重載作用下預應力混凝土梁應力分布及變形性質研究

杜勝男

中鐵十八局集團第一工程有限公司 河北 涿州 072750

運輸行業伴隨著國民經濟的穩步提升而逐步發展。作為近半個多世紀以來陸路運輸的主要交通方式，鐵路以其運輸速度快、單次運輸量多的獨特優勢在大宗物資的運輸上起著無可替代的作用[1]，譬如石油、煤炭、鋼鐵等材料的運輸均離不開鐵路。在快節奏的社會發展趨勢下，為加大運輸量、降低各類材料運輸成本、提高國民經濟效益，運輸大宗貨物已經開始由普通鐵路向重載鐵路發展[2]。重載鐵路于20世紀60年代開始制造，其列車軸重達25 t，之后上升至30 t；20世紀90年代，北美率先開始制造軸重35 t以上的重載列車[3]。我國重載鐵路于20世紀80年代開始發展[4]，目前處于世界領先水平。作為重載鐵路之基，鐵路的橋梁、根基對于能否安全、高效的運輸起到決定性作用，但其往往存在一定的安全隱患，尤其是在重載條件作用下。故本文主要研究重載鐵路預應力梁的抗裂性能。

預應力混凝土簡支梁[5]以其承載效果較好、受力方式簡單（靜定結構）、結算難度較小等優勢而被廣泛使用，在穿越河流、峽谷、公路等復雜情況時，橋梁發揮著獨特的優勢，目前我國最常見的簡支橋梁跨度一般在40 m以下。

隨著鐵路技術的不斷發展，重載鐵路出現以后，其運量增大、速度提升，加之橋梁經常建設于惡劣環境當中，導致其出現危害的概率逐步增大。分析重載運輸對混凝土預應力梁的影響具有一定的必要性。重載列車通過橋梁，會增大梁所受的垂直荷載，導致其撓度增大，對梁體產生不利作用；重載列車不僅增大了列車軸重、運輸質量，還在運輸密度、速度上都有所提升，導致其疲勞作用不斷加強[6]、承受的動荷載持續處于一個較高值，從而導致梁體的開裂，影響結構的安全。根據斜裂縫病害在高32 m的橋梁出現得較多的情況，本文以渝黔鐵路某橋段進行研究。

1 工程概況及試驗設計

1.1 工程概況

渝黔鐵路為我國“十二五”綜合交通運輸體系規劃重點項目，總長近347 km，其在加快沿線經濟發展上發揮著巨大作用，該線屬于國家Ⅰ級鐵路干線，設計年運輸能力為1 100萬 t。全線最主要梁型為高32 m的預應力混凝土梁，本文選取研究橋段部分為雙線橋，該橋基礎為樁基礎、板式柱墩，采用盆式橡膠活動支座，梁端存在斜裂縫[2]（圖1）。

圖1 第4孔梁端斜裂縫

1.2 試驗方案設計

分別研究具有斜裂縫和完整情況下預應力混凝土梁在靜載作用下的撓度和起裂特征，對當下各型號列車作用下的梁體的撓度、拉應力及剪應力、主應力展開測試。靜力測試布置在上行側第3、第4孔，測點各面布置如圖2、圖3所示。因第3孔梁為完整情況下的梁，而第4孔梁存在斜裂縫，因此測試應力沒有價值。為了研究斜裂縫對梁的影響，因此在內梁相應點位預設應力傳感器，測點統計見表1。

圖2 測點縱向布置示意

圖3 試驗測點布置示意

表1 試驗測點統計

2 研究結果分析

2.1 跨中撓度分析

分別對各測點進行測量，靜載試驗荷載為該段鐵路運行期間的實際荷載（C64、C70、C80列車實際荷載，下同）。統計出測試的列車實際荷載作用下各撓度的實測值如表2所示，對比分析各荷載下的撓度值，其隨著荷載的增加，無論第3孔還是第4孔的內、外側，跨中撓度值均呈現增長態勢；對比第3孔與第4孔，無論是內側梁還是外側梁，在以上3種荷載情況下第3孔撓度總小于第4孔，即有斜裂紋的孔撓度值較大；對于各孔而言，無論施加任何荷載，孔內外側梁撓度總高于內側梁。

表2 跨中撓度實測值統計

將上表中撓度值轉換為“中-活載”作用下的撓度值，數據見表3。分析轉換為均布荷載后的數據，第3、第4孔的撓度最大值均出現在C70荷載的外側梁，其大小分別為12.81 mm和13.49 mm，此時對應的撓跨比也為最大值，分別是1/2 498、1/2 371。分析不同情況下各位置的撓度在各荷載作用下的情況，有斜裂紋的梁體撓度值均比完好梁體的值大，最大相差值達6.5%。孔內2片并置梁中1片具有裂縫，則跨中撓度值差異達到4.0%，以上說明斜裂縫對結構的承載能力起到消極作用。

表3 “中-活載”換算值統計

2.2 梁底混凝土應力增量分析

試驗測試的列車荷載作用下預應力混凝土梁跨中應力增量測量值如表4所示，根據表中數據繪制出增量實測值（圖4）。根據圖表分析：各荷載作用下，第4孔內側、外側梁的跨中應力增量值較第3孔都偏大，兩者最大相差25.8%，說明具有斜裂縫的梁體跨中梁底混凝土應力增量值比完整狀態下的值大，因此斜裂縫的存在降低了梁體的承載能力。

表4 跨中梁底應力增量值統計 單位：MPa

圖4 跨中梁底混凝土應力增量實測值

表5 梁端應力增量實測值統計

圖5 梁端剪應力增量隨列車荷載變化

2.3 梁端截面應力增量分析

試驗測試的列車荷載作用下預應力混凝土梁梁端應力增量測量值如表5所示。根據表中數據繪制如圖5所示的散點圖。各列車荷載作用下，第3、第4兩孔的剪應力增量值均大于拉應力增量值，依次相差12.5%、12.9%、13.8%，說明梁端斜裂縫的破壞為剪應力導致。

根據散點圖分析剪應力增量值，隨著施加的列車荷載逐步提升，梁端的剪應力值呈現增大趨勢，荷載值由C64增加到C80，第3、第4孔剪應力分別提升了33.3%、36.1%。分別分析不同情況下的第3、第4孔剪應力，均表現為后者增量大于前者，即有裂縫的梁剪應力增量大于沒有裂縫的梁，差值區間為20.0%～25.5%，說明斜裂縫導致梁體的受力性能降低。其次，分析梁端的主拉應力，隨著施加的列車荷載逐步提升，荷載值由C64增加到C80，第3、第4孔主拉應力分別提升了31.8%、41.8%。分別分析不同荷載下的第3孔和第4孔主拉應力，均表現為第4孔的主拉應力增量大于第3孔，即有裂縫的梁主拉應力增量大于沒有裂縫的梁，差值區間為3.3%～14.7%，同樣說明斜裂縫導致梁體的受力性能降低。最后，分析梁端的主壓應力，隨著施加的列車荷載逐步提升，荷載值由C64增加到C80，第3、第4孔主壓應力分別提升了33.3%、21.4%。分別分析不同荷載下的第3孔和第4孔主壓應力，均表現為第4孔的主壓應力增量大于第3孔，即有裂縫的梁主壓應力增量大于沒有裂縫的梁，同樣說明斜裂縫導致梁體的受力性能降低。

靜載試驗結果表明，在不同試驗荷載的列車作用下，梁體存在斜裂縫的梁端截面的應力增量測量值比完整狀態下最大多25.5%，說明梁端存在的斜裂縫使得結構性能有所下降，且趨勢顯著。

3 結語

本文通過對具有斜裂縫和完整情況下的32 m高度預應力混凝土梁進行靜載試驗，對線路重載列車荷載作用下的完整橋梁和具有裂縫的橋梁的測試結果進行分析，包括其撓度和各項應力數據，得出如下結論：

1）對存在裂紋的橋梁和完好無損的橋梁進行靜載對比試驗。試驗結果顯示，在各不同荷載情況作用下，有、無斜裂縫這2種情況下梁的跨中撓度、應力增加量差距峰值分別為6.5%、25.8%，表現為在具有斜裂縫的梁體中略大；當孔中2塊并排放置的梁中有1塊具有斜裂縫，則內梁和外梁撓度測量值差異峰值可達4.0%。該試驗結果說明斜裂縫的存在使得橋體結構的承受荷載能力減弱。

2）在各不同的荷載試驗情況中，具有斜裂縫的梁體，其梁端截面的各應力（剪、主拉、主壓應力）增量的測量值與完整情況差異峰值達到 25.5%，說明梁端的斜裂縫使梁體結構承受荷載的能力削弱。有、無斜裂縫情況下梁端剪應力增量測量值與主拉應力增量測量值差異峰值達到13.8%，均表現為前者居大，說明剪應力為影響梁端斜向裂縫的主要因素。