銀西高速鐵路渭河特大橋加勁鋼斜撐預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁節(jié)段模型靜力試驗(yàn)研究

徐斌

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043

隨著國(guó)內(nèi)交通需求增大和橋梁建設(shè)空間問(wèn)題的出現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁翼緣板拓寬的研究在橋面寬度改造和公路、鐵路橋梁建設(shè)中迅速發(fā)展［1］。加勁鋼斜撐預(yù)應(yīng)力混凝土（Precast Concrete，PC）箱梁在傳統(tǒng)箱梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)置鋼管斜撐以支撐頂板長(zhǎng)懸臂翼緣，在滿(mǎn)足箱梁受力要求下可有效擴(kuò)大橋面寬度。該結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)化、高適應(yīng)性及高靈活性的特點(diǎn)，可廣泛適用于舊橋加寬改造和復(fù)雜公路橋梁修建。

加勁鋼斜撐PC箱梁發(fā)展幾十年以來(lái)，歐美及日本有較深入的力學(xué)理論研究，已在一些公路橋梁建設(shè)中應(yīng)用。國(guó)際著名橋梁專(zhuān)家萊昂哈特于1980年設(shè)計(jì)建成了德國(guó)科赫塔爾橋，是最早采用鋼斜撐的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋。21世紀(jì)初，日本先后修建了芝川高架橋、川下川橋等多座設(shè)斜撐的PC箱梁橋。Shushkewich［2-3］系統(tǒng)地提出了設(shè)斜支撐橋面加寬方案，并進(jìn)行空間受力特性分析及相應(yīng)計(jì)算分析程序開(kāi)發(fā)。青木圭一等［4-5］詳細(xì)介紹了在桂島高架橋、山切1號(hào)高架橋（均為等高度連續(xù)梁橋）中該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)運(yùn)用，兩橋分別采用頂推施工和預(yù)制節(jié)段拼裝法建造完成。Iglesias［6］基于平截面假定，采用時(shí)變分析理論建立了該類(lèi)型箱梁長(zhǎng)期效應(yīng)分析的簡(jiǎn)化分析方法，即逐步積分法。國(guó)內(nèi)對(duì)此結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究和實(shí)橋建設(shè)都尚未起步，僅有部分綜述性文獻(xiàn)。李宏江［7］通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)橋調(diào)查，闡述了該結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究現(xiàn)狀以及實(shí)橋應(yīng)用情況。

目前，國(guó)際上對(duì)該結(jié)構(gòu)僅應(yīng)用在公路橋梁中。銀西高速鐵路渭河特大橋主橋首次將加勁鋼斜撐桿PC箱梁的結(jié)構(gòu)用于國(guó)內(nèi)鐵路橋梁建設(shè)，可參考資料和數(shù)據(jù)匱乏，力學(xué)特性研究不足［8-9］。本文以渭河特大橋主橋60 m加勁鋼斜撐PC箱梁為對(duì)象，采用試驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合的方式對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力、受力特性、破壞機(jī)理等進(jìn)行研究，為國(guó)內(nèi)該類(lèi)型結(jié)構(gòu)的橋梁提供設(shè)計(jì)和實(shí)橋應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

新建渭河特大橋全長(zhǎng)13.6 km，其中四線鐵路段全長(zhǎng)4.1 km，橋面寬22.8 m，中間雙線為銀西高速鐵路（采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載），兩側(cè)為西安至閻良城際鐵路（采用ZC標(biāo)準(zhǔn)活載），均為有砟軌道，二期恒載364.5 kN/m。主橋位于直線段，為17孔60 m簡(jiǎn)支箱梁，采用單箱雙室等高度箱梁與鋼斜撐組合的截面形式。箱梁梁端頂?shù)装寮案拱寰植績(jī)?nèi)側(cè)加厚，懸挑翼緣板兩側(cè)沿梁長(zhǎng)度方向每隔4 m設(shè)置一組鋼斜撐，橋面布置見(jiàn)圖1。

2 靜載模型試驗(yàn)

2.1 設(shè)計(jì)方案

參考文獻(xiàn)［10-12］試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了3組加勁鋼斜撐PC箱梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，對(duì)試件在靜載作用下斜鋼撐的應(yīng)力狀態(tài)，混凝土的應(yīng)力、變形及開(kāi)裂狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)和記錄，結(jié)合非線性有限元分析進(jìn)行理論對(duì)比分析，研究承載能力、受力特性、破壞機(jī)理等。

為合理模擬該箱梁結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理，綜合考慮試驗(yàn)設(shè)備可行性、試驗(yàn)結(jié)果可靠性，采用縮尺模型進(jìn)行靜載試驗(yàn)。模型整體采用1∶2.5比例縮尺，其他各項(xiàng)參數(shù)相似比尺見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)采用的相似比尺

原橋截面為對(duì)稱(chēng)截面，取原橋跨中節(jié)段的翼緣懸臂、外腹板和斜撐作局部分析；取縱橋向5.44 m、橫向2.78 m的箱梁局部分析，包含4根鋼斜撐，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖2。局部縮尺模型試件采用原材料進(jìn)行加工，采用C50混凝土，綁扎鋼筋HRB400，在翼緣板橫橋向設(shè)有PBS830精軋螺紋鋼筋，張拉控制應(yīng)力為0.6×fpk=498 MPa，fpk為預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。鋼斜撐采用Q345qD鋼材。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▎挝唬篶m）

2.2 加載方案

根據(jù)試驗(yàn)反力錨固系統(tǒng)情況，將腹板放置于底座上，采用18個(gè)8.8級(jí)普通螺栓將腹板與底座錨固。根據(jù)實(shí)橋橋面布置確定荷載標(biāo)準(zhǔn)，考慮加載位置和縮尺比例，按照文獻(xiàn)［13］計(jì)算模型設(shè)計(jì)荷載為783 kN。采用千斤頂進(jìn)行靜載加載，四個(gè)千斤頂總設(shè)計(jì)荷載為800 kN。通過(guò)鋼墊板將荷載均勻傳遞到翼緣上城際鐵路軌道位置的工字鋼鋼軌上。模型試驗(yàn)加載系統(tǒng)橫斷面見(jiàn)圖3。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集采用東華測(cè)試DH3818Y靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)。

圖3 模型試驗(yàn)加載系統(tǒng)橫斷面

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程分為預(yù)加載和正式加載，均采用逐級(jí)加載和卸載的形式。第1次預(yù)加載以100 kN/級(jí)進(jìn)行加載，加載至800 kN再按100 kN/級(jí)卸載；第2次以200 kN/級(jí)進(jìn)行加載，加載至800 kN再按200 kN/級(jí)卸載。通過(guò)兩次預(yù)載消除試件與加載裝置之間及支座的裝配間隙。正式加載時(shí)，在0～1 000 kN荷載區(qū)間按200 kN/級(jí)進(jìn)行加載；加載完成后再按100 kN/級(jí)在1 000～2 400 kN荷載區(qū)間進(jìn)行二次加載。

2.3 試件應(yīng)變及位移測(cè)點(diǎn)布置

采用電阻應(yīng)變片對(duì)試件進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，翼緣板及鋼管斜撐測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。采用線位移傳感器對(duì)試件進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。在混凝土懸臂板布置測(cè)點(diǎn)（1#—6#）進(jìn)行翼緣板的變形測(cè)量，在腹板底部及翼緣板跨中沿橫向布置水平測(cè)點(diǎn)（7#—10#）進(jìn)行整體位移測(cè)量，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ湾^固情況，位移測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

圖4 箱梁試件應(yīng)變片布置（單位：mm）

圖5 箱梁試件位移測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

3 有限元模擬分析

利用ABAQUS有限元軟件［14-15］，按照1∶2.5縮尺模型建立三維非線性有限元模型，對(duì)水平靜載作用下節(jié)點(diǎn)的受力全過(guò)程進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)值對(duì)比分析。混凝土構(gòu)件采用實(shí)體單元C3D8R，不同部位采用不同網(wǎng)格劃分方式，使用掃掠網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為50 mm；普通鋼筋采用三維一次桁架單元T3D2，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為90 mm；鋼管采用實(shí)體單元C3D8R，采用掃掠網(wǎng)格劃分，部件網(wǎng)格尺寸為12 mm。

通過(guò)內(nèi)置區(qū)域約束將預(yù)應(yīng)力筋作為內(nèi)置單元內(nèi)置于混凝土弦桿內(nèi)，實(shí)現(xiàn)相互作用；將混凝土構(gòu)件表面作為主面，鋼板表面作為從表面，采用綁定約束，將鋼管與混凝土構(gòu)件連接為一個(gè)整體。為了簡(jiǎn)化邊界條件，使用完全固定的約束模擬邊界條件。在有限元模型中施加荷載與試驗(yàn)加載值保持一致，以均布荷載的方式施加于鋼軌位置。

4 試驗(yàn)值及有限元計(jì)算值對(duì)比分析

靜載試驗(yàn)過(guò)程中混凝土翼緣板的拉應(yīng)力先達(dá)到C50混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，此時(shí)鋼管的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)整體變形都很小；荷載達(dá)到1 300 kN（1.625倍設(shè)計(jì)荷載）時(shí)，在混凝土翼緣板底面的中間偏翼緣端開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，方向大致沿縱橋向延伸，隨著荷載逐級(jí)增大，裂縫數(shù)增多且最后多條裂縫貫通；當(dāng)荷載達(dá)到2 400 kN左右，鋼管端部達(dá)到屈服強(qiáng)度345 MPa，此時(shí)區(qū)域裂縫增大，貫通裂縫明顯增加，未出現(xiàn)整體性結(jié)構(gòu)破壞和過(guò)大變形，見(jiàn)圖6。

圖6 混凝土懸臂板開(kāi)裂情況

4.1 位移

有限元模擬中荷載逐級(jí)施加到2 400 kN，試件翼緣板的鋼軌作用區(qū)域結(jié)構(gòu)變形最大，且位移對(duì)稱(chēng)分布（圖7）。考慮到錨固在試驗(yàn)系統(tǒng)上的試件在加載時(shí)可能存在整體微小位移，翼緣板上測(cè)點(diǎn)實(shí)際位移為測(cè)點(diǎn)位移和整體位移的差值。1#、2#測(cè)點(diǎn)之間，3#、6#測(cè)點(diǎn)之間，4#、5#測(cè)點(diǎn)之間呈對(duì)稱(chēng)布置，實(shí)測(cè)位移幾乎相同。因此，取1#、3#、4#測(cè)點(diǎn)荷載-位移曲線進(jìn)行分析，見(jiàn)圖8。

圖7 結(jié)構(gòu)豎向位移云圖（單位：mm）

圖8 翼緣板1#、3#、4#測(cè)點(diǎn)荷載-位移曲線

由圖7和圖8可知，4#測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值和有限元計(jì)算值比較接近，且大致呈線性變化。加載過(guò)程中試件處于彈性工作階段，在2 400 kN荷載（3倍設(shè)計(jì)荷載）作用下各構(gòu)件工作正常，未出現(xiàn)較大變形和破壞。

4.2 翼緣板應(yīng)力

荷載達(dá)到1 300 kN時(shí)混凝土板開(kāi)始產(chǎn)生裂縫，部分區(qū)域測(cè)點(diǎn)失效。因此，主要對(duì)設(shè)計(jì)荷載800 kN時(shí)翼緣板的應(yīng)力進(jìn)行分析。

1）混凝土懸臂板頂面應(yīng)力

根據(jù)對(duì)稱(chēng)試件實(shí)際受力情況，提取1/2懸臂板頂面關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力。混凝土翼緣板頂面應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖9。圖中正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。可知：由于試驗(yàn)誤差，個(gè)別測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值有所區(qū)別，其他測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值基本接近。在翼緣板頂面，翼緣根部區(qū)域主要承受拉應(yīng)力；板面中部位置即鋼軌區(qū)域承受較大壓應(yīng)力，且達(dá)到最大值；翼緣端部主要承受壓應(yīng)力，數(shù)值較小。

圖9 混凝土翼緣板頂面應(yīng)力對(duì)比（單位：MPa）

2）混凝土懸臂板底面應(yīng)力

設(shè)計(jì)荷載作用下混凝土翼緣板底面應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖10。可知，由于試驗(yàn)誤差，個(gè)別測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值有所區(qū)別，其他測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值基本接近，說(shuō)明有限元計(jì)算值可靠。在翼緣板底面，翼緣根部區(qū)域主要承受壓應(yīng)力，中部位置即鋼軌區(qū)域承受拉應(yīng)力，且是最大拉應(yīng)力區(qū)域，翼緣端部即錨梁區(qū)域主要承受拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力較小。

圖10 混凝土翼緣板底面應(yīng)力對(duì)比（單位：MPa）

4.3 鋼斜撐應(yīng)力

2 400 kN荷載下鋼管斜撐Von Mises應(yīng)力見(jiàn)圖11。可知，鋼管兩端應(yīng)力大，且應(yīng)力分布復(fù)雜，中間段應(yīng)力小，四根鋼管的邊界條件和受力情況接近。

圖11 鋼管斜撐Von Mises應(yīng)力（單位：MPa）

試驗(yàn)中重點(diǎn)觀測(cè)四根鋼管兩端截面處的應(yīng)力情況，選擇應(yīng)力較大的1號(hào)和4號(hào)截面中a、c點(diǎn)試驗(yàn)值與理論值（有限元計(jì)算值）進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖12。

圖12 鋼管重點(diǎn)位置應(yīng)力-荷載曲線

由圖12可知：①四根鋼管1-a和4-c的分布規(guī)律類(lèi)似，荷載為1 400 kN時(shí)曲線斜率發(fā)生正負(fù)轉(zhuǎn)換，斜率的絕對(duì)值基本一樣；1-c和4-a的分布規(guī)律類(lèi)似，曲線一直呈上升趨勢(shì)。②荷載在0～1 400 kN時(shí)，翼緣板的剛度非常大，變形很小，鋼管基本受軸壓作用，彎矩影響非常小；荷載大于1 400 kN時(shí)，翼緣板的剛度突然減小，變形增大；荷載在1 400～1 600 kN時(shí)，曲線斜率明顯變大，而后斜率又減小到與0～1 400 kN時(shí)的斜率基本一致，此時(shí)鋼管不但受軸壓作用，還受彎矩作用。

5 結(jié)論

1）試件在1.625倍設(shè)計(jì)荷載作用下翼緣底部出現(xiàn)裂縫；在3倍設(shè)計(jì)荷載作用下，結(jié)構(gòu)受力均勻，無(wú)整體性破壞和較大變形，傳力機(jī)制明確，具有較大安全儲(chǔ)備，滿(mǎn)足使用和安全需求。

2）在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)，試件各區(qū)域能夠處于良好的彈性工作狀態(tài)，說(shuō)明該加勁鋼斜撐PC箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿(mǎn)足使用安全和設(shè)計(jì)要求。

3）靜載試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況與有限元分析結(jié)果接近，傳力機(jī)制清晰。