面向雙層交通的混凝土箱梁橋彈性試驗研究

祝明橋，顏澤峰，陳 林，劉 濤

(湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411100)

橋梁作為重要的交通樞紐，其通行能力及設計形式對城市交通狀況影響很大.為適應當前公路、鐵路運輸量的急劇增長，多車道、寬橋面橋梁越來越多.然而建造寬橋需要提供較大的橋梁用地并付出高昂的下部工程費用，同時還常常造成施工上的許多困難.為此，橋梁工作者在很早就提出了雙層橋的概念.與單層寬橋相比，雙層橋具有以下顯著的優點：(1)減少工程投資.因為雙層橋共用主體結構，充分發揮主體結構的能力，減少基礎工程.(2)實現土地、空間的節約和資源共享.(3)有利于解決人車分流，減少交通事故.目前在實際工程中應用較多的雙層橋類型主要是鋼桁架橋或鋼-混凝土組合桁架橋[1].雖然雙層鋼桁架橋具有受力性能好、施工速度快、結構重量輕等優點，但也具有造價高、梁高大、噪音大等缺點.隨著近幾十年混凝土箱梁橋[2]的大規模應用，混凝土箱梁具有的造價低、剛度大、噪音低等優點已被熟知.因此，采用混凝土箱梁結構形式建造雙層交通橋梁開始受到關注.1980年建成的奧地利的帝國橋是世界上第一座真正多功能的混凝土箱梁雙層橋，該橋的建成為混凝土箱梁橋發展的一個里程碑[3].2005年建成的澳門西灣大橋[4]是世界上第一座實現箱內外交通的預應力混凝土箱梁斜拉橋，該橋上層頂板設為雙向六車道公路，下層底板設為雙向兩線的輕軌和兩線機動車道.

與傳統RC箱梁結構相比，RC箱梁雙層交通橋梁結構存在明顯的不同：(1)為滿足內部采光和通風要求，腹板需要大面積開孔；(2)為滿足內部通車功能，箱梁內部無橫隔板；(3)箱梁底板需要承受荷載.這些特征導致其具有獨特的受力特征，其設計方法顯然也與傳統箱梁不完全相同.Shun-ichi Nakamura[5]提出了一種新型的部分混凝土填充鋼箱梁.采用這些新型梁進行靜態彎曲載荷試驗，并使用有限元軟件開發了簡單的計算方法.計算結果與試驗結果一致，計算方法已經過驗證.Xin Ruan[6]研究了一例連續預應力混凝土剛架橋的數值模擬，建立了線彈性和非線性非彈性分析，并通過計算揭示了裂縫形貌的路徑.Guo Tong[7]等研究了用SMPM加固鋼筋混凝土(RC)橋梁箱梁的可行性，對三層鋼筋混凝土箱梁進行了彎曲試驗，在此基礎上提出了預測鋼筋混凝土箱梁彎曲和脫粘能力的公式.Kim[8]對鋼筋混凝土組合箱梁進行了三維有限元分析和材料的強度研究，確定復合箱梁在彎曲和扭轉中的極限強度及其相互作用.方志[9]等對一座30 m跨徑的預應力混凝土簡支箱梁進行了足尺模型破壞性試驗,用5種相關規范對箱梁抗彎極限承載力及正常使用極限狀態下的變形、裂縫進行驗算.汪建群[10]等在雙層集中荷載作用下對雙層交通RC箱梁進行了受彎全過程破壞試驗.結果表明:彈性工作狀態下按照不同工況在箱梁頂、底板施加均布荷載作用時,存在不同剪力滯效應;雙層集中荷載作用破壞性試驗證實了寬跨比、高跨比均較大的雙層交通混凝土箱形截面梁的受彎破壞過程可分為彈性階段、彈塑性發展階段、最終破壞階段.郭建斌[11]和鄭為明[12]通過有機玻璃的模型試驗分別對腹板開孔雙層交通箱梁橋的剪力滯效應和畸變效應進行了研究.魏伏佳[13]對雙層交通RC伸臂箱梁進行了大比例(1∶6)模型試驗，并探討了該結構在雙層荷載下的剪力滯效應.另一方面，在腹板開孔RC梁的研究方面，已有許多文獻報道.

對交通需求較大的橋梁(例如大中型城市的橋梁)進行雙層交通設計可以在有限的土地上構建綜合性的立體交通，大大提高其運輸能力.然而，目前面向雙層交通的RC箱梁橋結構體系的理論研究大大滯后于實踐應用.該結構的受力特點和設計方法研究幾乎處于空白.有鑒于此，本研究設計了一種可以滿足上部公路、下部軌道交通功能要求的RC箱梁，并采用大比例(1∶6)模型對其靜力彈性性能進行了初步探討.

1 面向雙層交通的混凝土箱梁橋

實現雙層交通混凝土簡支箱梁作為全新類型的箱形截面梁，與普通箱梁具有明顯的區別，目前尚無特別針對雙層交通箱梁設計的理論或技術規范.本文參考現有的箱梁設計理論[14]、城市道路橋梁相關技術規范以及實際工程經驗，設計出一種能夠滿足雙層交通功能需求的箱梁結構形式[15].

本設計所考慮的橋梁為中等城市的中等跨徑橋梁，需要滿足公路車輛、軌道交通以及人流通行等多種功能需求.

橋梁跨度選為48 m，且考慮到跨徑較小且為方便后期試驗和分析，該橋采用混凝土簡支箱梁的結構形式.箱梁截面采用常見的單箱三室等截面斜腹板形式，見圖1.箱梁頂板(上層交通)寬度確定為24.5 m，具有雙向雙幅機動車通行、人行及緊急逃生等功能.箱梁高度和底板寬度分別確定為7.4 m和13.2 m.由于本雙層交通混凝土箱梁設計為斜腹板，箱梁斜腹板的斜率一般不超過tg30°.本文取斜腹板斜率為tg20°，底板中室需要的功能寬度為2 m，而中腹板間距根據中室的跨度決定，腹板厚度取0.15 m，故中腹板間距為2.3 m.底板(下層交通)邊室設計為雙向城市輕軌交通、緊急停車情況下疏散人群用的消防通道，底板中室設計為城市電纜管線等布置、檢修通道及消防逃生通道.

圖1 面向雙層交通的混凝土箱梁橋圖(左視圖)Fig.1 Illustration of the RC box girder oriented to double-deck bridges (left view)

考慮到箱梁內部通車的功能需求，箱梁內部(包括梁端)不設置橫隔板，取而代之的是每隔12 m設置一道橫向加勁肋，從而提高箱梁的橫向剛度.在四根腹板跨中截面兩側各設置一個較大的矩形孔洞，這是考慮到：(1)作為中小跨度的城市橋梁，宜采用自然通風的方式，因此孔洞面積比較大；(2)相對于圓孔，開方孔箱梁的受力分析相對簡單；(3)考慮了后續模型試驗中底部加載的方便性.箱梁結構橫斷面如圖1所示.

2 試驗方案

2.1 鋼筋混凝土箱梁模型

考慮到試驗場地及試驗成本的限制，對上述設計的雙層交通RC箱梁進行1∶6比例的縮尺.如圖2所示，模型箱梁總長8 m，梁高1.24 m，頂板寬4 m，懸挑390 mm，底板寬2.31 m，頂板和底板厚度均為60 mm，腹板厚度150 mm，頂板懸挑根部厚度80 mm.頂板支座截面、1/4截面與跨中截面處加勁肋寬度(不計入漸變段寬度，下同)×高度分別為300 mm×110 mm，120 mm×110 mm和300 mm×110 mm.底板支座截面、1/4截面與跨中截面處加勁肋寬度×高度分別為300 mm×300 mm，120 mm×150 mm和300 mm×150 mm.腹板孔洞寬度×高度為1 850 mm×640 mm.邊腹板與頂板交接處承托寬度×高度為150 mm×50 mm，中腹板與頂板交接處承托寬度×高度為50 mm×50 mm.為了對底板進行加載，在頂板預留了兩個直徑120 mm的小孔.頂板的縱、橫向的分布筋，底板的縱、橫向的分布筋及箍筋都是采用直徑是6 mm的HPB235級鋼筋；腹板與頂板交接處的四根梁的頂層鋼筋與腹板與底板交接處的四根梁的底層鋼筋均采用直徑是22 mm的HRB335級鋼筋，腹板與頂板交接處的四根梁的底層鋼筋與腹板與底板交接處的四根梁的頂層鋼筋均采用直徑是12 mm的HPB235級鋼筋，具體的配筋圖如圖2(d)所示.整個試驗模型分兩次澆筑.先澆筑底板，后澆筑頂板及腹板.混凝土攪拌方式采用機械攪拌.

圖2 鋼筋混凝土箱梁模型(1∶6)Fig.2 RC box-girder model (1∶6)

2.2 材料

本試驗按照中國《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)的規定進行混凝土材料性能試驗.在每次進行混凝土澆筑的同時預留相應的混凝土試塊.混凝土試塊尺寸有150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件和150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，混凝土各項力學性能如表1所示.試驗模型采用HPB235、HRB335兩種型號鋼筋，鋼筋規格有Φ6、Φ12、Φ22三種，實測鋼筋各項力學性能指標如表2所示.

表1 混凝土材料特性

表2 鋼筋材料性能

2.3 加載和測試方案

本試驗實際包括兩組試驗，共6個工況，如圖3所示，其中，試驗I-a和I-b采用砂袋堆載的方式進行均布加載，加載位置分別位于邊室頂板和底板.試驗II采用集中加載方式，在距離支座2 500 mm位置的頂底板進行四點對稱加載.如圖3所示，試驗II-a、II-b、II-c和II-d分別為頂板邊部加載、頂板中部加載、底板邊部加載和底板中部加載.圖4以試驗II-c為例給出了加載裝置的示意圖.試驗構件兩端均為簡支邊界條件，且其計算寬度為7.4 m.其中一端支座處放置四個固定橡膠支座，另一端支座處放置四個四氟乙烯滑板支座.考慮到本試驗僅針對箱梁的彈性工作性能，測量變量主要包括箱梁頂板(1-1～4-4截面)混凝土縱向應變以及底板撓度，鋼筋應變則不在本次測量范圍.應變計和位移計的設置情況如圖4所示.每個工況下每一級的頂、底板荷載增量以及頂、底板最大荷載值見表3.

圖3 加載方式圖Fig.3 Illustration of the loading regime

圖4 試驗II-c的測試設置Fig.4 Illustration of the test setup for test II-c

試驗工況加載形式加載位置加載級別一級二級三級四級五級六級最大總荷載I-a均布加載頂板3.143.143.143.143.921.7618.24I-b均布加載底板2.122.122.122.121.2N/A9.68II-a集中加載頂板邊部25252525N/AN/A100II-b集中加載頂板中部25252525N/AN/A100II-c集中加載底板邊部25252525N/AN/A100II-d集中加載底板中部25252525N/AN/A100

注：1.測試I的加載單位為kN/m，其他為kN;2.N / A表示“不可用”.

3 試驗結果

3.1 混凝土應變

圖5(a)～圖5(d)所示分別為試驗I中箱梁1-1、2-2、3-3和4-4截面處頂板混凝土縱向應變沿橫向的分布曲線，其中應變方向以受壓為正.由圖可知，在均布荷載作用下，箱梁加勁肋截面及非加勁肋截面頂板均呈現出正剪力滯[16]現象；且荷載作用于頂板較荷載作用于底板而言，其應變的橫向分布更不均勻.例如2-2截面見圖5(b)，當荷載作用于頂板時(Test I-a)，中腹板與頂板交接處最大壓應變為20 με，腹板間頂板最小壓應變為13 με，二者相差42.4%；當荷載作用于底板時(Test I-b)，相應的最大壓應變為9.9 με，最小壓應變為8.1 με，二者相差20.0%.同時可以看到，同一荷載工況下，離梁端支座越近的截面頂板應變變化程度越顯著.

圖5 頂板縱向應變的橫向分布(試驗I)Fig.5 Transverse distributions of longitudinalstrain on top plate (Test I)

圖6(a)～圖6(b)所示分別為試驗II中箱梁頂板3-3和4-4截面處混凝土的縱向應變沿橫向的分布曲線.由圖可知，試驗II四種工況對應的兩個截面處混凝土頂板應變分布都不均勻.荷載作用于邊梁時，其邊梁應變較中梁應變要大；反之亦然.其主要原因在于該箱梁的橫向剛度不夠大，因此在集中荷載作用下箱梁的豎向變形沿橫向差異較大.特別地，當荷載作用于頂板邊梁和中梁時，孔洞截面(即3-3截面)處頂板應變的橫向分布差異分別為94.7%和99.6%.其原因除了上述箱梁整體變形存在差異外還包括孔洞處發生了明顯的局部変形.

圖6 頂板縱向應變的橫向分布(試驗II)Fig.6 Transverse distributions of longitudinalstrain on top plate (Test II)

3.2 撓度

集中荷載作用于頂板邊梁(即Test II-a)和底板邊梁(即Test II-c)時，底板邊梁撓度沿縱向的分布曲線如圖7(a)所示.頂板中梁(即Test II-b)和底板中梁(即Test II-d)加載時底板中梁撓度沿縱向的分布曲線如圖7(b)所示.其中，圖7利用了構件的雙軸對稱特性，即圖中撓度值為邊梁或中梁撓度在縱、橫兩個方向平均后的結果，且圖中僅繪制一半長度的撓度曲線.如圖所示，當頂板加載(即Test II-a和Test II-b)時，其撓度分布曲線呈近似直線的形態，這與一般受彎構件的拋物線形撓度曲線具有明顯區別.這是因為矩形孔洞顯著增加了箱梁的剪切變形.對于底板加載(即Test II-c和Test II-d)，孔洞處的撓度值出現突變，這說明在孔洞處加載時產生了明顯的局部變形.此外，由圖可知，荷載與撓度基本呈線性增長，說明構件處于彈性工作范圍，這與本次實驗目的是契合的.

圖7 底板梁撓度的縱向分布(試驗II)Fig.7 Longitudinal distributions of beamdeflections on bottom plate (Test II)

圖8所示為箱梁底部四根梁的跨中撓度最大值沿橫向的分布曲線.其中，圖中撓度值為邊梁或中梁撓度沿橫向平均后的結果.由圖可知，同一位置在不同工況下的撓度差異明顯，且同一工況下邊梁和中梁的撓度值差異較大，即撓度橫向分布不均勻.當荷載作用于某一位置時，其對應位置的撓度較大.這與前述混凝土頂板應變分布規律是對應的.由此可知，雖然該箱梁模型在跨中截面處設置了橫向加勁肋，但其橫向剛度仍然較小.

圖8 4-4截面底板梁撓度的橫向分布(試驗II)Fig.8 Transverse distributions of beam deflectionson bottom plate for Section 4-4 (Test II)

4 結論

根據使用功能和相關規范要求設計了一種新型的雙層交通橋梁.該橋梁采用鋼筋混凝土箱梁作為橋梁上部結構，通過取消箱梁內部橫隔板來實現箱梁內部通車.本文對該雙層交通箱梁進行了縮尺(1∶6)模型試驗，對其靜力彈性工作性能進行了初步研究.主要結論如下：

(1)腹板孔洞對箱梁整體及局部變形均有較大影響，說明該箱梁的腹板孔洞設置偏大，因此今后優化設計時應減小孔洞大小.

(2)集中荷載作用下箱梁底板撓度沿橫向分布極不均勻，說明該箱梁的橫向加勁肋剛度偏小，因此今后應盡可能加大橫向加勁肋的尺寸.

(3)均布加載時箱梁頂板呈現出正剪力滯現象，且頂部加載時的剪力滯效應較底部加載時要大.因此，今后結構設計時應考慮上下加載情況的影響.

本文是對這類雙層交通橋梁進行探索性研究，雖然試驗結果并不十分理想，但為后期相關研究奠定了基礎.誠然，為了建立合理有效的結構體系，還需要完成大量的基礎研究工作.例如結構的參數優化、動力性能研究等，這些將在后續研究中陸續展開.