考慮剪力滯系數(shù)的客運專線32 m后張梁靜載試驗方法研究

劉建學,馬 敏

(中鐵七局集團第三工程有限公司,西安 710015)

1 概述

中鐵七局集團石武客運專線鄭州南梁場施工32 m和24m預制箱梁2種,截面類型為單箱等高度簡支箱梁,梁寬12.0 m,計算跨度31.5 m(23.5 m),截面中心處高度為3.05m,線路中心線及底座板范圍梁高為3.15m。順橋向支座中心線距梁端為55 cm,橫橋向支座中心距為4.5 m。32 m梁總重為8 368 kN,24 m預制箱梁除長度外橫斷面與32 m梁相同,24 m梁總重為6 486 kN。

靜載試驗是將靜止的荷載作用在橋梁上的指定位置,測試結構的靜力位移、靜力應變、裂縫等參量的試驗項目,從而推斷橋梁結構在靜載試驗作用下的工作性能及使用性能[1～10]。考慮到箱梁在靜載試驗等效加載和實際設計荷載加載模式的不同對箱梁底板下緣應力的影響,設計圖紙[9]中要求靜載試驗加載數(shù)據(jù)計算要考慮剪力滯系數(shù)影響。梁場正常生產(chǎn)條件下,同類別、同跨度箱梁60件為1批,抽1件做靜載試驗,施工單位根據(jù)所選試驗梁型負責靜載試驗加載數(shù)據(jù)的計算,根據(jù)設計要求把綜合剪力滯系數(shù)和集中剪力滯系數(shù)代入加載數(shù)據(jù),準確地計算出了靜載試驗各級加載數(shù)據(jù)。

2 考慮剪力滯效應的靜載試驗加載計算方法介紹

剪力滯系數(shù)有綜合剪力滯系數(shù)(Kq)和集中剪力滯系數(shù)(Kp),由于考慮了剪力滯系數(shù)的影響,靜載試驗加載計算單和以往的計算有很大的區(qū)別,下面以中鐵七局石武客運專線鄭州南梁場32 m靜載試驗為例介紹如下。

2.1 試驗準備

根據(jù)文獻[1]的要求確定靜載試驗方案和控制截面,加載采用10臺千斤頂同步頂升來實現(xiàn)。設計自平衡式加載反力系統(tǒng),加載反力架如圖1所示。加載時10臺千斤頂分為2列,每列5臺,分別作用于箱梁兩側腹板軸線處。中間的千斤頂位于箱梁跨中,其余的在其兩側對稱布置,千斤頂之間的縱向間距為4 m,橫向間距為6.236 m。

圖1 加載反力架圖示

2.1.1 靜載試驗臺

靜載試驗臺座兩端采用預應力管樁基礎,試驗臺保證試驗梁跨度、支承方式、受力狀態(tài)符合設計計算簡圖且在整個試驗過程中保持不變。試驗臺不分擔試驗梁所承受的試驗荷載,且不阻礙梁體變形自由發(fā)展。

靜載試驗臺的強度設計安全系數(shù)應等于2.0,其加載變形量滿足加載千斤頂最大行程的要求。

2.1.2 加載油泵

在靜力加載的過程采用“一頂對一泵的原則”,配備10臺油泵對應10臺千斤頂,由1名總指揮統(tǒng)一指揮10個油泵操作手和5個油表讀數(shù)人,達到10臺千斤頂同步頂升,保證10個加載點同步受力。加載時節(jié)約了很多時間,同時也使得加載數(shù)據(jù)更為精確,加載過程更嚴密,可以達到很好的試驗效果。加載人員布置如圖2所示。

圖2 加載人員布置

2.1.3 布點位置

與傳統(tǒng)的靜載試驗相比,千斤頂縱向間距為4 m,主要不同就是千斤頂橫向間距由跨中向外擴大1 cm,橫向加載間距現(xiàn)為6.236 m。

2.2 考慮剪力滯系數(shù)的靜載試驗計算

時速350 km客運專線鐵路無砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁,采用C50高性能混凝土,終張拉時齡期為19 d,終張拉完成后至靜載試驗的時間25 d;終張時試件抗壓強度54.8 MPa,彈性模量3.67×104MPa,靜活載設計撓度 5.97 mm,f實測≤1.05×(f設計/ψ),設計靜活載撓跨比1/5 278,等效荷載加載撓度修正系數(shù) Ψ=0.998 7,抗裂安全系數(shù)Kf=1.42。

靜載試驗加載計算時,考慮剪力滯系數(shù)的影響,對梁體自重、二期恒載、活載計算時乘以Kq/Kp系數(shù),補償乘以1/Kp系數(shù)。根據(jù)文獻[4]中得到32 m箱梁剪力滯系數(shù)分別為:綜合剪力滯系數(shù)Kq=1.017 0,集中剪力滯系數(shù)Kp=1.031 9。

靜載試驗采用5排加載方式加載,每排間距4 m,每排采用2點加載,加載點橫向距離為6.236 m,沿對稱梁體中心線布置。等效荷載加載圖示見圖3。

2.2.1 根據(jù)加載圖式計算等效力臂α值

跨中彎矩

圖3 等效荷載加載圖示(單位:m)

則:M=P×α

式中 R——支點反力,RA=RB=R,kN;

L——計算跨度,m;

α——等效力臂,m。

2.2.2 計算未完成的應力損失值

η1、η2— —分別為收縮 、徐變與松弛應力損失

完成率;

ΔσS——未完成的預應力損失值,MPa。

2.2.3 計算未完成應力損失的補償彎矩ΔMS

式中 Ay——跨中截面預應力鋼筋截面面積,0.035 7 m2;

Ag——跨中截面普通鋼筋截面面積,全預應力梁取Ag=0 m2;

Δ σS——未完成的預應力損失值 ,MPa。

2.2.4 計算基數(shù)級荷載跨中彎矩

5.475 ×(13.7+3.74)=95.48 kN?m得出:

其中:g1為加載千斤頂?shù)闹亓?1.37 kN/個,共10個。

g2為加載千斤頂鋼板墊塊的重力:0.374 kN/塊,共10塊。

2.2.5 計算基數(shù)級荷載值

2.2.6 計算各加載級下的加載值

計算靜活載級下的荷載等級

利用下式計算各加載級跨中彎矩

根據(jù)公式PK=MK/α,計算各加載等級下的加載值。

各級加載時每個加載千斤頂?shù)牧?P'i=Pk/10,計算結果見表1。

表1 加載荷載 kN

3 撓度測點布置和裂縫觀測

一般情況下,對撓度測點的布設要求能夠測量結構的豎向撓度、側向撓度和扭轉變形,應能給出受檢跨及相鄰跨的撓曲線和最大撓度。每跨一般需布設3～5個測點。

本梁場的靜載試驗撓度觀測采用6點布測,支座4點和跨中2點,采用百分表實時觀測,豎向位移采用百分表測量,其測量精度為0.01 mm,最小分度值不宜大于被測撓度總值的1.0%。撓度計算滿足《預應力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評價標準》的要求。

測初始裂紋或受力裂紋,采用直徑不小于50mm、放大倍數(shù)為10倍的普通放大鏡。量測裂紋寬度必須使用刻度放大鏡,其最小分度值不宜大于0.05 mm,放大倍數(shù)應不低于10倍。

4 加載試驗程序

加載試驗程序滿足《預應力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評價標準》的要求。

5 靜載試驗結果的評定方法

依據(jù)《預應力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評價標準》(TB/T2092—2003)中,第5條對靜載試驗梁體剛度評定合格的標準是,實測靜活載撓度(f實測)為靜活載等級下實測撓度值減去基數(shù)級下實測撓度值。實測靜活載撓度值合格評定標準:f實測≤1.05(f設計/ψ)=6.28mm。相應評價標準均滿足規(guī)范要求。

6 現(xiàn)場靜載試驗結果

通過靜載彎曲試驗,實測梁體撓度為4.688 mm,小于設計值6.28mm;在第二加載循環(huán)最大加載荷載(K=1.2)的作用下,持荷20 min,梁體未出現(xiàn)裂紋,撓度觀測也符合要求,本次靜載試驗結果表明梁體質量完好,符合設計規(guī)范及耐久性要求。

7 結語

通過考慮剪力滯系數(shù)后對靜載試驗各級加載數(shù)據(jù)進行準確計算,精細地組織靜載試驗過程,保證靜載試驗比較真實地檢驗箱梁工作性能及使用性能,達到靜載試驗判定梁體質量的目的,對今后施工單位技術人員在客運專線箱梁靜載試驗加載數(shù)據(jù)計算和實施中具有很好的指導和借鑒意義。

[1]TB/T 2092—2003,預應力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評價標準[S].

[2]鐵科技[2004]120號,客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件[S].

[3]鐵建設[2007]47號,新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規(guī)定[S].

[4]SW-22,中鐵咨詢橋梁工程設計研究院關于對靜載試驗有關問題的回復報告[Z].北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司,2009.

[5]劉 明,等.土木工程結構試驗與檢測[M].北京:高等教育出版社,2008.

[6]鄭海霞,等.箱梁剪力滯研究[C]∥2004年全國橋梁學術會議論文集.北京:2004.

[7]季文玉,等.預應力RPC箱梁剪力滯效應分析[J].中國鐵道科學,2007(1).

[8]孫 璐.預應力混凝土鐵路橋簡支梁生產(chǎn)許可證產(chǎn)品檢驗辦法[M].北京:鐵道部質檢中心,2009:50-51.

[9]TBJ106—91.鐵路部分預應力混凝土梁設計驗收規(guī)定[S].