預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段預(yù)制膠接拼裝簡(jiǎn)支箱梁靜載試驗(yàn)研究

汪新凱

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610036）

0 引言

裝配式橋梁在鐵路工程建設(shè)中的應(yīng)用比例逐年增加，是混凝土橋梁工業(yè)化的發(fā)展方向。節(jié)段預(yù)制膠接拼裝簡(jiǎn)支箱梁是梁部裝配式的一種重要形式，相較于整孔預(yù)制架設(shè)箱梁，具有節(jié)段運(yùn)輸方便、節(jié)省成本、操作更安全等特點(diǎn)。

節(jié)段預(yù)制膠接拼裝簡(jiǎn)支箱梁按照拼裝工藝可分為濕接法和膠（干）接法。濕接法是指所有預(yù)制節(jié)段吊裝就位后，通過(guò)在接縫處現(xiàn)澆混凝土，連接相鄰節(jié)段，在現(xiàn)澆段內(nèi)有相互連接的鋼筋，該方法已在鐵路工程中得到較廣泛的應(yīng)用。膠接法是指預(yù)制節(jié)段吊至橋位后，按照順序通過(guò)剪力鍵、黏接膠和臨時(shí)預(yù)應(yīng)力將所有節(jié)段黏連在一起，再?gòu)埨谰妙A(yù)應(yīng)力成為整體。膠接法在鐵路工程中的應(yīng)用較少，因此缺乏系統(tǒng)性的研究，行業(yè)內(nèi)缺少成熟的設(shè)計(jì)、施工以及靜載彎曲試驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

以孟加拉國(guó)某鐵路項(xiàng)目38m 節(jié)段預(yù)制膠接拼裝簡(jiǎn)支箱梁（簡(jiǎn)稱節(jié)段梁）為例，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)橋靜載彎曲試驗(yàn)的方法，研究節(jié)段梁的抗彎、抗裂性能以及彎曲靜載試驗(yàn)中需特別注意的事項(xiàng)，為后續(xù)類似工程提供參考。

1 試驗(yàn)節(jié)段梁概況

該項(xiàng)目為單線客貨共線鐵路，設(shè)計(jì)速度客車120km/h、貨車80km/h，設(shè)計(jì)活載為印度25t Loading-2008 軸重活載，梁體采用預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段預(yù)制膠接拼裝簡(jiǎn)支箱梁，采用短線法預(yù)制施工，不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，且要求抗裂系數(shù)不低于1.2[1]。簡(jiǎn)支箱梁梁長(zhǎng)37.88m，計(jì)算跨度為36.38m，采用單箱單室直腹板箱梁形式，縱向劃分12 個(gè)節(jié)段，箱梁頂板寬8.45m，底板寬4.8m，梁高2.4m[2]。簡(jiǎn)支箱梁采用M50 鋼筋混凝土，鋼筋采用Fe500D 鋼筋，鋼絞線采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpu=1860MPa。

2 彎曲靜載試驗(yàn)方法

2.1 節(jié)段梁靜載試驗(yàn)的特點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)鐵路橋梁靜載試驗(yàn)執(zhí)行規(guī)范為《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），該規(guī)范適用范圍為：標(biāo)準(zhǔn)軌距設(shè)計(jì)、廠（場(chǎng)）制預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的質(zhì)量檢驗(yàn)，其他類型預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁可參照使用[3]。

該項(xiàng)目梁體采用預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段預(yù)制膠接拼裝簡(jiǎn)支箱梁的結(jié)構(gòu)形式，與上述試驗(yàn)規(guī)范中適用范圍的簡(jiǎn)支梁存在以下區(qū)別：

第一，該項(xiàng)目軌距為1676mm，非標(biāo)準(zhǔn)軌距，活載采用印度25t Loading—2008 軸重，非附錄所列的標(biāo)準(zhǔn)活載，超出規(guī)范限定范圍。

第二，非標(biāo)準(zhǔn)活載不可采用規(guī)范附錄A 中的“等效荷載加載撓度修正系數(shù)Ψ”，應(yīng)另行計(jì)算[4]。

第三，由于在膠接縫附近鋼筋不連續(xù)，試驗(yàn)加載位置、步驟和標(biāo)準(zhǔn)可能不同。

第四，節(jié)段梁無(wú)法直接采用規(guī)范附錄C 中的“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，需另行計(jì)算。

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)節(jié)段梁靜載試驗(yàn)案例，上述規(guī)范的適應(yīng)性雖有待研究，但可參照使用。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于上述原因，該箱梁彎曲靜載試驗(yàn)的加載點(diǎn)、加載值以及相關(guān)修正系數(shù)需另行計(jì)算。由于軌道板等二期恒載尚未施工，因此試驗(yàn)梁使用裸梁進(jìn)行加載試驗(yàn)[5]。

由于試驗(yàn)梁為節(jié)段拼裝梁，規(guī)范規(guī)定的加載點(diǎn)部分落在拼接縫位置，直接施加集中力可能導(dǎo)致拼接縫處存在風(fēng)險(xiǎn)，因此將加載點(diǎn)設(shè)置在各節(jié)段中間位置，共計(jì)10 個(gè)；同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)安全，橫向加載在腹板上方。加載情況如圖1 所示。

圖1 縱橋向等效集中力位置（單位：mm）

2.3 參數(shù)計(jì)算

2.3.1 等效力臂α

式（1）中：L為計(jì)算跨度（m）；M為跨中彎矩（kN·m）；R為支點(diǎn)反力（kN）；Xi為各加載點(diǎn)至跨中的距離（m）；n為加載截面?zhèn)€數(shù)。

得：α=M/P=100.65

2.3.2 預(yù)應(yīng)力損失完成率

根據(jù)梁體終張日期至加載日期的天數(shù)，根據(jù)插值法計(jì)算混凝土收縮徐變的預(yù)應(yīng)力損失σL6完成率：η1=0.43；鋼筋松弛應(yīng)力損失σL5完成率：η2=1.00。

2.3.3 各級(jí)加載彎矩和單個(gè)加載點(diǎn)數(shù)值計(jì)算

該箱梁彎矩靜載試驗(yàn)采用錨樁+分配梁+千斤頂?shù)膫髁π问剑總€(gè)加載點(diǎn)設(shè)備的質(zhì)量為Ps=109（kg），每一級(jí)加載千斤頂?shù)臉?biāo)定值均應(yīng)考慮加載設(shè)備質(zhì)量的影響。考慮未鋪設(shè)防水層和剪力滯效應(yīng)的影響，根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式（2）～（3）中：ΔMs為未完成的預(yù)應(yīng)力損失的補(bǔ)償彎矩（kN·m）；Δσs為未完成的預(yù)應(yīng)力損失值（MPa）；Ap為跨中截面預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積（m2）；W0為跨中截面下緣換算截面抵抗矩（m3）；A0為對(duì)跨中截面換算截面面積（m2）；e0為跨中截面預(yù)應(yīng)力合力中心只換算截面重心距離（m）；Mk為各加載級(jí)下跨中彎矩（kN·m）；λq為跨中截面均布荷載剪力滯系數(shù)；λp為跨中截面集中荷載剪力滯系數(shù)的比值；K為加載等級(jí)；Mz為梁體質(zhì)量對(duì)跨中彎矩（kN·m）；Md為二期恒載質(zhì)量對(duì)跨中彎矩（kN·m）；Mh為活載對(duì)跨中彎矩（kN·m）；Mf為防水層質(zhì)量對(duì)跨中彎矩（kN·m）；Ms為加載設(shè)備質(zhì)量對(duì)跨中彎矩（kN·m）。

計(jì)算可得各級(jí)加載彎矩和單個(gè)加載點(diǎn)數(shù)值。箱梁靜載試驗(yàn)在橋位進(jìn)行，梁體仍作運(yùn)營(yíng)使用，考慮混凝土梁在運(yùn)營(yíng)使用中的結(jié)構(gòu)安全性，該試驗(yàn)最高加載至1.05 級(jí)。

2.4 試驗(yàn)設(shè)備和方法

靜載試驗(yàn)的加載系統(tǒng)以鋼管樁為地錨，為加載提供抗拔力，再通過(guò)橫梁、分配梁、吊桿和千斤頂將外力傳遞至梁體。觀測(cè)儀器設(shè)備有千斤頂、油表、百分表等。

梁體撓度測(cè)點(diǎn)布置在跨中和支座兩側(cè)，撓度基準(zhǔn)梁需獨(dú)立設(shè)置，避免受到其他干擾，共布置3 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、6 個(gè)撓度觀測(cè)點(diǎn)。

在以跨中截面為中心的縱向兩側(cè)2.4m 范圍的箱梁底部布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。為加強(qiáng)觀測(cè)，獲得更多關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在跨中3 條拼縫處跨縫安裝應(yīng)變計(jì)，選取3 個(gè)預(yù)應(yīng)力齒塊位置安裝應(yīng)變計(jì)，共計(jì)安裝33 個(gè)表面式振弦應(yīng)變計(jì)。

靜載試驗(yàn)前，用放大鏡對(duì)箱梁跨中底面和兩側(cè)下緣進(jìn)行外觀初檢，記錄和標(biāo)記梁體初始裂縫及局部缺陷。在試驗(yàn)過(guò)程中，每級(jí)加載后，仔細(xì)檢查梁體跨中底面和兩側(cè)下緣是否出現(xiàn)裂縫。如出現(xiàn)新裂縫或初始裂縫延伸，應(yīng)記錄和標(biāo)記荷載等級(jí)、裂縫寬度和長(zhǎng)度。

靜載試驗(yàn)的最大加載級(jí)為1.05 級(jí)，采用2 次循環(huán)加載，節(jié)段箱梁靜載試驗(yàn)加載程序如表1 所示。

表1 節(jié)段箱梁靜載試驗(yàn)加載程序

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與梁體評(píng)定

3.1 梁體剛度評(píng)定

梁體的實(shí)測(cè)撓度等于跨中截面的豎向位移量減去支座沉降量，實(shí)測(cè)撓度與計(jì)算撓度比較見(jiàn)表2。

表2 節(jié)段箱梁實(shí)測(cè)撓度與計(jì)算撓度比較

由表2 可知，第一循環(huán)靜活載級(jí)撓度與基數(shù)級(jí)撓度之差fkb-fka=14.88mm-5.69mm=9.19mm；第二循環(huán)靜活載級(jí)撓度與基數(shù)級(jí)撓度之差fkb-fka=15.45mm-5.38mm=10.07mm；理論計(jì)算靜活載級(jí)撓度與基數(shù)級(jí)撓度之差為23.6mm-10.3mm=13.3mm。兩次循環(huán)撓度基本一致，表明箱梁仍處于彈性階段，且兩次循環(huán)的靜活載撓度均小于設(shè)計(jì)值Ψ，梁體剛度評(píng)定合格。

3.2 梁體抗裂評(píng)定

在1.05 級(jí)最大等效荷載持荷20min 下，梁底實(shí)測(cè)的壓應(yīng)力減小值最大為7.9MPa，小于理論計(jì)算的9.69MPa；預(yù)應(yīng)力齒塊附近未發(fā)生崩裂現(xiàn)象，齒塊實(shí)測(cè)的壓應(yīng)力減小值最大為4.3MPa，小于理論計(jì)算的6.94MPa。在各加載等級(jí)下，實(shí)測(cè)的最大應(yīng)力值均小于理論計(jì)算值，箱梁在工作荷載作用下全截面受壓、無(wú)拉應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)前，用放大鏡在梁體底面和兩側(cè)下緣的8～12m 范圍內(nèi)進(jìn)行外觀初檢，未發(fā)現(xiàn)裂縫；在最大1.05級(jí)荷載持荷20min 下，在梁體底面、底部倒角未發(fā)現(xiàn)受力裂縫，因此判定梁體抗裂評(píng)定合格。

對(duì)于不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力梁，梁體豎向剛度和抗裂性均合格，因此可判定該節(jié)段箱梁靜載彎曲試驗(yàn)合格。

4 結(jié)論

其一，試驗(yàn)節(jié)段箱梁兩次循環(huán)撓度基本一致，說(shuō)明箱梁處于彈性階段，兩次循環(huán)的靜活載撓度均小于設(shè)計(jì)值Ψ，說(shuō)明梁體剛度評(píng)定合格。

其二，試驗(yàn)節(jié)段箱梁在最大1.05 級(jí)荷載持荷20min 下，全截面受壓、無(wú)拉應(yīng)力，在梁體底面、底部倒角未發(fā)現(xiàn)受力裂縫，說(shuō)明梁體抗裂評(píng)定合格。

其三，考慮干膠接縫一定范圍的鋼筋不連續(xù)，建議縱向加載點(diǎn)布置盡量避開(kāi)接縫，同時(shí)應(yīng)根據(jù)等效原理，重新計(jì)算試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)。

其四，當(dāng)實(shí)際情況與現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的軌距、活載、梁體計(jì)算跨度不同時(shí)，亦建議根據(jù)等效原理，重新計(jì)算試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)。