客貨共線鐵路32m單線箱梁靜載試驗(yàn)研究

朱希同

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

滬通鐵路為客貨共線鐵路，北起南通平東與寧啟鐵路貫通，向南跨越長江，經(jīng)張家港、常熟、太倉市到上海安亭，全長137.3 km，按國鐵I 級(jí)雙線標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km。根據(jù)初步設(shè)計(jì)批復(fù)意見及滬通鐵路聲屏障設(shè)置情況，滬通鐵路南通至安亭段采用簡支箱梁結(jié)構(gòu)［1-3］。

滬通鐵路全線大量采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙線及單線整孔簡支箱梁［4-5］，部分單線梁為適應(yīng)高架站線情況，在通橋（2014）2231-Ⅳ基礎(chǔ)上切除了懸出的單側(cè)翼緣板，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。針對(duì)截面變化后箱梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載及運(yùn)架荷載作用下能否滿足設(shè)計(jì)要求，開展了靜載試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

1 箱梁基本參數(shù)

滬通鐵路時(shí)速200 km 客貨共線32 m 單線箱梁的圖號(hào)為滬通施（橋）參-Ⅲ-11，是在橋（2014）2231-Ⅳ的基礎(chǔ)上切除單側(cè)翼緣板而成，采用單箱單室截面（見圖1）。梁體采用C50 混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼絞線公稱直徑為15.2 mm，強(qiáng)度等級(jí)為1 860 MPa，彈性模量為195 GPa。箱梁寬6.48 m，長32.6 m，計(jì)算跨度31.5 m，梁體質(zhì)量367 t，箱梁橫斷面中心線處梁高2.742 m，頂板厚0.262 m，底板厚0.25 m，腹板厚0.24 m，設(shè)計(jì)活載采用中-活載。

圖1 滬通鐵路32m單線箱梁截面（單位：mm）

2 靜載試驗(yàn)方案

靜載試驗(yàn)內(nèi)容主要包含靜載彎曲抗裂試驗(yàn)、梁端受力性能試驗(yàn)和橋面板受力性能試驗(yàn)3部分。

2.1 加載方式

1）靜載彎曲抗裂試驗(yàn)在梁體跨中采用縱向5排每排2 點(diǎn)的集中力方式加載。縱向每排集中力間距為4 m，每排橫向2點(diǎn)集中力間距為3 m，作用于箱梁腹板頂面中心［6］。

2）梁端受力性能試驗(yàn)采用在梁體跨中縱向3排每排2點(diǎn)集中力+梁端靠近支座中心線處1排2點(diǎn)集中力的方式加載。跨中縱向每排集中力間距為4 m，每排橫向2 點(diǎn)集中力間距為2.96 m，作用于箱梁腹板頂面中心。梁端1 排距梁端1.13 m，橫向2 點(diǎn)集中力間距為2.96 m。

3）橋面板受力性能試驗(yàn)采用單排集中力、特種活載、27 t 軸重貨車單個(gè)轉(zhuǎn)向架和橋面板應(yīng)力影響線4種荷載進(jìn)行加載。其中單排集中力、特種活載和27 t軸重貨車單個(gè)轉(zhuǎn)向架作用在跨中截面。橋面板應(yīng)力影響線加載采用270 kN 的集中力對(duì)影響線共15 個(gè)加載點(diǎn)進(jìn)行加載，加載點(diǎn)間距分別為1 100，550和275 mm。橋面板受力影響線加載方式見圖2，圖中顯示的是對(duì)稱布置的一半。

圖2 橋面板受力影響線加載方式（單位：mm）

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

2.2.1 靜載彎曲抗裂試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)

對(duì)于梁體變形測(cè)試，在箱梁跨中截面和兩端支座中心線截面共布置了6 個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)（百分表），每個(gè)截面2 個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。對(duì)于混凝土應(yīng)變測(cè)試，箱梁跨中截面左、右側(cè)腹板底緣3 m 范圍內(nèi)各布置縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)15個(gè)，測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 跨中截面底部混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

2.2.2 梁端受力性能試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)

在梁端受力性能試驗(yàn)中，在梁端、腹板外側(cè)、頂板底面和底板頂面布置外貼式鋼弦應(yīng)變計(jì)。梁端測(cè)點(diǎn)布置見圖4。

2.2.3 橋面板受力性能試驗(yàn)

在橋面板受力性能試驗(yàn)中，在頂板底面沿縱向、橫向，跨中截面腹板內(nèi)外側(cè)以及腹板上方頂板內(nèi)分別布設(shè)鋼弦應(yīng)變計(jì)。測(cè)點(diǎn)布置見圖5。

圖4 梁端測(cè)點(diǎn)布置

圖5 頂板底面測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

2.3 試驗(yàn)荷載

2.3.1 靜載彎曲抗裂試驗(yàn)

靜載彎曲抗裂試驗(yàn)加載值見表1。加載分2 個(gè)循環(huán)，第1循環(huán)加載至1.0級(jí)，第2循環(huán)加載至1.2級(jí)。

表1 靜載彎曲抗裂試驗(yàn)加載值

2.3.2 梁端受力性能試驗(yàn)

梁端受力性能試驗(yàn)加載值見表2。加載分2 個(gè)循環(huán)，第1 循環(huán)加載至模擬運(yùn)營最大支反力工況（1 768 kN）；第2 循環(huán)加載至模擬運(yùn)架最大支反力工況（2 320 kN）。

2.3.3 橋面板受力性能試驗(yàn)

橋面板受力性能試驗(yàn)加載值見表3。試驗(yàn)分別對(duì)單點(diǎn)加載、特種活載、27 t軸重貨車單個(gè)轉(zhuǎn)向架加載和影響線加載進(jìn)行了2個(gè)加載循環(huán)測(cè)試。其中單點(diǎn)加載采用250 kN和270 kN共2個(gè)加載級(jí)。

表2 梁端受力性能靜載試驗(yàn)加載值

表3 橋面板受力性能試驗(yàn)加載值

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.1 靜載彎曲抗裂試驗(yàn)

靜載彎曲抗裂試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)第1，2 加載循環(huán)跨中撓度分別為7.507.97 mm，撓跨比分別為1/4199，1/3953，實(shí)測(cè)值均小于設(shè)計(jì)值（1/3915），梁體剛度滿足規(guī)范要求［7］。第2 加載循環(huán)實(shí)測(cè)跨中撓度見圖6。可見跨中實(shí)測(cè)撓度與荷載呈線性關(guān)系，梁體處于彈性工作狀態(tài)。撓度實(shí)測(cè)值與理論值有差異主要是因?yàn)榛炷翉椥阅Ａ颗c設(shè)計(jì)彈性模量不一致。根據(jù)實(shí)測(cè)撓度反推靜載試驗(yàn)過程中的梁體實(shí)際彈性模量為38.1 GPa。

圖6 第2加載循環(huán)實(shí)測(cè)跨中撓度

第2 循環(huán)加載至1.2 倍設(shè)計(jì)荷載過程中，跨中截面下緣3.0 m 范圍內(nèi)底板兩側(cè)混凝土應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果相同，跨中下緣混凝土平均應(yīng)力為8.80 MPa（彈性模量取38.1 GPa），與理論計(jì)算值8.81 MPa 一致。跨中底板右側(cè)應(yīng)變與荷載的關(guān)系見圖7。可見跨中截面下緣各測(cè)點(diǎn)的混凝土實(shí)測(cè)應(yīng)變與加載值保持線性關(guān)系，未出現(xiàn)明顯增大或減小的現(xiàn)象。梁體混凝土拉應(yīng)力最大區(qū)域處于彈性狀態(tài)，加載過程中梁體沒有開裂，抗裂安全性滿足規(guī)范要求［8］。

圖7 跨中底板右側(cè)應(yīng)變與荷載的關(guān)系

3.2 梁端受力性能試驗(yàn)

梁端受力性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見圖8。可知，梁端頂板腹板倒角處，除5#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值略大于理論值外，其余各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值均小于理論值，實(shí)測(cè)5#測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)力最大值為 4.27 MPa（120×10-6），出現(xiàn)在第 9 級(jí)加載時(shí)；梁端底板腹板倒角處實(shí)測(cè)拉應(yīng)力最大值為4.22 MPa，小于理論值，出現(xiàn)在第3 級(jí)加載時(shí)；梁端頂板底面橫向拉應(yīng)力實(shí)測(cè)值比理論值大，隨著加載級(jí)遞增拉應(yīng)力有所增大，最大為4.71 MPa（133×10-6）；試驗(yàn)過程中，進(jìn)人孔各測(cè)點(diǎn)橫向受壓，考慮自重及預(yù)應(yīng)力后橫向壓應(yīng)力在0.5 MPa 以上；梁端受力性能試驗(yàn)全過程各測(cè)點(diǎn)處均未開裂，結(jié)構(gòu)受力安全。

圖8 梁端受力性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.3 橋面板受力性能試驗(yàn)

采用實(shí)體有限元模型對(duì)橋面板受力性能進(jìn)行了計(jì)算。橋面板受力性能測(cè)試結(jié)果見圖9。

由圖9（a）可知：單點(diǎn)加載和特種活載加載工況，實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力為2.91 MPa大于理論值（1.75 MPa）；27 t 軸重貨車單個(gè)轉(zhuǎn)向架加載工況，實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力為1.97 MPa，大于理論值（1.36 MPa）；試驗(yàn)中箱梁頂板底面橫向受拉，實(shí)測(cè)最大拉力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度容許值，測(cè)試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)混凝土開裂。

圖9 橋面板受力性能測(cè)試結(jié)果

由圖9（b）可知：單點(diǎn)加載和特種活載加載工況，實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力為1.75 MPa，大于理論值（1.07 MPa），實(shí)測(cè)豎向最大壓應(yīng)力為-2.38 MPa，超過理論值（-1.87 MPa）；27 t軸重貨車單個(gè)轉(zhuǎn)向架加載工況，實(shí)測(cè)跨中腹板頂部豎向最大拉應(yīng)力為1.28 MPa，大于理論值（0.84 MPa），實(shí)測(cè)豎向最大壓應(yīng)力為-1.56 MPa，超過理論值（-1.46 MPa）；試驗(yàn)中實(shí)測(cè)拉、壓應(yīng)力均小于混凝土強(qiáng)度容許值，測(cè)試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)混凝土開裂。

由圖9（c）、圖9（d）可知：270 kN 集中力沿縱向加載15個(gè)點(diǎn)，總體上影響線變化趨勢(shì)符合理論預(yù)期，荷載主要對(duì)加載點(diǎn)4～6 m范圍內(nèi)混凝土應(yīng)力產(chǎn)生影響；橋面荷載作用下，梁體頂板底面與頂板頂面（對(duì)應(yīng)腹板上方）橫向均受拉，腹板頂部外側(cè)豎向受拉，內(nèi)側(cè)豎向受壓。

4 結(jié)論

滬通鐵路時(shí)速200 km 客貨共線32 m 單線箱梁（圖號(hào)滬通施（橋）參-Ⅲ-11）靜載試驗(yàn)結(jié)果如下：

1）靜載彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，箱梁最大靜活載撓度為7.97 mm，撓跨比為1/3953，小于設(shè)計(jì)值，梁體剛度滿足設(shè)計(jì)要求；在1.2 倍設(shè)計(jì)荷載作用下，實(shí)測(cè)跨中下緣應(yīng)變與荷載呈線性關(guān)系，梁體處于彈性狀態(tài)，沒有發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，梁體抗裂性能滿足設(shè)計(jì)要求。

2）梁端受力性能試驗(yàn)結(jié)果表明，加載至架梁最大支反力時(shí)，梁端端面最大拉應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值比較一致，測(cè)試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，結(jié)構(gòu)受力安全。

3）橋面板受力性能試驗(yàn)結(jié)果表明，梁體頂板底面橫向拉應(yīng)力最大值為2.91 MPa，腹板外側(cè)頂部豎向拉應(yīng)力最大為1.75 MPa，均發(fā)生于特種活載加載時(shí)；測(cè)試區(qū)域未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，結(jié)構(gòu)受力安全。

4）經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，滬通鐵路時(shí)速200 km 客貨共線通用32 m單線箱梁（圖號(hào)滬通施（橋）參-Ⅲ-11）的各項(xiàng)受力性能符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。