雙層均布荷載作用腹板開孔混凝土簡支箱梁模型試驗研究分析

祝明橋，汪建群，王 凡，孫康杰

（湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭411201）

混凝土箱梁因具良好受力性能而特別適用于中等跨度城市橋梁。通過取消其橫隔板，使頂、底板均成為橋面系，同時在腹板上開設必要的孔洞以滿足通風、采光及消防等要求，可實現雙層交通［1］。該種形式的雙層橋可有效緩解當前城市土地資源緊張及交通擁堵等現狀［2］。

20世紀60年代出現了混凝土箱梁雙層橋的雛形［3］，其上層為公路橋面，下層底板兩側設懸臂板作為人行道。中國的南昌大橋［4］、重慶嘉悅大橋［5］和長沙營盤東路瀏陽河大橋［6］均采用了類似的結構形式。因需克服箱梁腹板開孔、取消橫隔板等一系列難題，在混凝土箱梁室內實現交通較為困難。而目前的相關研究較為滯后。學者們對雙層荷載作用箱梁受力性能研究多見于有機玻璃模型試驗或數值模擬分析［7－9］，對腹板開孔混凝土梁的研究多見于T梁或深梁［10－11］。中國有少數學者對雙層荷載作用箱梁或腹板開孔梁受力性能進行了探討。郭建斌運用有機玻璃模型試驗和有限元分析方法對雙層荷載連續箱梁剪力滯效應進行研究并得到其規律［12］；黃泰赟和蔡健等［13－14］對腹板開設圓孔和矩形孔鋼筋混凝土簡支矩形梁進行了系列試驗研究，為開孔梁力學模型和設計方法的建立提供了試驗依據。隨后祝明橋等［15］對腹板開有矩形孔的鋼筋混凝土簡支梁建立空間有限元模型進行非線性數值分析，并對其孔洞高度、孔側加強筋等參數進行分析，得出了一些有價值的結論。對于面向雙層交通混凝土箱梁而言，抗彎受力性能為其最主要設計參數之一，而目前相關試驗數據較為缺乏。

筆者按1∶6比例設計了腹板開孔單箱三室鋼筋混凝土簡支箱梁，對其在雙層均布荷載作用彈性工作狀態下的受力性能進行了試驗測試。主要研究了雙層均布荷載作用下簡支箱梁關鍵截面變形和應變分布規律；并建立有限元模型對試驗進行模擬分析。在有限元分析與試驗結果相吻合的基礎上，探討了雙層均布荷載作用下腹板開孔對結構抗彎受力性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗模型及測點布置

在模型設計之前，采用混凝土簡支箱梁設計了一座中等跨度城市雙層橋，該橋上層道路為II級主干路，雙向4車道；下層為C－I型列車，雙向通行。試驗模型箱梁為該雙層橋的1∶6縮尺模型。模型箱梁混凝土強度等級為C50，采用HPB235和HRB335鋼筋。試驗模型考慮因底板通車取消了箱梁內部常規設置的橫隔板，在模型支座截面、1／4跨及跨中設置了環向加勁肋；考慮采光、通風及消防安全需求，在腹板開設了矩形孔。試驗模型箱梁實物及平面圖如圖1所示。

為測試模型箱梁在雙層均布荷載作用下關鍵截面變形和應變分布規律，分別在1／8跨、1／4跨、3／8跨和跨中截面布置混凝土應變片；在支座截面及跨內八分點截面安裝百分表，具體布置如圖2所示。

圖1 試驗模型箱梁實物及平面圖

圖2 箱梁試驗模型截面尺寸及測點布置（單位：mm）

1.2 加載方案

采用均布荷載模擬橋梁的汽車及列車活荷載，本試驗采用砂袋和砝碼堆載實現均布荷載加載。以箱梁跨中彎矩等效為原則，按設計荷載等級計算其正常使用極限狀態效應組合下等效均布荷載q1＝16.91kN／m，承載能力極限狀態作用效應組合下q2＝35.98kN／m，開裂時對應的均布荷載q3＝26.81kN／m，加載最大均布荷載q＝18.84kN／m＝111%q1＝52%q2＝70%q3。由于僅針對雙層均布荷載作用腹板開孔混凝土簡支箱梁在彈性范圍內受力性能進行試驗研究，綜合考慮試驗目的，并保證箱梁不開裂，兼顧箱梁頂板、底板加載的可操作性和安全性，加載荷載設置如下：1）分3種工況加載，其中工況1和工況2僅分別在箱梁頂板和底板加載，工況3在箱梁頂板和底板同時加載。工況3加載裝實物如圖3所示。2）各工況均分4級加載，不同工況的同一級荷載大小一致。具體加載制度如表1所示。

圖3 工況3實物圖

表1 加載制度

1.2 測試方法

試驗主要對模型關鍵截面的撓度和應變進行測試。考慮到結構受力處于彈性范圍內，相同試驗進行多次，同時利用截面的對稱性，取其平均值作為最終的試驗結果。據試驗結果建立三維有限元模型，與實測數據進行對比分析。

2 試驗結果與分析

為節省篇幅，此處將實測結果與有限元結果進行同步闡述。采用ANSYS對試驗梁建立三維有限元模型，鋼筋和混凝土分別采用link8和solid65單元模擬，邊界條件和加載制度與試驗一致，材料力學性能采用試驗實測值。基于材性試驗，得到各材料加載時刻的特性如下：

混凝土標準立方體抗壓強度fcu0＝58.1MPa，軸心抗壓強度fc0＝48.8MPa，彈性模量Ec0＝4.61×104MPa。

普通鋼筋R235的屈服強度fy0－R235＝318MPa，彈性模量ES0－R235＝2.03×105MPa；HRB335的屈服強度fy0－HRB335＝400MPa，彈性模量 ES0－HRB335＝2.06×105MPa。

有限元模型如圖4所示。

2.1 撓度結果

不同工況作用模型梁撓度曲線的試驗值和有限元對比分析如圖5所示。圖中利用了截面的對稱性，分析與試驗結果各取一半，以箱梁中軸線為對稱軸，左邊為實測數據，以虛線表示；右邊為分析數據，以實線表示。需要說明的是，由于各種工況作用下第3級荷載與第4級荷載差值較小，圖中未給出第3級荷載對應的撓度。

圖4 腹板開孔混凝土簡支箱梁有限元模型

圖5 試驗梁撓度實測值與分析值比較

由圖5可知：

1）在不同工況均布荷載作用下，模型梁撓度隨加載等級的提高呈比例增長，表明試驗梁處于彈性工作范圍內。

2）荷載作用在底板時（工況2）在跨中產生的撓度最大，為0.45mm，荷載同時作用于頂、底板時（工況3）次之，為0.43mm，荷載作用于頂板時（工況1）最小，為0.41mm。工況2作用下跨中撓度值較工況1偏大9.7%。說明底板加載對腹板開孔簡支箱梁的撓度影響較大。

3）由有限元結果與試驗值對比分析可知，在相同荷載作用下，分析值較實測值偏大3%～6%。試驗工況作用下各關鍵截面撓度計算值與實測值吻合良好，因此建立的有限元模型可反映試驗梁的受力性能。

2.2 應變

試驗梁在各級荷載作用下，各截面應變實測值與分析值對比結果如圖6所示。為節省篇幅，此處僅給出1－1截面（未開孔）和3－3截面（開孔）結果，同樣利用截面的對稱性對其進行描述。即試驗實測值與分析結果各取一半，以箱梁橫截面中軸線為對稱軸，左邊為實測數據，以虛線表示；右邊為分析數據，以實線表示。

圖6 試驗梁應變實測值與分析值比較

由圖6可知：

1）各級荷載作用下，應變實測值與有限元計算值規律一致，實測值較計算值偏小5%～15%。

2）不論是1－1截面還是3－3截面截面，工況1作用下（荷載直接作用于頂板）頂板應變最大，工況2作用下（荷載直接作用于底板）頂板應變最小，工況3作用時其應變居二者之間。

3 開孔對雙層交通混凝土簡支箱梁受力性能影響分析

在上述模型梁受力性能實測與有限元分析結果相吻合的基礎上，探討了模型梁腹板開孔與否對其受力性能的影響。

3.1 撓度

開孔與否對試驗梁撓度影響比較結果如圖7。

圖7 開孔與否對試驗梁撓度影響比較

由圖7可知：工況1～工況3開孔箱梁的跨中撓度分別為0.41、0.45、0.43mm，不開孔箱梁對應的撓度分別為0.32、0.37、0.35mm。就試驗模型梁而言，對于工況1～工況3，開孔箱梁相對比不開孔箱梁其跨中撓度分別增大了28.1%、21.6%和22.9%。因此，腹板開孔對承受雙層荷載鋼筋混凝土簡支箱梁變形性能有較大影響。

3.2 應變

開孔與否對試驗梁應變影響比較結果如圖8。為明確表示應變分布規律，作出截面對應的剪力滯系數分布圖。為節省篇幅，僅給出1－1截面和3－3截面結果，同樣利用截面的對稱性對其進行描述。其中左側虛線和右側實線分別表示開孔和不開孔梁的應變值或剪力滯系數。

圖8 開孔與否對試驗梁應變影響比較

由圖8可知：相對于腹板開孔簡支箱梁而言，腹板未開孔時其截面應變分布較為均勻。對應的剪力滯系數也較小。由于工況1作用下剪力滯效應最大，此處以工況1剪力滯系數為例展開闡述。對于開孔和未開孔梁而言，工況1作用下1－1截面剪力滯系數變化范圍分別為0.34～2.58和0.59～2.00，3－3截面對應的數值分別為0.50～1.39和0.81～1.19。因此，腹板開孔對簡支箱梁剪力滯有較大影響。

4 結論

1）對雙層均布荷載作用腹板開孔混凝土簡支箱梁在彈性范圍內受力性能進行了大比例模型試驗研究，并就腹板開孔與否對其受力性能影響進行了有限元分析。

2）均布荷載作用在雙層箱梁底板時（工況2）在跨中產生的撓度最大，荷載同時作用于頂、底板時（工況3）次之，荷載作用于頂板時（工況1）最小；底板加載對腹板開孔簡支箱梁的撓度影響最大。

3）就腹板開孔與否對雙層均布荷載作用簡支箱梁抗彎受力性能的影響進行了有限元分析。分析結果表明：腹板開孔對承受雙層荷載鋼筋混凝土簡支箱梁抗彎受力性能有較大影響。實際設計可考慮采取如下措施減小腹板開孔對箱梁受力產生的不利影響：優化開孔方式、考慮在箱梁內設置加勁環、在開孔處設置鋼結構桁架等。

［1］祝明橋，蔣偉中，霍海強.混凝土巨型箱形截面梁及其設計理論［J］.建筑科學與工程學報，2010，27（3）：85－88.Zhu M Q，Jiang W Z，Huo H Q.Concrete huge box section girder and its design theory ［J］.Journal of Architecture and Civil Engineering，2010，27（3）：85－88.

［2］楊永賢，張天明，于長皓，等.重慶高家花園復線橋公軌雙層交通方案構思［J］.交通科技，2013（5）：100－103.Yang Y X，Zhang T M，Yu C H，et al.Conception of design scheme of double－deck traffic for the double－line bridge of Gaojiahuayuan［J］.Transportation Science ＆Technology，2013（5）：100－103.

［3］Alali S，Li J Z，Guo G Z.Double deck bridge behavior and failure mechanism under seismic motions using nonlinear analyzes ［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2013，12（3）：447－461.

［4］李煥堯.南昌大橋工程簡介［J］.公路，1992（4）：30－31.Li H Y.The introduction of Nanchang Bridge ［J］.Highway，1992（4）：30－31.

［5］鄧宇，漆勇.重慶嘉悅大橋設計與施工［J］.中外公路，2011，31（4）：90－92.Deng Y， Qi Y.The design and construction of Chongqing Jiayue Bridge ［J］.Journal of China ＆Foreign Highway，2011，31（4）：90－92.

［6］何斌，蔣田勇，田仲初，等.斜度及縱曲率對類雙層斜連續箱梁頂推施工的影響［J］.中外公路，2012，32（4）：186－188.He B，Jiang T Y，Tian Z C，et al.The effects of slope and longitudinal curvature in incremental launching construction for double－deck continuous box girder［J］.Journal of China ＆ Foreign Highway，2012，32（4）：186－188.

［7］Humpf K，Müller M，Silingardi C.Design，analysis and construction of Puente Mercosur－third bridge across the Orinoco River ［C］／／Proceedings of the 7th New York City Bridge Conference，2013.CRC Press：1745－1752.

［8］Clot A，Romeu J，Arcos R，et al.A power flow analysis of a double－deck circular tunnel embedded in a full－space ［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2014，57：1－9.

［9］Sung Y C，Chiu Y T，Chang T H，et al.An in－situ experiment of f－bent double－deck free way bridge ［C］／／The Thirteenth East Asia－Pacific Conference on Structural Engineering and Construction，2013：1206－1235.

［10］Keun－Hyeok Y，Heon－Soo C，Ashraf F A.Influence of inclined web reinforcement on reinforced concrete deep beams with openings ［J］.ACI Structural Journal，2007，104（5）：580－589.

［11］Keun－Hyeok Y，Ashraf F A.Effectiveness of web reinforcement around openings in continuous concrete deep beams［J］.ACI Structural Journal Volume，2008，105（4）：414－424.

［12］郭建斌.雙層荷載連續箱梁剪力滯效應研究［D］.福州：福州大學，2003.

［13］蔡健，黃泰赟，李靜.腹部開有圓孔的鋼筋混凝土簡支梁的試驗研究［J］.土木工程學報，2009，42（10）：27－35.Cai J，Huang T Y，Li J.Experimental study of simply supported reinforced concrete beams with circular web openings［J］.China Civil Engineering Journal，2009，42（10）：27－35.

［14］黃泰赟，蔡健.腹部開有矩形孔的鋼筋混凝土簡支梁的試驗研究［J］.土木工程學報，2009，42（10）：36－45.Huang T Y，Cai J.Experimental study on simply supported reinforced concrete beams with rectangular web openings ［J］.China Civil Engineering Journal，2009，42（10）：36－45.

［15］祝明橋，霍海強，蔣偉中，等.腹部開孔鋼筋混凝土簡支梁非線性數值模擬［J］.土木建筑與環境工程，2011，33（1）：199－202.Zhu M Q，Huo H Q，Jiang W Z，et al.The non－linear analysis of simply supported reinforced concrete beams with rectangular web opening ［J］.Journal of Civil Architectural ＆ Environmental Engineering，2011，33（1）：199－202.