高速鐵路40 m跨度預制后張法預應力混凝土簡支箱梁試驗研究

陳勝利 蘇永華 石龍 班新林

（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）

截至2018年底，我國高速鐵路運營里程已超過2.9萬km，占世界高速鐵路運營里程65%以上。為保證列車運行的安全與舒適、節(jié)約土地和保護線路周邊環(huán)境，在跨越河谷及平原高架區(qū)段，高速鐵路主要以橋梁跨越的形式通過，常采用預制后張法預應力混凝土簡支箱梁［1-2］。隨著我國高速鐵路建設的持續(xù)推進，西部山區(qū)和東部沿海地區(qū)的高速鐵路建設逐年增多，跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎橋梁所占比例較大，墩臺基礎造價較高。而我國既有預制后張法預應力混凝土簡支箱梁常用跨度為24 m和32 m［3-5］，當橋梁跨度大于32 m時，多采用現(xiàn)澆橋梁（包括簡支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構等），導致其經濟性下降，且質量控制難度加大。40 m跨度的預制后張法預應力混凝土簡支箱梁已于2018年完成設計［6-7］，并在鄭濟高速鐵路鄭州至濮陽段黃河特大橋北岸引橋進行試用，可節(jié)約大量工程投資。針對40 m簡支箱梁的預制工藝與結構性能是否滿足規(guī)范要求［8-9］，本文以3孔工程梁為研究對象進行試驗驗證。

1 箱梁設計

綜合考慮車橋動力響應、運輸架設條件、梁體受力特點、構造布置要求等因素后，大跨度預制后張法預應力混凝土簡支箱梁的梁長取40.6 m，計算跨度取39.3 m；截面采用單箱單室形式（圖1），軌下截面高度為3.235 m，頂板寬12.6 m，底板寬5.4 m，橫橋向支座中心距為4.4 m；箱梁跨中截面頂板厚285 mm、腹板厚360 mm、底板厚280 mm；梁端截面頂板厚685 mm、腹板厚950 mm、底板厚700 mm，梁端頂板、底板及腹板局部向內側加厚。箱梁混凝土等級為C50，預應力采用1×7-15.2-1860-GB/T 5224—2014型鋼絞線，共布置 19束，箱梁底板共 11束（N1a，2N1b，2N2a～2N2d）；腹板共8束（2N3～2N6）。

圖1 40 m跨簡支箱梁截面（單位：mm）

2 試驗方案

以鄭濟高速鐵路原陽制梁場前3孔工程梁作為試驗對象進行了預制工藝試驗和靜載彎曲試驗。為掌握混凝土水化熱溫度發(fā)展曲線，確定箱梁拆模條件，對1#試驗梁進行了水化熱測試；為掌握大噸位預應力束的摩阻特征，對1#—3#試驗梁預應力管道摩阻以及大噸位錨具錨口與喇叭口摩阻損失進行測試；為驗證預應力張拉效果，在1#—3#試驗梁終張拉過程中測試混凝土應變，同時測試張拉彈性上拱值和箱梁壓縮量。

2.1 混凝土水化熱測試

箱梁頂板、腹板、底板相交位置處混凝土較厚，因此測點布置選取了跨中和梁端截面的頂板與腹板相交位置、腹板與底板相交位置以及截面倒角處，測試混凝土芯部水化熱溫度及溫度梯度。通過在梁端內埋溫度傳感器（圖2），對1#試驗梁混凝土水化熱溫度進行了測試，同時對養(yǎng)護期間箱梁內外環(huán)境溫度進行了監(jiān)測。

圖2 梁端水化熱溫度測點及終張拉應變測點布置

2.2 摩阻測試

在預制試件和箱梁上利用2臺穿心式壓力傳感器測定錨口+喇叭口摩阻、錨具回縮量、管道摩阻等預應力損失。錨口及喇叭口摩阻試驗在梁場預制的4.0 m長混凝土試件上進行，13，14，22孔錨具各測試3次。選擇1#—3#梁預張拉、初張拉后剩余的管道進行摩阻損失測試。每個管道張拉2次，將第1次作為標準，第2次作為復核，以使試驗統(tǒng)計結果符合實際請況。

2.3 預應力終張拉效果測試

由于試驗箱梁的預張拉和初張拉在制梁臺座上進行，梁體支承狀態(tài)尚不明確，因此梁體預應力效果測試在終張拉階段進行。終張拉過程中每張拉一束鋼束前后測試箱梁混凝土應變及跨中變形。預張拉和初張拉預應力束的測試流程為：張拉前讀數(shù)→將張拉力補張至初張拉錨外張拉力并靜?！鷾y試讀數(shù)→張拉至終張拉錨外張拉力并錨固→測試讀數(shù)。讀數(shù)內容包括內埋振弦應變傳感器、外貼振弦應變傳感器和百分表的讀數(shù)。

選擇跨中和一端1/4截面布置內埋和外貼振弦應變計，每個截面布置12個內埋測點和16個外貼測點。在跨中截面和兩端支座中心線截面左右兩側各布置1個百分表，共6個位移測點。在梁端布置外貼應變測點對梁端局部混凝土應力進行測試（參見圖2）。

2.4 靜載彎曲試驗

靜載彎曲試驗及偏載試驗采用縱向7排加載方式加載，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，箱梁靜載彎曲試驗加載值見表1。靜載彎曲試驗分2個加載循環(huán)，第1加載循環(huán)的最大試驗荷載加至使用狀態(tài)設計值，即K=1.0級；第2加載循環(huán)的最大試驗荷載加至抗裂檢驗荷載，即K=1.2級。

表1 靜載彎曲試驗加載值 kN

靜載彎曲試驗中，在1#—3#試驗箱梁跨中截面左、右側腹板底緣4.0 m范圍內各布置了42個縱向抗裂應變測點，在跨中底板布置了3個縱向抗裂應變測點，以檢驗梁體的縱向抗裂性，測點布置見圖3。在跨中和1/4截面左、右腹板外側沿截面高度各布置了6個應變測點，以測試跨中及1/4截面的中性軸高度。

圖3 跨中底緣外貼應變測點布置（單位：mm）

3 試驗結果

3.1 混凝土水化熱

1#試驗梁于2018年5月18日澆筑，于5月20日預張拉，5月22日初張拉，隨即移至存梁臺座。由于梁端混凝土截面尺寸較跨中更大，因此梁端水化熱效果更為顯著。圖4給出了水化熱溫度最大值所在測點的實測數(shù)值、有限元計算值及混凝土養(yǎng)護期間的箱內和箱外環(huán)境溫度實測值。可知，箱外環(huán)境溫度最高為28.4℃、最低為15.5℃，箱內環(huán)境溫度變化趨勢與混凝土水化熱進展有對應關系，最高達44.8℃。梁端截面混凝土入模溫度在22～25℃，混凝土澆筑完成后20～28 h，梁端截面各部位水化熱溫度達到最大值，頂板與腹板結合處芯部的水化熱溫度最高，為65.0℃；各測點溫度達到最大值后72～116 h，梁體梁端水化熱溫度降至環(huán)境溫度。水化熱溫度有限元計算最大值為65.2℃，處于梁端頂板與腹板結合處芯部位置，距離梁端縱向距離約1.0 m；D1，D2和D3測點的有限元計算值與實測值變化趨勢接近，表明有限元計算值可以較為準確地模擬混凝土箱梁水化熱發(fā)展趨勢。

圖4 梁端頂板與腹板結合處水化熱測試結果

梁端各部位芯部與表面溫差實測值見圖5?？芍?，梁端截面芯表溫差最大值出現(xiàn)在頂板與腹板結合處，為22.9℃（澆筑完65 h后該部位芯表溫差已小于15℃）。

圖5 梁端各部位芯部與表面溫差實測值

梁端水化熱有限元計算值見圖6?？芍?，水化熱溫度分布的計算值與實測值接近，說明1#試驗梁混凝土澆筑及養(yǎng)護過程中水化熱滿足規(guī)范要求。

圖6 梁端水化熱有限元計算值（單位：℃）

3.2 摩阻測試結果

3.2.1 錨口和喇叭口摩阻

錨口和喇叭口摩阻測試所用錨具由襄陽中鐵宏吉錨具廠制作，鋼絞線實測直徑為15.31 mm，相應限位板槽深為7.8 mm，每種錨具各測試3組。測試結果見表2?？梢姡餍吞栧^具的錨口、喇叭口摩阻損失及錨具回縮量基本符合設計及相關規(guī)范的要求。

表2 錨具測試結果

3.2.2 管道摩阻

管道摩阻測試時采用單端張拉方式，實際施工時為兩端對稱同時張拉。經回歸分析得到的箱梁管道摩擦因數(shù)μ和管道偏差系數(shù)k，見表3。可知，實測值與設計值吻合良好。

表3 試驗箱梁管道摩阻系數(shù)

3.3 終張拉測試結果

試驗梁終張拉過程中跨中截面應力見圖7。圖中應力為終張拉應力實測值和預張拉、初張拉應力計算值之和，其中預張拉、初張拉應力計算值根據終張拉實測彈性模量由有限元計算得到。試驗梁跨中及1/4截面底緣預壓應力見表4。可見，各試驗梁應力實測值與理論值均較為接近，梁體預應力施加準確。

圖7 試驗梁終張拉過程中跨中截面應力

表4 試驗梁跨中及1/4截面底緣預壓應力 MPa

試驗梁變形測試結果見表5。可知，各試驗梁跨中彈性上拱量實測值與理論值接近，滿足設計要求；梁體下緣壓縮量實測值與理論值均接近。試驗箱梁終張拉后全長均符合產品質量檢驗要求，預留壓縮量按設計值設置可行。

表5 試驗梁變形測試結果 mm

終張拉過程中，梁端局部應力最大值發(fā)生在頂板與腹板倒角處，對應測點的應力實測值和有限元計算值分別見圖8和圖9。可知：頂板腹板倒角處（2#，3#，5#，6#測點）在整個預施應力過程中是受拉的，總體上拉應力不斷增大；3#和5#測點應力實測值比理論值偏大，其余測點應力實測值與理論值接近，實測最大拉應力在頂板與腹板倒角處（5#測點），為4.88 MPa（理論最大值為3.41 MPa），應變?yōu)?37×10-6。終張拉完成后，觀測倒角處未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫。

圖8 終張拉過程中梁端局部應力

圖9 終張拉完成后頂板與腹板倒角處局部應力（單位：MPa）

3.4 靜載彎曲試驗結果

靜載彎曲試驗結果見表6。可知：跨中實測撓度與施加的荷載成線性關系，線性相關系數(shù)大于0.999，梁體處于彈性工作狀態(tài)；第1，2加載循環(huán)跨中靜活載撓度為9.9～10.4 mm，撓跨比為1/3 975～1/3 783，實測值均小于設計值（1/3 358），梁體剛度合格。根據實測撓度推算，靜載彎曲試驗時梁體彈性模量為4.11×104～4.18×104MPa。

表6 靜載彎曲試驗結果

1#試驗梁第2加載循環(huán)跨中實測應變見圖10?？芍嚎缰屑?/4截面下緣各測點的混凝土實測應變與施加的荷載成線性關系，未出現(xiàn)明顯增大或減小的現(xiàn)象，箱梁混凝土拉應力最大的區(qū)域仍處于彈性狀態(tài)；加載過程中梁體混凝土未開裂，梁體抗裂性合格；加載至1.2倍設計荷載時，箱梁跨中下緣混凝土平均應力為14.77～15.33 MPa，與理論計算值14.44～14.50MPa接近。

圖10 1#試驗梁第2加載循環(huán)跨中實測應變

4 結論

通過開展時速350 km高速鐵路40 m跨度簡支箱梁試驗工作，對預應力簡支箱梁的施工工藝、結構受力性能、設計狀態(tài)等進行了驗證，得到結論如下：

1）試驗梁水化熱測試結果和混凝土箱梁澆筑工藝合格；管道摩阻、錨口與喇叭口摩阻實測值與設計值接近；根據實測值確定了終張拉預應力。

2）終張拉過程中，試驗梁截面底緣壓應力、彈性上拱量、彈性壓縮量和梁端混凝土應力測試結果表明，預應力效果滿足設計要求，預應力施加準確。

3）試驗梁靜活載撓跨比實測值小于設計值，試驗梁豎向剛度合格；在1.2倍設計荷載作用下，試驗梁處于彈性狀態(tài)，混凝土應力實測值與計算值接近，跨中區(qū)域未開裂，試驗梁抗裂性能滿足規(guī)范要求。