xiàn)全預(yù)應(yīng)力混凝土槽型梁的靜載試驗(yàn)研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，15（2）： 414-421.

［6］莊嚴(yán).城市軌道交通U型梁靜載試驗(yàn)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2011.

［7］張婷.城市軌道交通荷載作用下的U型梁疲勞損傷性能試驗(yàn)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2011.

（實(shí)習(xí)編輯：姚運(yùn)秀）

Abstract：

In order to study the influence of longitudinal crack on the safety of prestressed reinforced concrete u-beam deck， a section of a practical project was selected for cyclic load test.Through the method of 10 million times of cyclic loading on the test beam segment， the development and the variation law of longitudinal cracks of prestressed concrete U-beam deck were analyzed， and the influence of crack development on structural safety was studied through static test after certain cyclic loading.The results show that during the entire cyclic loading process， the structural displacement， the strain of the concrete and steel bars， and the longitudinal cracks of the deck increase with the number of load cycles.The change before 3 million cycles of loading is obvious but gradually stabilizes in the later stages; the stress amplitude of the steel bar is low， which will not cause fatigue damage; the life of the U-beam deck is mainly controlled by longitudinal cracks.

Key words：

municipal bridge; longitudinal crack; U-beam; cyclic load