循環荷載作用下預應力混凝土U型梁縱向裂縫試驗研究

高珊 袁磊 李文淵 高晗

摘 要：為了研究預應力鋼筋混凝土U型梁行車道板處縱向裂縫對結構安全的影響，選擇實際工程項目中標準梁段的一個節段進行循環加載試驗.通過對試驗梁節段進行1 000萬次的循環加載，分析了預應力混凝土U型梁行車道板縱向裂縫的發展及變化規律，并通過一定重復荷載作用后的靜力試驗研究了裂縫發展對結構安全的影響.結果表明，在整個循環加載過程中，結構位移、混凝土和鋼筋的應變及行車道板的縱向裂縫均隨著荷載循環次數的增加而增加，且前300萬次循環加載變化較大，后期逐漸趨于平穩；鋼筋的應力幅值較低，不會產生疲勞破壞；U型梁行車道板的壽命主要受縱向裂縫控制.

關鍵詞：城市橋梁；縱向裂縫；U型梁；循環荷載

中圖分類號：U446.1

文獻標志碼：A

0 前 言

U型梁是在槽型梁的基礎上發展而來的一種下承式薄壁式橋梁結構，相比傳統的軌道交通采用的箱梁及T梁而言，具有建筑高度低、斷面利用率高、降低噪聲效果好、美觀和防止車輛脫軌后沖出橋梁等優點，適用于鐵路橋、公路橋及城市高架橋，目前更是作為主要結構形式被廣泛應用于軌道交通中.

預應力混凝土U型梁的主梁腹板作為主要受力構件，既作隔音墻，又可防止車輛傾覆，其工況復雜，施工繁瑣.預應力混凝土U型梁構造獨特，受力行為與傳統混凝土梁橋不同，除了承受靜載作用外，還要經常承受地鐵等車輛的反復荷載作用，荷載重復次數多、速度快，會導致結構在遠小于靜載強度的情況下發生脆性破壞，即疲勞破壞.因此，對于該種類型的結構設計，必須考慮結構構件的疲勞強度問題.

目前，國內外學者對U型梁的結構特點及靜載下的受力性能進行了一定的研究［1-5］，但針對U型梁動力及疲勞性能等方面的研究較少.因此，為確保結構的承載安全，防止由于U型梁疲勞開裂降低梁體和行車道板的剛度與承載力，影響行車安全，有必要對預應力混凝土U型梁行車道板縱向疲勞裂縫擴展問題進行深入系統地研究.本研究以國內某城市地鐵30 m預應力混凝土U型梁為背景，通過選擇標準梁段的一個節段進行重復荷載下的疲勞試驗，研究重復荷載作用下預應力混凝土U型梁行車道板縱向裂縫的發展變化及對結構安全的影響.

1 試驗梁簡介及試驗方案

試驗梁為某城市軌道交通30 m預應力混凝土U型簡支梁，梁高180 cm，底板厚度為26 cm，內側腹板采用彎弧形等厚度腹板，外側為上部外鼓的彎弧形變厚度腹板.單梁重約為182 t，采用整孔吊裝施工，后張法施加預應力.根據現有疲勞試驗機的加載能力及裂縫產生的部位，本研究截取了單梁跨中標準截面的一段作為試驗研究對象，梁體截面如圖1所示.

梁體采用C55混凝土，混凝土彈性模量為3.57×104 MPa，立方體抗壓強度為56.3 MPa，抗拉強度為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線，普通鋼筋采用HRB335，真空壓漿技術.根據構造和應力等效原則，確定了縱向施加的預應力束的大小及位置.

在列車等活載的反復作用下，U型梁行車道板下緣產生的橫向拉應力不斷增大，當橫向拉應力大于混凝土的抗拉強度時，便會在U型梁下緣產生縱向裂縫.因此，首先需確定等效初始荷載，使得試驗梁在初始荷載及預制節段梁自重和預應力共同作用下，行車道板底緣橫向拉應力與30 m全梁在自重、預應力及二期恒載作用下產生的橫向拉應力相等；其次，根據30 m全梁在常遇荷載作用下行車道板橫向產生的應力幅，確定出模型梁的荷載幅值，使得模型梁在此荷載幅的作用下產生與全梁相同的橫向應力.

根據以上原則，計算確定試驗梁的等效荷載，并對其進行重復加載，觀察預應力混凝土U型梁行車道板縱向裂縫的發展變化，并通過一定重復荷載作用后的靜力試驗，研究裂縫發展對結構安全的影響.

2 加載裝置及測點布置

2.1 加載裝置

本研究采用MTS液壓伺服疲勞試驗機，最大加載噸位1 000 kN，最大頻率為10 Hz.試驗梁為簡支，通過分配梁在軌道縱梁上進行兩點加載，加載裝置如圖2所示.

由于該試驗梁所在工程尚處于施工階段，無法用實測法編制荷載譜，故本研究參照國內有關類似尺寸U型梁疲勞試驗［6-7］，根據其工程段行車組織及客流量預測數據得到的交通荷載譜，采用Miner線性累計損傷法換算等效試驗疲勞荷載譜，參考其疲勞荷載上下限的設計值，同時考慮本研究加載設備的穩定性，最終確定該試驗疲勞荷載下限為25 kN，上限為240 kN，采用常幅正弦波加載.U型梁鋼筋及混凝土的縱橫向應變采用電阻應變片及應變計進行測試.梁體各向變形采用位移計進行測試.

2.2 測點布置

2.2.1 應力測點布置

為了測量行車道板在荷載作用下的應力變化，監測U型梁行車道板裂縫的開展情況，在試驗梁行車道板底部布設多個應變測點.其中，有7個縱向應變測點（見圖3），26個橫向應變測點（見圖4）.在U型梁行車道板的下層鋼筋中布置7個縱向鋼筋應變測點（見圖5）.在U型梁行車道板的橫向鋼筋處布置12個橫向應變測點（見圖6）.

2.2.2 位移測點布置

試驗梁共布置位移測點9個.其中，在U型試驗梁行車道板跨中底部布置5個豎向位移測點；在U型梁行車道板橫斷面處布置2個軸向位移測點；在U型梁左右腹板頂部各布置1個橫向位移測點.U型試驗梁位移測點布置如圖7所示.

在進行正式疲勞試驗之前，用MTS液壓伺服系統對試驗梁進行70%設計荷載的預加載，以消除非彈性影響.

3 結果與分析

U型試驗梁共經歷了1 000萬次循環反復加載.循環加載過程中結構的動態響應如圖8與圖9所示.為了獲得U型梁在承受一定次數循環荷載作用后的結構響應，試驗分別在U型梁經歷200萬次、400萬次、600萬次、800萬次和1 000萬次循環加載后，停機對試驗梁進行靜載試驗，以觀測U型梁位移、應變測點及梁體裂縫發展情況對結構承載能力和使用安全的影響.

3.1 應變測試

隨著荷載循環次數的增加，U型試驗梁的縱橫向應變均有所增加，梁體的縱橫向剛度有所下降.各應變測點的應變隨荷載的增加呈線性增長，表明U型試驗梁在荷載作用下處于線彈性工作狀態.圖10為跨中結構中心線處鋼筋橫向應變測點SST9在不同循環次數下的荷載應變圖.

由圖10可知，相同荷載作用下，初始加載至200萬次循環加載之前鋼筋的橫向應變增幅較大，200萬次后至1 000萬次循環加載時，鋼筋的橫向應變增量非常小.表明在200萬次循環加載后，混凝土已開裂至鋼筋處，U型梁行車道板底板部分受拉區混凝土退出工作；200萬次至1 000萬次循環加載過程中，U型梁結構處于帶裂縫工作狀態，裂縫開展緩慢，未對結構再次造成較為嚴重的損傷.

圖11給出了U型試驗梁跨中結構中心線及道路中心線附近鋼筋測點的靜應力幅.從圖中可以看出，與初始加載時相比，3個測點的鋼筋靜應力幅均有增大.結構中心線處的鋼筋應力幅比道路中心線處鋼筋的應力幅要大.結構中心線處測點SST9處的鋼筋應力幅最大，平均應力幅為26.5 MPa.在200萬次循環加載后，測點鋼筋應力幅均出現明顯增幅，200萬次至1 000萬次循環加載過程中，鋼筋應力幅增幅不大.

3.2 位移測試

U型梁在豎向荷載作用下，試驗梁的梁體發生豎向變形.其中，U型梁行車道板跨中截面道路中心線處DV3測點的豎向位移最大.在各級循環加載后的最大靜載作用下，選取在有代表性的200萬次、600萬次和1 000萬次循環加載后的最大靜載作用下，對U型梁行車道板跨中截面中心線處DV3測點的豎向位移進行對比分析，測點DV3在不同循環次數下荷載位移如圖12所示.

從跨中截面道路中心線DV3測點在不同循環次數下荷載位移圖可以看出，試驗梁在初始、200萬次和600萬次加載的荷載位移曲線差別較大，而600萬次與1 000萬次加載的荷載位移曲線卻十分接近.在加載初期，加載至50 kN時，不同循環次數下的荷載位移區別不大，初始加載時豎向位移為0.34 mm，200萬次時為0.37 mm，600萬次時為0.32 mm，1 000萬次時為0.32 mm.隨著荷載的增加，不同循環次數下的荷載位移逐漸發生偏離，當加載至225 kN時，初始加載時豎向位移為1.55 mm，200萬次時為1.67 mm，600萬次時為1.88 mm，1 000萬次時為1.89 mm.說明隨著疲勞循環次數的增加，跨中截面道路中心線處測點的豎向撓度逐漸增加，表明試驗梁的整體剛度有所衰減.同一荷載作用下，前600萬次循環加載的位移變化較大，600萬次時的位移比初始加載位移增加了21%，而600萬次以后變化非常小.說明試驗梁結構在前600萬次循環加載產生裂縫并擴展后，600萬次到1 000萬次結構處于帶裂縫工作狀態，而裂縫幾乎沒有發展，未對結構造成進一步損傷，試驗梁整體剛度也沒有進一步退化，這與應變測試結果反映的情況基本一致.

3.3 裂縫測試

在U型試驗梁不同次數的循環加載過程中，不斷地通過肉眼及裂縫寬度檢測儀對試驗梁梁體裂縫的發展情況進行觀測，同時結合混凝土應變測量值的實時監測來觀測裂縫的產生、發展及裂縫寬度.

0～20萬次循環加載過程中，U型試驗梁未發現肉眼可見的裂縫.大約20萬次循環加載后，在U型梁橋面板底板中心線與加載中心線之間，出現2條長度約30 cm的縱向裂縫；100萬次循環加載后，U型梁橋面板底板共產生22條縱向裂縫；200萬次循環加載后，U型梁橋面板底板新增縱向裂縫14條；400萬次循環加載后，U型梁橋面板底板新增縱向裂縫14條，其中僅有2條裂縫出現在300萬次循環加載之后；600萬次循環加載后，U型梁橋面板底板新增縱向裂縫3條；1 000萬次循環加載后，U型梁橋面板底板無新增縱向裂縫.截止1 000萬次循環加載結束時，共發現縱向裂縫53條，主要分布在U型梁底板跨中至兩加載位置之間.各級循環加載后U型梁橋面板底板裂縫分布情況如圖13所示.各級循環加載所產生裂縫比例示意圖如圖14所示.

綜合U型梁橋面板底板裂縫開展情況可以看出，梁體裂縫主要集中出現在200萬次循環加載之前，200萬次循環加載之后主要是裂縫的擴展和延伸，通過對位移和應力應變的監測情況來看，這種裂縫的擴展和延伸對結構造成的損傷不顯著.前200萬次循環加載生裂縫36條，占裂縫總數的67.93%；300萬次循環加載以后僅新增5條裂縫.同時也印證了200萬次循環加載以后應變曲線變化不大，以及600萬次循環加載以后位移變化不大的事實.

4 結 論

本研究通過對實際工程項目中U型梁的1個節段進行循環反復加載試驗，研究了循環荷載作用下，預應力混凝土U型梁行車道板的受力特點和裂縫發展及變化規律，可以得到以下結論：

1）隨著荷載循環次數的增加，在相同荷載作用下U型試驗梁的混凝土與鋼筋的應變及試驗梁的位移均有所增加，表明試驗梁在循環荷載作用下，出現疲勞損傷累積，梁體的剛度有所下降.該系列變化在循環加載前期（200萬次循環加載之前）表現比較明顯，循環加載后期逐漸平穩.

2）在循環荷載反復作用下，U型梁行車道板底板的裂縫均為縱向短裂縫.90%以上的縱向裂縫出現在循環加載前期即300萬次循環加載之前，循環加載后期裂縫發展非常緩慢.

3）在循環荷載反復作用下，U型梁行車道板鋼筋的應力幅比較小，不會產生疲勞破壞，U型梁行車道板的壽命主要受縱向裂縫控制.

參考文獻：

［1］Zhang J F， Jing Y， Li P D，et al.Experimental and Numerical Investigation on the Ultimate Vertical Bearing Capacity of U-Shaped Girder with Damaged Web［J］.Sensors，2019，19（17）：3735-1-3735-20.

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［6］莊嚴.城市軌道交通U型梁靜載試驗研究［D］.成都：西南交通大學，2011.

［7］張婷.城市軌道交通荷載作用下的U型梁疲勞損傷性能試驗研究［D］.成都：西南交通大學，2011.

（實習編輯：姚運秀）

Abstract：

In order to study the influence of longitudinal crack on the safety of prestressed reinforced concrete u-beam deck， a section of a practical project was selected for cyclic load test.Through the method of 10 million times of cyclic loading on the test beam segment， the development and the variation law of longitudinal cracks of prestressed concrete U-beam deck were analyzed， and the influence of crack development on structural safety was studied through static test after certain cyclic loading.The results show that during the entire cyclic loading process， the structural displacement， the strain of the concrete and steel bars， and the longitudinal cracks of the deck increase with the number of load cycles.The change before 3 million cycles of loading is obvious but gradually stabilizes in the later stages; the stress amplitude of the steel bar is low， which will not cause fatigue damage; the life of the U-beam deck is mainly controlled by longitudinal cracks.

Key words：

municipal bridge; longitudinal crack; U-beam; cyclic load