節段膠拼箱梁靜載試驗研究

劉小林，劉少成

（1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430056；2.中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北 武漢 430034）

0 引言

橋梁結構預制節段拼裝工藝施工便捷、質量可靠，且機械化程度高、對環境影響小，具有較好的經濟效益和美學效果，從而逐漸得到推廣。目前國內節段梁預制拼裝技術在鐵路橋梁中尚未得到廣泛應用，已有的研究只是驗證了標準預制梁的受力特征，而較少對非標準荷載、非標準節段膠拼預制梁進行研究[1-3]。本文針對某國外鐵路項目，其在跨越城市區段均采用高架橋方案，橋梁結構形式為38 m預應力混凝土節段膠拼簡支箱梁。這種結構形式在當地使用不多，設計、施工經驗并不豐富。為測試預制節段梁在試驗荷載作用下的力學性能，檢驗梁體的施工質量是否滿足設計要求，通過在已架設梁體上施加與二期恒載和列車活載等效的荷載，驗證節段梁在設計荷載作用下的剛度和抗裂性，檢測橋跨撓度和底板應力并與理論計算進行比較，評價橋梁結構在設計使用荷載下的工作性能，確保箱梁結構質量和后期運營安全，為箱梁橋的竣工驗收和正常使用提供可靠的技術依據。

1 節段梁基本參數

為確定橋梁在使用荷載作用下的工作性能，通過模擬實際使用狀況，在已架設的節段箱梁上進行靜載試驗。試驗梁為單線鐵路梁橋，無砟軌道橋面，采用印度設計規范，鐵路軌距1676 mm；設計速度為客車120 km/h，貨車80 km/h；設計活載為印度32.5 t軸重活載[4]。

節段箱梁梁長37.88 m，計算跨度36.38 m，沿縱橋向劃分為12個節段，如圖1所示，中間10個標準節段長度為3.25 m，兩側節段長度為2.69 m。梁體截面類型為單箱單室直腹板變截面箱梁，邊支座中心線至梁端0.75 m，橫橋向支座中心距為3.3 m。箱梁頂板寬8.45 m，箱寬4.8 m，頂板厚22.5 cm，底板厚25 cm，腹板厚35～55 cm。

圖1 節段箱梁結構圖（單位：mm）

簡支箱梁采用M50鋼筋混凝土，箱梁鋼筋均采用Grade Fe 500 d鋼筋，鋼絞線采用高強度低松弛鋼絞線，公稱直徑為15.2 mm，彈性模量為195 GPa，抗拉強度標準值為1 860 MPa。

2 靜載試驗方案

本試驗梁為預應力混凝土節段預制拼裝簡支梁，與國內相關試驗規范中適用范圍簡支梁存在以下區別[5]。

（1）本試驗梁為非標準軌距、非標準活載，超出規范限定范圍。

（2）設計活載不同于規范附錄A中“中—活載、ZK活載、ZKH活載、ZC活載”，不可采用規范中“等效荷載加載撓度修正系數”。

（3）節段預制拼裝梁簡支梁，由于膠接縫范圍鋼筋不連續，應力和強度等控制指標與非膠接連接的廠制預應力混凝土簡支梁不同，試驗中梁體加載標準及抗裂評定標準應與廠制簡支梁不同。

（4）節段膠接連接的非標準預應力混凝土簡支梁，無法采用規范附錄C中“預應力混凝土靜載彎曲試驗加載計算”計算加載值。

雖然本節段梁靜載試驗缺少嚴格的規范依據，但鑒于本次試驗目的不同于現行規范，因此針對該節段梁試驗方法及加載操作流程參考上述規范進行。

2.1 加載和反力系統

模擬靜荷載考慮二期恒載、列車活載，靜載試驗加載采用等效集中力形式，對稱布置。共設置10個加載斷面，每個斷面2個加載點，測點布置方式為：10排×2點/排=20點。加載點施加在梁體腹板中心線上，等效集中力的施加方式如圖2所示。

圖2 等效集中荷載加載示意圖（單位：mm）

開展靜載試驗的節段箱梁已架設到橋墩上，結合實際結構特點，加載和反力系統采用鋼管樁作為地錨，為試驗加載提供反力，通過梁體以上的橫梁和拉桿，將千斤頂施加的力作用于梁體上，如圖3所示，千斤頂沿節段梁跨中對稱布置，縱向間距3.25 m，橫向間距4.45 m。靜載試驗加載和反力系統現場布置如圖4所示。

圖3 加載反力裝置布置示意圖（單位：mm）

圖4 箱梁靜載試驗加載和反力系統

2.2 撓度測試

梁體撓度測點布置在跨中及梁端支座中心兩側，測量撓度的基準梁與加載系統獨立設置。在加載過程中，基準梁不會受到加載和其他任何擾動。整跨節段梁共布置3個監測斷面，每個斷面2個撓度觀測點。梁體撓度測點布置如圖5所示。

圖5 梁體撓度測點布置

2.3 荷載測試

靜載試驗采用20點加載法，共配置20個標準測力計用于測試和控制相應千斤頂的試驗荷載。測力計的量程為100 t，精度為0.2%F.S，外徑?116 mm，內徑?75 mm，高100 mm。

2.4 應力測試

箱梁底部應力測試參考規范要求，在跨中截面和靠近跨中區域的梁軸線方向梁底部布設測點[6-7]，應變計自跨中截面向兩邊支座方向兩側梁體底面邊緣約2.4 m范圍內布置，如圖6所示。同時，在跨中拼縫、跨中兩側相鄰的兩條拼縫處跨縫安裝應變計，用于觀測試驗加載過程中拼縫處的應變變化情況，共安裝25個應變計。采用表面式振弦應變計，其安裝如圖7所示。

圖6 箱梁底部應變計布置方式

圖7 箱梁底部應變計安裝

2.5 裂縫及損傷裂紋觀測

由于梁體跨中承受最大彎矩，是最危險且最有可能開裂的區段，靜載試驗前用放大鏡在梁體跨中兩側下緣和梁底面進行外觀檢查，對梁體既有裂縫進行觀察和標記[8]。用放大鏡在梁體跨中兩側共8～12 m區段下翼緣及梁底面仔細查找裂紋，對于加載前檢查發現的初始裂紋（包括表面收縮裂縫和表面損傷裂縫）及局部缺陷，按約定的方法用鉛筆標記。試驗過程中，每級加載后仔細檢查梁體下緣和梁底有無裂縫出現，如出現裂縫或初始裂縫的延伸，應用記號筆或鉛筆標注，并注明荷載等級，量測裂縫長度和寬度。

2.6 靜載試驗加載程序

為確保混凝土齡期、減小收縮徐變影響，選取試驗節段箱梁自預應力張拉完成到開展靜載試驗間隔天數超過3個月。試驗開展參照相關規范和設計文件執行，其中各加載點的設備重量為109 kg，靜載試驗的最大加載級為1.05級。節段箱梁靜載試驗的各加載級荷載見表1。

表1 試驗各加載級荷載

試驗梁的加載分兩個循環進行，如圖8所示，以加載系數K表示加載等級（加載系數K是加載試驗中梁體跨中承受的彎距與設計彎距之比）。試驗準備工作結束后梁體承受的荷載狀態為初始狀態；基數級下梁體跨中承受的彎距指梁體質量與二期恒載質量對跨中彎距及未完成預應力損失的補償彎矩之和[9]。

圖8 加載循環及持荷時間

3 理論分析

根據節段箱梁結構尺寸和受力特點，采用橋梁有限元通用計算程序建立3D模型，如圖9所示，計算橋梁在不同受力工況下的受力和變形。

圖9 節段箱梁有限元模型示意圖

經計算得到試驗節段箱梁在各荷載等級作用下，計算撓度和跨中梁底最大計算正應力值見表2，其中撓度向下為負，正應力受壓為正，受拉為負。

表2 節段箱梁計算撓度和最大梁底應力值

4 試驗結果分析

4.1 撓度結果分析

每級加載后測量梁體跨中和各支座中心截面兩側豎向位移變化，以同一截面的兩側平均值分別作為相應截面的豎向位移量。跨中截面的豎向位移量減去支座沉降量即為該荷載下的實測撓度值，節段箱梁靜載試驗實測和計算撓度值見表3。

試驗加載過程中，撓度實測值與理論計算值變化趨勢基本一致，測點處計算值均大于時間測量值，說明跨中截面豎向撓度變形處于正常狀態[10]。由表3實測撓度值可知，第一加載循環靜活載撓度與基數級撓度之差為fkb-fka=14.88-5.69=9.19 mm；第二加載循環靜活載撓度與基數級撓度之差為fkb-fka=15.45-5.38=10.07 mm。實測撓度值小于理論計算值23.6-10.3=13.3 mm。

表3 節段箱梁實測撓度與計算撓度的比較

參照《簡支梁試驗方法預應力混凝土梁靜載彎曲試驗》（TB/T 2092—2018），等效荷載加載撓度修改系數ψ按0.994 2取值，梁的設計撓跨比為1/2 640。第一加載循環靜活載作用下撓跨比為f1實測/L（fkbfka）/L=（14.88-5.69）/36 380=1/395 9；第二加載循環靜活載作用下撓跨比為f2實測/L（fkb-fka）/L=（15.45-5.38）/36 380=1/361 3。因此，實測撓跨比小于設計規定值1.05×（1/2 640）/0.994 2=1/2 500。

4.2 應力結果分析

根據計算結果，節段箱梁在不同荷載作用下梁底理論計算應力值見表4。應力受拉為正，受壓為負。

表4 節段箱梁底理論計算應力值

梁底跨中附近共布置25個應力測點,如圖6所示，每荷載級加載后測量計算各測點的應力值，梁體混凝土28天抗壓強度值為61 MPa，混凝土彈模按36 000 MPa取值，得到梁底各測點的應力值，A側、C側梁底各點實測應力值如圖10所示。

由圖10中的應力值可見，在最大控制荷載（1.05級）作用下，梁底實測最大壓應力減小值為7.9 MPa（A6測點），小于理論計算最大壓應力減小值9.69 MPa。在各加載等級下實測最大應力值均小于理論計算值，說明梁體剛度比設計值大，除了設計安全度和可靠概率的安全儲備外，還在于設計中把結構空間計算的問題轉化為平面計算近似求解，所采用的橋梁橫向分布系數、邊界條件等計算假定會直接影響到箱梁截面應力的大小，使箱梁實際受力小于理論計算值；同時，箱梁混凝土實際強度以及鋼筋強度指標均高于設計選用指標，使箱梁結構設計偏于安全。

圖10 梁底兩側測點實測應力值（單位：MP a）

4.3 裂紋測試結果

試驗前用放大鏡在梁體跨中兩側下緣和梁底面進行外觀檢查，采用放大鏡在梁體跨中兩側共8～12 m區段下翼緣及梁底面查找裂紋，均未發現裂紋；試驗最大控制荷載為1.05級，試驗過程中，在各級荷載下查找裂紋，在梁體底面和底部倒角或圓弧過渡段均未發現受力裂縫，表明梁體抗裂性能滿足設計要求。

5 結論

通過箱梁靜載試驗及理論計算分析，得到以下結論。

（1）梁體在最大控制荷載作用下，持荷20 min，梁體底面和底部倒角或圓弧過渡段均未發現受力裂縫，說明節段膠拼對梁體抗裂性影響不大，節段膠拼位置不會成為結構裂縫發展位置。

（2）在第二循環靜活載作用下的撓跨比為1/3 613，小于設計規定值1/2 500；在第二循環靜活載與基數級作用下的撓度差為10.07 mm，小于理論計算值13.3 mm，說明節段膠拼梁雖然對梁體剛度有一定影響，但具體折減系數尚需進一步研究。

（3）在最大控制荷載作用下，梁底實測最大壓應力減小值為7.9 MPa，小于理論計算最大壓應力減小值9.69 MPa，且殘余應力較小，說明箱梁混凝土實際強度以及鋼筋強度均高于設計選用指標，箱梁結構設計具有一定的安全度。

本節段梁在試驗荷載作用下，跨中撓度、應力等試驗指標均與設計期望值相符，可滿足橋梁在設計荷載下的正常使用要求，通過靜載試驗檢驗了節段梁結構設計理論和計算模型的準確性，驗證了施工工藝的可靠性，為節段預制膠拼箱梁設計與施工提供借鑒。