客運專線簡支箱梁靜載試驗裝置的設(shè)計

林鳳國

(中鐵十三局集團公司 第一工程有限公司，遼寧 大連 116021)

簡支箱梁由于具有受力簡單、形式簡潔、外形美觀、抗彎和抗扭剛度大，建成后養(yǎng)護工作量小等優(yōu)點，在我國客運專線應(yīng)用較多。根據(jù)石太客運專線的橋梁設(shè)計圖紙，整孔簡支箱梁跨度為20 m、24 m、24 m高梁、32 m和40 m。其中32 m跨度及以下箱梁一般多采用整孔預(yù)制法施工，依據(jù)我國《客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件》要求，需要通過靜載試驗來檢驗橋梁是否滿足設(shè)計要求。因此，靜載試驗裝置設(shè)計安全可靠非常重要，隨著橋梁加載噸位的增加，靜載試驗裝置也成為控制梁場建設(shè)投入的主要項目。本文依據(jù)目前客運專線橋梁設(shè)計標準圖及加載要求，對靜載試驗裝置的設(shè)計進行討論。

1 靜載試驗裝置選擇

靜載試驗采用加載和實際荷載效應(yīng)的等效原則，用等效集中力加載模擬實際均布荷載，要求內(nèi)力圖相似且跨中截面內(nèi)力值相等。依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準》(TB/T2092—2003)，對簡支箱梁采用以跨中對稱，五點集中加載，加載點縱向間距為4 m，橫向加載點位于腹板中心線處。因此，對箱梁一共有10個加載點，31.5 m跨箱梁等效加載如圖1所示。加載裝置應(yīng)有足夠的剛度和穩(wěn)定性，其承載能力須控制在1.5～2.5倍最大試驗荷載之間。

1)靜載試驗加載可采用原位堆載法和加力架法。原位堆載是采用現(xiàn)場堆載方式模擬施加集中荷載，適用于現(xiàn)澆梁或加載噸位較小的梁。加力架法是需要通過在試驗臺座設(shè)置一套加載反力裝置，傳遞千斤頂反力，最后通過地基錨塊或梁體來平衡反力的一種試驗方式;這種方式具有加載噸位大、設(shè)計靈活、加載裝置構(gòu)造可選等多種優(yōu)點，適合于預(yù)制梁在臺座進行的靜載試驗。客運專線預(yù)制箱梁由于需要施加較大的荷載，故多采用加力架法。

2)橫向加力架式臺座需在加載位置建造加力反力混凝土支墩，加力橫梁框架可由型鋼組拼而成，施加千斤頂反力需通過5個獨立的反力框架來傳遞。這種方法常在工廠靜載試驗和原來T梁現(xiàn)場靜載試驗中采用。但是這種臺座一次性投入較大，而且不能轉(zhuǎn)場重復(fù)使用;還需要在箱梁上開設(shè)10個方孔，以滿足反力桁架通過，對箱梁受力造成影響，容易產(chǎn)生裂縫;另外，反力墩受力產(chǎn)生變形還直接影響到測量撓度的精度，不符合規(guī)范撓度測量不能受到加載裝置影響的要求。

圖1 31.5 m箱梁等效加載示意(單位:m)

3)縱向反梁式試驗臺座由反力桁架、上下橫梁、拉桿和臨時基礎(chǔ)等幾部分組成。拉桿根據(jù)反力大小可采用鋼鉸線或精軋螺紋鋼。反力桁架可采用制式桿件組拼、軍用梁或箱型鋼梁等構(gòu)造形式。該裝置千斤頂反力由反力桁架承擔，再通過上橫梁及拉桿傳遞給下橫梁，最終反力由箱梁平衡。此種裝置將試驗梁與反力桁架成為一個閉合體系，加載過程中地基反力無任何變化，支座基礎(chǔ)僅承受試驗梁與反力桁架等設(shè)備自重，與橫向加力架式臺座相比，地基反力大大減小，可節(jié)省大量圬工。加載裝置金屬加工量也較小，而且能夠多次重復(fù)使用，是適合客運專線簡支梁靜載試驗的最佳裝置。

經(jīng)過比選，最終選擇縱向反梁式試驗臺座，本文設(shè)計以制式器材萬能桿件作為加載反力桁架梁，構(gòu)造如圖2所示。

圖2 縱向反梁式裝置布置(單位:mm)

2 靜載試驗裝置的荷載要求

試驗加載分兩個循環(huán)進行。以加載系數(shù)K表示加載等級，加載系數(shù)K是加載試驗中梁體跨中承受的彎矩與設(shè)計彎矩之比。靜載試驗兩個循環(huán)和重復(fù)開裂驗證循環(huán)加載、卸載等級與持荷時間如下:

1)第一加載循環(huán):初始狀態(tài)→基數(shù)級(3 min)→0.60(3 min)→0.80(3 min)→靜活載級(3 min)→1.00(20 min)→靜活載級(1 min)→0.60(1 min)→基數(shù)級(1 min)→初始狀態(tài)(10 min)。

2)第二加載循環(huán):初始狀態(tài)→基數(shù)級(3 min)→0.60(3 min)→0.80(3 min)→靜活載級(3 min)→1.00(5 min)→1.05(5 min)→1.10(5 min)→1.15(5 min)→1.20(20 min)→1.10(1 min)→靜活載級(1 min)→0.60(1 min)→基數(shù)級(1 min)→初始狀態(tài)。

當在第二加載循環(huán)中不能判斷是否出現(xiàn)受力裂縫時，應(yīng)進行受力裂縫驗證加載，驗證加載從第二加載循環(huán)卸載至靜活載級后開始。

驗證加載:靜活載級(5 min)→1.00(5 min)→1.05(5 min)→1.10(5 min)→1.15(5 min)→1.20(5 min)→1.10(1 min)→靜活載級→0.60(1 min)→基數(shù)級(1 min)→初始狀態(tài)

若基數(shù)級大于0.60級，則取消0.60級。

按時速250 km客運專線跨度32 m雙線整孔箱梁計算靜載彎曲試驗最大荷載為:1 370 kN/頂×10個千斤頂=13 700 kN，考慮各種因素，取10%的設(shè)計儲備系數(shù)，故試驗臺設(shè)計最大荷載按15 000 kN設(shè)計。

3 加載裝置設(shè)計

此處采用萬能桿件拼裝的縱向反梁式臺座，試驗臺由桁梁、千斤頂橫梁、上橫梁、豎拉桿、下橫梁、底座及加載設(shè)備、油壓系統(tǒng)、橋梁支座共9部分組成。此處主要對雙層主桁架進行計算。主桁架由雙層4片桁架組成，每2片桁架為一組，一組2片桁架橫向連接又劃分為上平面、中平面和下平面。桁架桿件及截面見表1。桁架桿件均采用M型標準萬能桿件，截面由角鋼拼組而成，如表1桿件8M1表示該桿件由8個M1型萬能桿件拼組而成。

采用ANSYS建立三維模型，采用兩端鉸接連接，模型采用桿單元計算，桿件截面參數(shù)見表2，計算模型如圖3。荷載為千斤頂作用的集中荷載，每一荷載取值為1 500 kN，經(jīng)計算得到的最大應(yīng)力如表2所示。

根據(jù)以上計算結(jié)果，可得出桿件的最大軸向應(yīng)力值為197.8 MPa，小于軸向許用應(yīng)力值200 MPa，表明強度符合設(shè)計要求。考慮桁架自重影響后，桁架結(jié)構(gòu)中最大豎向上撓變形理論計算值為73.9 mm，小于設(shè)計100 mm的限值要求。因此，主桁架滿足要求。

4 試驗驗證

以石太客運專線陽曲梁場制梁為例，進行了加載驗證。加載裝置采用萬能桿件拼裝自平衡式反力桁架結(jié)構(gòu)，裝置設(shè)計參數(shù)如前所述。試驗梁混凝土強度等級采用C50，彈性模量設(shè)計值為35.5 GPa，試驗梁跨度為31.5 m，靜載試驗梁齡期為44 d。根據(jù)梁型以及加載試驗齡期，依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準》(TB/T2092—2003)提供的方法，各級加載系數(shù)對應(yīng)的加載值見表3。

為驗證試驗臺座的剛度是否符合要求，試驗過程中對主桁架兩端及跨中變形進行了測量記錄，在第二加載階段1.20級荷載持荷20 min后，記錄的桁架兩端變形值分別為37 mm和65 mm，桁架跨度中點變形值為215 mm;卸荷后桁架兩端對應(yīng)的變形值分別為59 mm和89 mm，跨中點變形值為313 mm。跨中最大絕對變形為98 mm，與理論計算值比較接近，表明理論計算結(jié)果可信，最大變形能夠滿足加載千斤頂200 mm行程的使用要求。桁架跨中實際上拱度值為75 mm;桁梁撓跨比=75/31 500=1/420，剛度符合設(shè)計要求。

表1 桿件截面類型

表2 主桁桿件最大軸力及最大應(yīng)力

圖3 ANSYS計算模型

表3 加載理論計算值

經(jīng)過ANSYS模擬和現(xiàn)場工程試驗結(jié)果表明，按照此方案設(shè)計的加載反梁式試驗臺座，完全適用于客運專線31.5 m跨箱梁的靜載試驗要求。

5 結(jié)語

本文介紹的靜載試驗裝置以萬能桿件和型鋼等桿件構(gòu)成，具有構(gòu)造簡單，拼裝容易，使用和轉(zhuǎn)場方便，適用范圍廣等優(yōu)點，可以滿足各種梁型的試驗要求。本裝置充分利用了力系自平衡原理，受力簡潔明確，加載裝置不會對梁體造成有害破損，也能滿足靜載試驗梁體變形測量不受加載錨固裝置變形影響的要求。實踐證明該裝置綜合效益顯著，具有推廣應(yīng)用價值。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB/T 2092—2003 預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

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