時速250 km城際鐵路跨度31.5 m簡支箱梁試驗研究

侯建軍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

1 設計概述

根據(jù)我國鐵路“十一五”路網(wǎng)規(guī)劃,大量城際鐵路建設已列入規(guī)劃,為滿足250 km城際鐵路工程建設需要,開展了城際鐵路簡支箱梁設計,此系列設計是對我國鐵路已有通用參考圖紙的補充和完善。

單箱單室整孔簡支箱梁具有受力簡單、明確、形式簡潔、外形美觀、抗彎和抗扭剛度大,施工簡潔,建成后的橋梁養(yǎng)護工作量及噪聲小等優(yōu)點,在我國客運專線和高速鐵路建設中得到了廣泛應用,城際鐵路簡支箱梁的設計亦采用單箱單室截面形式。

1.1 橋面布置

依據(jù)鐵道部建設司關于做好客運專線橋面系優(yōu)化工作的要求和“客運專線箱梁橋面系優(yōu)化專題論證會”專家意見,確定橋面設計寬度：擋砟墻內(nèi)側凈寬9.0 m,橋上人行道欄桿內(nèi)側凈寬12.1 m,橋梁寬12.2 m,橋梁建筑總寬12.48 m,橋面布置見圖1。

圖1 橋面布置(單位：mm)

1.2 構造形式

箱梁設計采用等高度截面設計,截面中心梁高2.686 m，橫橋向支座中心距4.4 m。考慮城際鐵路橋梁大多連接大中型城市,因此在橋梁景觀上結合結構受力進行比選,箱梁設計腹板采用1∶3.5斜度,在結構內(nèi)外側的腹板與頂板相交處采用R=1 800 mm大圓弧倒角過渡,使其線形順暢,具有較好的景觀效果。箱梁主要截面尺寸見圖2。

圖2 箱梁截面尺寸(單位：mm)

1.3 主要設計指標

由于城際鐵路運行速度較高,箱梁在設計過程中除了保證橋梁結構強度和抗裂性能滿足安全的前提下,要求下部結構具有較高的平順性,為保證線路的平順性,應盡量減小徐變拱度。對于常用跨度31.5 m簡支箱梁，其主要設計指標見表1。

表1 跨度31.5 m箱梁主要設計指標

2 試驗研究

由于城際鐵路建設中大量采用跨度31.5 m簡支箱梁,其技術經(jīng)濟指標對城際鐵路建設及運營具有重大影響,為驗證箱梁在運營和施工架設過程中各項指標滿足規(guī)范要求,在進行空間計算分析基礎上,開展實體梁試驗研究驗證。

2.1 試驗方法

2.1.1 跨中彎曲靜載試驗

為了更好地檢驗設計,檢驗箱梁承載能力,依據(jù)《預應力混凝土鐵路梁靜載彎曲試驗方法及評定標準》的方法進行,采用縱向5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頂面中心,橫向加載點距離梁體中線2.99 m,加載示意見圖3。

圖3 跨中彎曲靜載試驗加載示意(單位：mm)

2.1.2 梁端受力性能試驗

為了更好地檢驗箱梁在施工架設過程中梁端受力性能,梁端試驗采用模擬支點反力與運架梁最大支點反力等效方式進行。梁端試驗采用縱向6排加載力,加載示意見圖4。

圖4 梁端受力性能試驗加載示意(單位：mm)

2.2 試驗參數(shù)確定

2.2.1 剪力滯系數(shù)

根據(jù)初等彎曲理論,剪力流在橫向傳遞過程中有滯后現(xiàn)象,特別對于寬跨比小的結構。按照初等梁理論平截面假定算出應力為δ1,而實際截面發(fā)生的應力為δ2,則剪力滯系數(shù)即為λ=δ2/δ1。對于箱形截面一般采用變分法的最小勢能原理分析其剪力滯效應。本次是通過建立MADIS FEA空間模型,模擬試驗加載工況和實際運營工況,分析確定箱梁剪力滯系數(shù)。

(1)綜合剪力滯系數(shù)

試驗過程中為考慮箱梁自重、二恒、活載等荷載引起箱梁跨中截面應力不均勻性,引入綜合剪力滯系數(shù)λ1,空間加載計算模型見圖5,箱梁在綜合荷載作用下跨中截面應力見圖6。

圖5 空間加載計算模型

圖6 綜合荷載作用下跨中截面下緣應力圖示

由圖6分析可得,箱梁跨中截面底板應力在綜合荷載作用下應力分布不均勻,兩側腹板下方產(chǎn)生拉應力較大,其最大值為15.67 MPa,底板靠近梁體中心線處產(chǎn)生拉應力較小,在底板寬度范圍等間距取21個應力點作統(tǒng)計分析,求取底板在荷載作用下平均拉應力為15.29 MPa,則確定綜合剪力滯系數(shù)為λ1=1.025。

(2)集中剪力滯系數(shù)

靜載試驗加載過程為考慮10點加載方式引起箱梁跨中截面應力不均勻性,引入集中剪力滯系數(shù)λ2,空間加載計算模型見圖7,箱梁在集中荷載作用下跨中截面應力見圖8。

圖7 空間加載計算模型

由圖8分析可得,箱梁跨中截面底板應力在集中試驗荷載作用下應力分布不均勻,兩側腹板下方產(chǎn)生拉應力較大,其最大值為16.30 MPa,底板靠近梁體中心線處產(chǎn)生拉應力較小,同樣按照綜合剪力滯系數(shù)求取辦法,在底板寬度范圍等間距取21個應力點作統(tǒng)計分析,求取底板在荷載作用下平均拉應力為15.75 MPa,則確定集中剪力滯系數(shù)為λ2=1.035。

圖8 集中荷載作用下跨中截面下緣應力圖示

2.2.2 撓度修正系數(shù)

箱梁靜載彎曲試驗集中力加載計算是按照箱梁跨中截面產(chǎn)生應力等效的原則確定,箱梁撓度由于集中力加載和實際活載加載模式不同,兩者產(chǎn)生撓度將有差別,根據(jù)初等理論中結構力學圖乘法分析,10點集中加載模擬實際活載產(chǎn)生的撓度修正值為1.008 7；同時又考慮了活載作用下跨中截面撓度分布不均勻影響的修正值為1.005 9。綜合考慮上述因素,跨度31.5 m箱梁ZK活載作用下等效荷載加載撓度修正系數(shù)η取1.008 7/1.005 9=1.002 8

2.3 試驗過程分析

2.3.1 跨中彎曲靜載試驗

(1)加載荷載計算

依據(jù)《預應力混凝土鐵路梁靜載彎曲試驗方法及評定標準》的方法,計算各級荷載加載時要考慮剪力滯系數(shù)影響,計算公式如下

Mk=K×(Md+Mz+Mh)×λ1/λ2+ΔMs/λ2-

Mz×λ1/λ2-Ms

式中Mk——各加載等級下的跨中彎矩；

K——加載等級；

Mz、Md、Mh——自重、二期恒載、活載對跨中產(chǎn)生的彎矩；

Ms——加載設備對跨中產(chǎn)生的彎矩；

ΔMs——未完成預應力損失產(chǎn)生的補償彎矩。

對于曲線、無聲屏障跨度31.5 m簡支箱梁,根據(jù)上述公式計算靜載彎曲試驗各級荷載加載數(shù)值見表2。

表2 曲線、無聲屏障箱梁各級荷載加載數(shù)值

(2)空間理論分析

在各級荷載作用下,理論分析箱梁跨中截面底板產(chǎn)生最大拉應力和豎向撓度：凈活載撓度為8.4 mm；靜載試驗加載至1.2倍荷載時,跨中截面下緣最大將產(chǎn)生1.1 MPa拉應力,小于混凝土抗拉設計強度,見圖9。

圖9 1.2倍荷載作用下跨中截面應力及撓度

(3)試驗測試

跨中彎曲靜載試驗中,為檢驗梁體承載能力,在跨中截面的底部沿梁體縱向3 m范圍內(nèi)布置外貼振弦式應變傳感器,測試各級荷載作用下跨中截面底板應力狀況。同時在跨中、L/4截面和支點截面下緣布置10個撓度測點(百分表)，測試梁體在試驗荷載作用下的變形。

由試驗實測結果分析,試驗荷載與跨中撓度基本保持線性關系(相關系數(shù)大于0.999),梁體處于彈性工作狀態(tài),第1和第2加載循環(huán)跨中靜活載撓度分別為6.75 mm和6.51 mm,撓跨比分別為1/4 667和1/4 839,小于設計撓跨比1/3 691。跨中撓度實測結果見圖10。第2循環(huán)加載至1.2倍設計荷載時,分布于箱梁跨中下緣兩側3 m范圍內(nèi)的30個應變測點的實測應變值與試驗荷載基本保持線性關系(相關系數(shù)均大于0.999),未出現(xiàn)明顯增大或減小的情況,表明試驗梁拉應力最大區(qū)域仍處于彈性工作狀態(tài)。跨中下緣兩側3 m范圍內(nèi)應變實測結果見圖11。

圖10 試驗梁跨中撓度實測結果

圖11 試驗梁跨中底板下緣3 m范圍內(nèi)測點應變實測結果

2.3.2 梁端受力性能試驗

為了更好地檢驗箱梁運架工況下箱梁梁端截面受力性能,試驗模擬實際運架梁工況進行,鑒于運架設備形式各異,支腿反力不盡相同,此次梁端試驗按照SXJ900/32架橋機架設跨度31.5 m箱梁,喂梁時第二吊荷載工況支反力控制加載，見圖12。

圖12 喂梁時第二吊荷載工況(單位：mm)

(1)加載荷載計算

按照上述圖示,綜合考慮架橋機中支腿(4×1 936 kN)、后支腿(8×177.8 kN)和運梁車(2 800 kN)共同作用,該工況產(chǎn)生最大支反力為8 600.3 kN,根據(jù)支反力等效原則計算各點加載力大小。按照運架梁最大支座反力的0.2、0.4、0.6、0.8、1.0倍5級控制。加載過程為不影響箱梁跨中截面承載力,加載過程跨中5排加載點最大加載力控制不超靜載彎曲試驗1.0倍級加載值,其他加載值由梁端1排加載點補足,各級荷載加載數(shù)值見表3。

表3 梁端受力性能試驗各級加載數(shù)值 kN

(2)空間理論分析

根據(jù)空間模型模擬各級加載工況,分析箱梁梁端截面產(chǎn)生應力狀況：加載至1.0級時,梁端最大支反力為8 600 kN,梁端截面最大橫向拉應力出現(xiàn)在頂板上緣,最大值為2.46 MPa；底板橫向最大壓應力為5.96 MPa,具體參見圖13。

圖13 加載圖示及1.0級喂梁梁端截面最大橫向拉應力分布

(3)試驗測試

箱梁梁端受力性能試驗中,為檢驗箱梁施工架設過程中梁端截面受力性能,在箱梁端面布置外貼振弦式應變傳感器測試其應力狀態(tài),測點布置見圖14。

圖14 梁端受力性能試驗端面測點布置

由實測結果分析,梁端試驗整個加載過程中,梁端端面頂板區(qū)域橫向應變測點均受拉,最大拉應力為2.40 MPa,出現(xiàn)在頂板中間上緣測點位置；底板區(qū)域橫向應變測點均受壓,最大壓應力為4.39 MPa,出現(xiàn)在底板下緣測點位置。梁端試驗在加載到最大荷載時,各測點實測拉壓應力均沒有超出規(guī)范拉壓應力允許范圍,梁端受力是偏于安全的。

3 結語

通過時速250 km客運專線(城際鐵路)單箱單室整孔箱梁的試驗研究,驗證了箱梁能夠滿足現(xiàn)行鐵路設計規(guī)范對結構變形和靜力使用性能的要求,達到驗證設計的目的,同時也為單箱單室城際鐵路箱梁推廣使用提供科學依據(jù),為城際鐵路的全面建設提供了技術支持。

[1]TB/T2092—2003，預應力混凝土鐵路梁靜載彎曲試驗方法及評定標準[S].

[2]TB10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范[S].

[3]項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，2002.