節(jié)段膠拼箱梁靜載試驗(yàn)研究

劉小林，劉少成

（1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430056；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)制節(jié)段拼裝工藝施工便捷、質(zhì)量可靠，且機(jī)械化程度高、對(duì)環(huán)境影響小，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和美學(xué)效果，從而逐漸得到推廣。目前國(guó)內(nèi)節(jié)段梁預(yù)制拼裝技術(shù)在鐵路橋梁中尚未得到廣泛應(yīng)用，已有的研究只是驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制梁的受力特征，而較少對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)荷載、非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段膠拼預(yù)制梁進(jìn)行研究[1-3]。本文針對(duì)某國(guó)外鐵路項(xiàng)目，其在跨越城市區(qū)段均采用高架橋方案，橋梁結(jié)構(gòu)形式為38 m預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段膠拼簡(jiǎn)支箱梁。這種結(jié)構(gòu)形式在當(dāng)?shù)厥褂貌欢啵O(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)并不豐富。為測(cè)試預(yù)制節(jié)段梁在試驗(yàn)荷載作用下的力學(xué)性能，檢驗(yàn)梁體的施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)在已架設(shè)梁體上施加與二期恒載和列車活載等效的荷載，驗(yàn)證節(jié)段梁在設(shè)計(jì)荷載作用下的剛度和抗裂性，檢測(cè)橋跨撓度和底板應(yīng)力并與理論計(jì)算進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用荷載下的工作性能，確保箱梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量和后期運(yùn)營(yíng)安全，為箱梁橋的竣工驗(yàn)收和正常使用提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

1 節(jié)段梁基本參數(shù)

為確定橋梁在使用荷載作用下的工作性能，通過(guò)模擬實(shí)際使用狀況，在已架設(shè)的節(jié)段箱梁上進(jìn)行靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)梁為單線鐵路梁橋，無(wú)砟軌道橋面，采用印度設(shè)計(jì)規(guī)范，鐵路軌距1676 mm；設(shè)計(jì)速度為客車120 km/h，貨車80 km/h；設(shè)計(jì)活載為印度32.5 t軸重活載[4]。

節(jié)段箱梁梁長(zhǎng)37.88 m，計(jì)算跨度36.38 m，沿縱橋向劃分為12個(gè)節(jié)段，如圖1所示，中間10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度為3.25 m，兩側(cè)節(jié)段長(zhǎng)度為2.69 m。梁體截面類型為單箱單室直腹板變截面箱梁，邊支座中心線至梁端0.75 m，橫橋向支座中心距為3.3 m。箱梁頂板寬8.45 m，箱寬4.8 m，頂板厚22.5 cm，底板厚25 cm，腹板厚35～55 cm。

圖1 節(jié)段箱梁結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

簡(jiǎn)支箱梁采用M50鋼筋混凝土，箱梁鋼筋均采用Grade Fe 500 d鋼筋，鋼絞線采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，公稱直徑為15.2 mm，彈性模量為195 GPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa。

2 靜載試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)梁為預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝簡(jiǎn)支梁，與國(guó)內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范中適用范圍簡(jiǎn)支梁存在以下區(qū)別[5]。

（1）本試驗(yàn)梁為非標(biāo)準(zhǔn)軌距、非標(biāo)準(zhǔn)活載，超出規(guī)范限定范圍。

（2）設(shè)計(jì)活載不同于規(guī)范附錄A中“中—活載、ZK活載、ZKH活載、ZC活載”，不可采用規(guī)范中“等效荷載加載撓度修正系數(shù)”。

（3）節(jié)段預(yù)制拼裝梁簡(jiǎn)支梁，由于膠接縫范圍鋼筋不連續(xù)，應(yīng)力和強(qiáng)度等控制指標(biāo)與非膠接連接的廠制預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁不同，試驗(yàn)中梁體加載標(biāo)準(zhǔn)及抗裂評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與廠制簡(jiǎn)支梁不同。

（4）節(jié)段膠接連接的非標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，無(wú)法采用規(guī)范附錄C中“預(yù)應(yīng)力混凝土靜載彎曲試驗(yàn)加載計(jì)算”計(jì)算加載值。

雖然本節(jié)段梁靜載試驗(yàn)缺少嚴(yán)格的規(guī)范依據(jù)，但鑒于本次試驗(yàn)?zāi)康牟煌诂F(xiàn)行規(guī)范，因此針對(duì)該節(jié)段梁試驗(yàn)方法及加載操作流程參考上述規(guī)范進(jìn)行。

2.1 加載和反力系統(tǒng)

模擬靜荷載考慮二期恒載、列車活載，靜載試驗(yàn)加載采用等效集中力形式，對(duì)稱布置。共設(shè)置10個(gè)加載斷面，每個(gè)斷面2個(gè)加載點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置方式為：10排×2點(diǎn)/排=20點(diǎn)。加載點(diǎn)施加在梁體腹板中心線上，等效集中力的施加方式如圖2所示。

圖2 等效集中荷載加載示意圖（單位：mm）

開(kāi)展靜載試驗(yàn)的節(jié)段箱梁已架設(shè)到橋墩上，結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加載和反力系統(tǒng)采用鋼管樁作為地錨，為試驗(yàn)加載提供反力，通過(guò)梁體以上的橫梁和拉桿，將千斤頂施加的力作用于梁體上，如圖3所示，千斤頂沿節(jié)段梁跨中對(duì)稱布置，縱向間距3.25 m，橫向間距4.45 m。靜載試驗(yàn)加載和反力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖4所示。

圖3 加載反力裝置布置示意圖（單位：mm）

圖4 箱梁靜載試驗(yàn)加載和反力系統(tǒng)

2.2 撓度測(cè)試

梁體撓度測(cè)點(diǎn)布置在跨中及梁端支座中心兩側(cè)，測(cè)量撓度的基準(zhǔn)梁與加載系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置。在加載過(guò)程中，基準(zhǔn)梁不會(huì)受到加載和其他任何擾動(dòng)。整跨節(jié)段梁共布置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面2個(gè)撓度觀測(cè)點(diǎn)。梁體撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 梁體撓度測(cè)點(diǎn)布置

2.3 荷載測(cè)試

靜載試驗(yàn)采用20點(diǎn)加載法，共配置20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力計(jì)用于測(cè)試和控制相應(yīng)千斤頂?shù)脑囼?yàn)荷載。測(cè)力計(jì)的量程為100 t，精度為0.2%F.S，外徑?116 mm，內(nèi)徑?75 mm，高100 mm。

2.4 應(yīng)力測(cè)試

箱梁底部應(yīng)力測(cè)試參考規(guī)范要求，在跨中截面和靠近跨中區(qū)域的梁軸線方向梁底部布設(shè)測(cè)點(diǎn)[6-7]，應(yīng)變計(jì)自跨中截面向兩邊支座方向兩側(cè)梁體底面邊緣約2.4 m范圍內(nèi)布置，如圖6所示。同時(shí)，在跨中拼縫、跨中兩側(cè)相鄰的兩條拼縫處跨縫安裝應(yīng)變計(jì)，用于觀測(cè)試驗(yàn)加載過(guò)程中拼縫處的應(yīng)變變化情況，共安裝25個(gè)應(yīng)變計(jì)。采用表面式振弦應(yīng)變計(jì)，其安裝如圖7所示。

圖6 箱梁底部應(yīng)變計(jì)布置方式

圖7 箱梁底部應(yīng)變計(jì)安裝

2.5 裂縫及損傷裂紋觀測(cè)

由于梁體跨中承受最大彎矩，是最危險(xiǎn)且最有可能開(kāi)裂的區(qū)段，靜載試驗(yàn)前用放大鏡在梁體跨中兩側(cè)下緣和梁底面進(jìn)行外觀檢查，對(duì)梁體既有裂縫進(jìn)行觀察和標(biāo)記[8]。用放大鏡在梁體跨中兩側(cè)共8～12 m區(qū)段下翼緣及梁底面仔細(xì)查找裂紋，對(duì)于加載前檢查發(fā)現(xiàn)的初始裂紋（包括表面收縮裂縫和表面損傷裂縫）及局部缺陷，按約定的方法用鉛筆標(biāo)記。試驗(yàn)過(guò)程中，每級(jí)加載后仔細(xì)檢查梁體下緣和梁底有無(wú)裂縫出現(xiàn)，如出現(xiàn)裂縫或初始裂縫的延伸，應(yīng)用記號(hào)筆或鉛筆標(biāo)注，并注明荷載等級(jí)，量測(cè)裂縫長(zhǎng)度和寬度。

2.6 靜載試驗(yàn)加載程序

為確保混凝土齡期、減小收縮徐變影響，選取試驗(yàn)節(jié)段箱梁自預(yù)應(yīng)力張拉完成到開(kāi)展靜載試驗(yàn)間隔天數(shù)超過(guò)3個(gè)月。試驗(yàn)開(kāi)展參照相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)文件執(zhí)行，其中各加載點(diǎn)的設(shè)備重量為109 kg，靜載試驗(yàn)的最大加載級(jí)為1.05級(jí)。節(jié)段箱梁靜載試驗(yàn)的各加載級(jí)荷載見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)各加載級(jí)荷載

試驗(yàn)梁的加載分兩個(gè)循環(huán)進(jìn)行，如圖8所示，以加載系數(shù)K表示加載等級(jí)（加載系數(shù)K是加載試驗(yàn)中梁體跨中承受的彎距與設(shè)計(jì)彎距之比）。試驗(yàn)準(zhǔn)備工作結(jié)束后梁體承受的荷載狀態(tài)為初始狀態(tài)；基數(shù)級(jí)下梁體跨中承受的彎距指梁體質(zhì)量與二期恒載質(zhì)量對(duì)跨中彎距及未完成預(yù)應(yīng)力損失的補(bǔ)償彎矩之和[9]。

圖8 加載循環(huán)及持荷時(shí)間

3 理論分析

根據(jù)節(jié)段箱梁結(jié)構(gòu)尺寸和受力特點(diǎn)，采用橋梁有限元通用計(jì)算程序建立3D模型，如圖9所示，計(jì)算橋梁在不同受力工況下的受力和變形。

圖9 節(jié)段箱梁有限元模型示意圖

經(jīng)計(jì)算得到試驗(yàn)節(jié)段箱梁在各荷載等級(jí)作用下，計(jì)算撓度和跨中梁底最大計(jì)算正應(yīng)力值見(jiàn)表2，其中撓度向下為負(fù)，正應(yīng)力受壓為正，受拉為負(fù)。

表2 節(jié)段箱梁計(jì)算撓度和最大梁底應(yīng)力值

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 撓度結(jié)果分析

每級(jí)加載后測(cè)量梁體跨中和各支座中心截面兩側(cè)豎向位移變化，以同一截面的兩側(cè)平均值分別作為相應(yīng)截面的豎向位移量。跨中截面的豎向位移量減去支座沉降量即為該荷載下的實(shí)測(cè)撓度值，節(jié)段箱梁靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)和計(jì)算撓度值見(jiàn)表3。

試驗(yàn)加載過(guò)程中，撓度實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值變化趨勢(shì)基本一致，測(cè)點(diǎn)處計(jì)算值均大于時(shí)間測(cè)量值，說(shuō)明跨中截面豎向撓度變形處于正常狀態(tài)[10]。由表3實(shí)測(cè)撓度值可知，第一加載循環(huán)靜活載撓度與基數(shù)級(jí)撓度之差為fkb-fka=14.88-5.69=9.19 mm；第二加載循環(huán)靜活載撓度與基數(shù)級(jí)撓度之差為fkb-fka=15.45-5.38=10.07 mm。實(shí)測(cè)撓度值小于理論計(jì)算值23.6-10.3=13.3 mm。

表3 節(jié)段箱梁實(shí)測(cè)撓度與計(jì)算撓度的比較

參照《簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)方法預(yù)應(yīng)力混凝土梁靜載彎曲試驗(yàn)》（TB/T 2092—2018），等效荷載加載撓度修改系數(shù)ψ按0.994 2取值，梁的設(shè)計(jì)撓跨比為1/2 640。第一加載循環(huán)靜活載作用下?lián)峡绫葹閒1實(shí)測(cè)/L（fkbfka）/L=（14.88-5.69）/36 380=1/395 9；第二加載循環(huán)靜活載作用下?lián)峡绫葹閒2實(shí)測(cè)/L（fkb-fka）/L=（15.45-5.38）/36 380=1/361 3。因此，實(shí)測(cè)撓跨比小于設(shè)計(jì)規(guī)定值1.05×（1/2 640）/0.994 2=1/2 500。

4.2 應(yīng)力結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，節(jié)段箱梁在不同荷載作用下梁底理論計(jì)算應(yīng)力值見(jiàn)表4。應(yīng)力受拉為正，受壓為負(fù)。

表4 節(jié)段箱梁底理論計(jì)算應(yīng)力值

梁底跨中附近共布置25個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn),如圖6所示，每荷載級(jí)加載后測(cè)量計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，梁體混凝土28天抗壓強(qiáng)度值為61 MPa，混凝土彈模按36 000 MPa取值，得到梁底各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，A側(cè)、C側(cè)梁底各點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值如圖10所示。

由圖10中的應(yīng)力值可見(jiàn)，在最大控制荷載（1.05級(jí)）作用下，梁底實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)力減小值為7.9 MPa（A6測(cè)點(diǎn)），小于理論計(jì)算最大壓應(yīng)力減小值9.69 MPa。在各加載等級(jí)下實(shí)測(cè)最大應(yīng)力值均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明梁體剛度比設(shè)計(jì)值大，除了設(shè)計(jì)安全度和可靠概率的安全儲(chǔ)備外，還在于設(shè)計(jì)中把結(jié)構(gòu)空間計(jì)算的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面計(jì)算近似求解，所采用的橋梁橫向分布系數(shù)、邊界條件等計(jì)算假定會(huì)直接影響到箱梁截面應(yīng)力的大小，使箱梁實(shí)際受力小于理論計(jì)算值；同時(shí)，箱梁混凝土實(shí)際強(qiáng)度以及鋼筋強(qiáng)度指標(biāo)均高于設(shè)計(jì)選用指標(biāo)，使箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于安全。

圖10 梁底兩側(cè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值（單位：MP a）

4.3 裂紋測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)前用放大鏡在梁體跨中兩側(cè)下緣和梁底面進(jìn)行外觀檢查，采用放大鏡在梁體跨中兩側(cè)共8～12 m區(qū)段下翼緣及梁底面查找裂紋，均未發(fā)現(xiàn)裂紋；試驗(yàn)最大控制荷載為1.05級(jí)，試驗(yàn)過(guò)程中，在各級(jí)荷載下查找裂紋，在梁體底面和底部倒角或圓弧過(guò)渡段均未發(fā)現(xiàn)受力裂縫，表明梁體抗裂性能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)箱梁靜載試驗(yàn)及理論計(jì)算分析，得到以下結(jié)論。

（1）梁體在最大控制荷載作用下，持荷20 min，梁體底面和底部倒角或圓弧過(guò)渡段均未發(fā)現(xiàn)受力裂縫，說(shuō)明節(jié)段膠拼對(duì)梁體抗裂性影響不大，節(jié)段膠拼位置不會(huì)成為結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展位置。

（2）在第二循環(huán)靜活載作用下的撓跨比為1/3 613，小于設(shè)計(jì)規(guī)定值1/2 500；在第二循環(huán)靜活載與基數(shù)級(jí)作用下的撓度差為10.07 mm，小于理論計(jì)算值13.3 mm，說(shuō)明節(jié)段膠拼梁雖然對(duì)梁體剛度有一定影響，但具體折減系數(shù)尚需進(jìn)一步研究。

（3）在最大控制荷載作用下，梁底實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)力減小值為7.9 MPa，小于理論計(jì)算最大壓應(yīng)力減小值9.69 MPa，且殘余應(yīng)力較小，說(shuō)明箱梁混凝土實(shí)際強(qiáng)度以及鋼筋強(qiáng)度均高于設(shè)計(jì)選用指標(biāo)，箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的安全度。

本節(jié)段梁在試驗(yàn)荷載作用下，跨中撓度、應(yīng)力等試驗(yàn)指標(biāo)均與設(shè)計(jì)期望值相符，可滿足橋梁在設(shè)計(jì)荷載下的正常使用要求，通過(guò)靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)了節(jié)段梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證了施工工藝的可靠性，為節(jié)段預(yù)制膠拼箱梁設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。