高速鐵路32 m優化簡支箱梁靜載試驗研究

石龍

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

21 世紀初，我國在秦沈客運專線建設中開始應用跨度24 m 標準簡支箱梁，確立了梁場預制、運梁車運輸、架橋機架設的高速鐵路標準梁施工模式［1］。2007年鄭西高速鐵路建設中，首次應用并定型了350 km/h的32 m 標準簡支箱梁，梁高取3.0 m。后期發布的通用參考圖中箱梁結構尺寸除橋面寬度外其余參數均變化不大［2-3］，特別是跨中腹板厚度，因采用預應力雙排布束，受制于管道間距的構造要求，均為450 mm。隨著高速鐵路簡支箱梁應用經驗的積累、預應力體系的發展，32 m標準簡支箱梁存在一定的優化空間［4-5］。

2017 年以來，中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所結合國鐵集團科研課題，開展了350 km/h 32m 簡支箱梁的優化工作，結合應用需求對優化后的32 m 簡支箱梁制作了足尺試驗梁進行試驗研究。為評估箱梁的整體受力和變形是否滿足設計要求，有必要開展足尺試驗梁的1.2級靜載彎曲試驗，開裂、重裂試驗和2.0 級破壞性試驗。本文對試驗中的箱梁應變、撓度等數據進行了分析，為優化箱梁的設計和應用提供支撐。

1 足尺試驗梁設計

1.1 優化設計方案

結合高速鐵路箱梁前期設計和試驗成果［6］，提出梁高為2.8，3.0 m共2種優化設計方案［7-8］。足尺試驗梁為梁高2.8 m箱梁優化方案，截面尺寸見圖1。與既有32 m 箱梁相比，腹板預應力采用單排布束，腹板厚度由450 mm減小為360 mm。

圖1 32 m足尺試驗梁截面尺寸（單位：mm）

1.2 主要設計參數

32 m 箱梁主要設計參數見表1。與既有32 m 箱梁相比，優化足尺試驗梁的混凝土用量減少了12%，基頻與撓跨比均有所降低。

表1 32 m箱梁主要設計參數

2 試驗加載及測點布置

2.1 試驗加載

靜載試驗包含1.2級靜載彎曲試驗，開裂、重裂試驗和2.0 級破壞性試驗。采用縱向5 排加載方式，每排間距4 m。每排橫向采用2點加載，加載點作用于箱梁腹板中心處頂板，加載圖示見圖2。試驗加載采用靜載試驗自動加載系統，可控制各級單頂力偏差在0.5%以內。試驗加載荷載考慮橋面二期恒載尚未施加及預應力收縮徐變損失尚未完成等因素，箱梁各級荷載下單頂力見表2。

圖2 靜載試驗加載圖式（單位：mm）

表2 靜載試驗箱梁各級荷載下單頂力 kN

2.2 測點布置

1）跨中底板底面測點

在跨中截面底板底面沿梁體縱向3 m 范圍內布置外貼式鋼弦應變計（圖3），共30個測點。

圖3 底板底面測點布置（單位：mm）

2）跨中截面及1/4截面測點

在跨中截面布置外貼振弦應變計（圖4），共22 個測點。

圖4 跨中截面測點布置（單位：mm）

3）百分表測點布置

在跨中截面和兩端支座中心線截面左右各布置1個百分表測試梁體跨中撓度，共6個百分表。

3 試驗結果

3.1 靜載彎曲試驗

1）跨中撓度

1.2級靜載彎曲試驗箱梁跨中撓度見圖5。可見：①箱梁跨中撓度與單頂力保持良好的線性關系，相關系數均大于0.999，荷載作用下梁體處于線彈性工作狀態。②箱梁實測跨中靜活載撓度為5.78 mm，對應撓跨比1/5 413，小于設計撓跨比1/4 193，箱梁豎向剛度滿足要求。③根據撓度結果推算出試驗時箱梁梁體平均彈性模量為45.8 GPa。

圖5 1.2級靜載彎曲試驗箱梁跨中撓度

2）跨中截面中性軸高度

1.2 級靜載彎曲試驗箱梁跨中截面沿梁高的應變見圖6。可知：K=1.0級與K=1.2級時實測箱梁截面中性軸高度分別為1.838，1.875 m，平均值為1.864 m，與設計值1.820 m接近。

圖6 1.2級靜載彎曲試驗箱梁跨中截面沿梁高的應變

3）跨中底緣應變

圖7 1.2級靜載彎曲試驗箱梁跨中底緣應變

1.2 級靜載彎曲試驗箱梁跨中底緣（3.0 m 范圍內）應變見圖7。可見：①箱梁跨中截面底緣各測點的混凝土實測應變與單頂力呈線性關系，相關系數均大于0.999，未出現明顯增大或減小的現象，箱梁混凝土處于彈性工作狀態；②加載至1.2 倍設計荷載時箱梁跨中下緣混凝土實測平均應力為13.99 MPa（彈性模量取45.8 GPa），與理論計算值12.51 MPa接近。

3.2 開裂、重裂試驗

1）應變測試

開裂試驗箱梁跨中底緣應變見圖8。可知，當K＜1.40 級時，實測應變與加載荷載有較好的線性關系；當K在 1.40～1.45 級時，測點應變出現了拐點；繼續加載，部分測點應變急劇增大，兩側測點應變有所減小，表明箱梁截面底緣出現了裂縫。

圖8 開裂試驗箱梁跨中底緣應變

開裂試驗箱梁首條裂縫出現在4#測點，其應變見圖9。理論應變按全截面計算，彈性模量取靜載實測彈性模量。可知，箱梁跨中開裂荷載約為1 340 kN，對應梁體抗裂安全系數為1.434，與設計值1.440接近。

圖9 開裂試驗箱梁首條裂縫區域應變

4#測點開裂與重裂試驗應變對比見圖10。可知：當K＜1.15 級時，重裂試驗與開裂試驗測點應變吻合良好，表明梁體底緣尚未消壓；當K≥1.15 級以后，重裂試驗測點應變增量逐漸增大，表明梁體底緣消壓后裂縫張開。可知，足尺試驗梁跨中重裂荷載約為962 kN，對應荷載等級為1.121，略大于設計值1.090。

圖10 4#測點開裂、重裂試驗應變對比

2）撓度測試

開裂試驗箱梁跨中撓度見圖11。可知：當K≤1.50時，撓度與荷載具有良好的線性關系；當K＞1.50 級時，由于裂縫的出現梁體剛度降低，撓度與荷載關系曲線出現拐點。撓度拐點相比應變拐點有所滯后。

圖11 開裂試驗箱梁跨中撓度

開裂、重裂試驗箱梁跨中撓度結果對比見圖12。可知：當K≤1.30 級時，重裂試驗與開裂試驗跨中撓度基本一致；當K＞1.3 級時，重裂試驗與開裂試驗跨中撓度有一定差異。

圖12 開裂、重裂試驗箱梁跨中撓度結果對比

3.3 2.0級破壞性試驗

2.0級破壞性試驗裂縫分布如圖13所示。試驗梁在破壞試驗階段裂縫開展情況如下：①K＞1.65 級時，箱梁跨中6.0 m 范圍內的下緣陸續產生新的彎曲裂縫，靠近箱梁跨中L/4～3L/8的腹板陸續產生新的彎剪斜裂縫，并延伸至底板。②K＞1.80 級時，靠近箱梁梁端L/10～L/4的腹板陸續產生腹剪斜裂縫，未延伸至底板（首條腹剪斜裂縫于重裂試驗K=1.80 級時產生）。③K=1.90 級時，跨中彎曲裂縫、斜裂縫延伸至腹板與翼緣板圓倒角處。④K=2.00 級時，梁體裂縫分布均勻，裂縫形態和發展趨勢正常，跨中裂縫間距在15～25 cm，裂縫寬度約0.8 mm，梁端腹剪裂縫寬度在0.25～0.40 mm，梁體未出現混凝土壓潰或預應力鋼絞線斷絲等破壞跡象。⑤卸載后跨中裂縫基本閉合，梁端腹剪斜裂縫有所殘余，梁體撓度基本恢復（殘余量2.6%）。總體上試驗梁強度安全系數滿足設計圖紙要求。

圖13 2.0級破壞性試驗裂縫分布（單位：m）

4 結論

1）足尺試驗梁1.2 級荷載作用下的靜活載撓度、跨中截面應力均滿足設計要求，截面中性軸高度與設計值接近。

2）足尺試驗梁應變測試得到的開裂荷載等級為1.434，重裂荷載等級為1.121，與設計值接近。

3）2.0 級破壞性試驗，梁體裂縫形態和發展趨勢正常，未出現混凝土壓潰或預應力鋼絞線斷絲等破壞跡象，卸載后梁體跨中正截面裂縫閉合、撓度基本恢復。

4）優化后箱梁的各項靜載受力指標滿足設計要求。