無砟軌道U型梁破壞性試驗研究

王 誠

（中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

預應力混凝土槽形梁與傳統箱形、T形預應力混凝土梁、板梁相比，具有建筑高度低、引橋長度短、降噪效果好等較多優點，在軌道交通中得到了廣泛應用[1-7]，為此我國許多專家和學者進行了大量的研究，并取得了較為豐富的研究成果[8-10]。盡管各專家對該梁型的分析研究較多，但對高速鐵路無砟軌道簡支槽型梁破壞性試驗研究較少，為此本文依托蘭新高速鐵路對16m預應力混凝土簡支槽型梁進行足尺模型破壞性試驗研究。

圖1 梁體橫斷面圖 單位（mm）

2 梁體概況

橋梁全長 16500mm，計算跨度 15900mm，高2000mm，跨中道床板厚450mm，距梁右側2205mm處設Φ100泄水孔，截面尺寸如圖1所示，其他參數見表1。

表1 試驗梁設計參數

3 試驗荷載計算

3.1 承載力加載圖式（如圖2所示）

圖2 加載計算圖式

3.2 計算加載荷載

1）計算α值。

各加載點載荷相等：2P1=2P2=2P3……=2Pi

則：M=P×α=15.85Pi，即 α=15.85m

式中：R——支點反力kN；

L——計算跨度m；

Pi——各加載點所施加的荷載kN；

Xi——各加載點至跨中距離m；

Pi——各加載點所施加的荷載的合力kN；

α——各加載點合力作用下的等效力臂m。

2）計算未完成的預應力損失。

式中，σL6，σL5——分別為收縮、徐變與松馳應力損失值MPa；

η1，η2——分別為收縮、徐變與松馳應力損失完成率，線性內插求得 η1=0.501，η2=1；

△σs——未完成的預應力損失值MPa。

3）計算未完成應力損失的補償彎矩ΔMS。

4）計算基數級荷載跨中彎矩及基數級荷載值

每個加載截面加載設備總重:g=1875kg；每個加載點荷載為：P=1875×9.8/2000=9.188kN；則跨中產生的彎矩為：

Ms=P×α=145.63kN·m

基數級荷載跨中彎矩為：

MKa=Md+ΔMs-Ms+Mf=2217kN·m

式中：Mka——基數級下跨中彎矩kN·m；

Md——二期恒載質量對跨中彎矩kN·m；

Ms——加載設備質量對跨中彎矩kN·m；

ΔMs——未完成的預應力損失的補償彎矩kN·m；

基數級荷載值：PKa=MKa/α=139.87kN

5）靜活載級下的荷載等級及跨中彎矩。

Kb=[Mh/（1+μ）+MZ+Md]/（Mh+MZ+Md）

MKb=Mh/（1+μ）+MKa

式中，K——加載系數；

Mh——活載對跨中彎矩kN·m；

Mz——梁體自重對跨中彎矩（只考慮道床板自重），其值為 3197.6kN·m。

6）計算各加載級下跨中彎矩。

Mk=K（Mz+Md+Mh+Mf）+ΔMS-Mz-Ms

式中，Mf——防水層對跨中彎矩kN·m，本試驗進行時防水層未鋪未考慮。

7）計算各加載級及荷載值，見表2。

表2 承載力加載及荷載值

4 試驗過程及試驗結果分析

4.1 槽型梁承載力加載過程

靜載試驗采用分級加載，每級加載值不大于開裂加載量理論值的10%，加載完成后持荷持續一定時間，記錄本級荷載下的結構響應。當總荷載加至理論開裂荷載的80%時，對加載分級進行加密，準確捕捉開裂荷載。如圖5所示。

4.2 梁體測點布置

在槽型梁底板跨中，沿橫向等間距布置4個撓度測點。在梁跨中底板下緣位置和底板上緣與腹板交界處的鋼筋上粘貼應變片，在梁體底板中心線下側鋼筋中布置測點S1，在底板上表面距梁體中心線2390mm處左右各對稱布置應變測點S2和S3。在槽型梁跨中截面布置混凝土應變測點如圖3和圖4所示。

圖3 梁體跨中截面混凝土應變測點布置立面圖

圖4 混凝土應變測點布置平面圖

其中“M”跨中截面，“H”橫向應變測點，“Z”縱向應變測點。

圖5 槽型梁現場試驗照片

4.3 結果與分析

1）荷載-撓度曲線。

從圖6可知，隨荷載增大，支座和底板跨中撓度均在增大，且跨中撓度始終大于支座沉降。當荷載在0～638.1kN時，兩側支座沉降相差較小，當荷載大于638.1kN時，東側支座沉降值大于西側支座沉降，這是由于試驗梁體自重及加載的不同步性造成的。當加載到1138.15kN時，梁體破壞，此時跨中撓度達到最大值為11.21mm，支座沉降的平均值為4.88mm，即跨中撓度是支座沉降平均值的2.3倍。

2）荷載-鋼筋應力曲線。

圖7 荷載-應力曲線

從圖7可知，隨荷載增大，S1的應力在逐漸增大，而S2和S3中的應力先減小后增大。在整個加載過程中，S1鋼筋中的應力處于快速增長，緩慢增長和突變二個階段，表現出了鋼筋應力變化的彈性階段、屈服階段和強化階段；當梁體破壞時S1、S2和S3鋼筋中的應力達到最大值，分別為213.4 MPa、67.2MPa和 81.4MPa，S1鋼筋中的應力分別為S2、S3鋼筋中應力的3.17倍和2.62倍。

3）破壞時跨中界面混凝土應力。

從表3可知梁破壞時，跨中混凝土橫向最大拉應力為8.20MPa，最大壓應力13.67MPa；跨中截面混凝土縱向最大拉應力為13.88MPa，最大壓應力為21.66MPa，即槽型梁破壞時，混凝土最大壓應力小于設計強度值。

表3 梁破壞時跨中截面混凝土應力（MPa）

5 結論

本文通過計算得出高速鐵路簡支U梁承載力分級加載荷載值，分析了槽型梁足尺模型承載力分級加載破壞過程中底板跨中撓度和支座沉降變化情況、鋼筋應力變化情況和混凝土應力變化情況，發現該混凝土槽型梁破壞時底板跨中撓度最大為11.21mm，鋼筋應力最大值為213.4MPa，混凝土最大應力為21.66MPa，其鋼筋最大應力小于鋼筋屈服強度，混凝土最大壓應力小于設計強度。該橋的承載力破壞試驗實屬國內首次進行，對此類橋梁今后在高速鐵路的應用中提供一定的技術參考。