重復荷載下高鐵24m箱梁模型試驗研究＊

葛繼平 王志強 彭大文 嚴 平

（上海應用技術學院城市建設與安全工程學院1） 上海 200235） （同濟大橋橋梁工程系2） 上海 200092）（上海理工大學 環 境與建筑學院3） 上海 200093）

0 引 言

目前，我國高速鐵路設計車速為350km／h，速度目標值較高，對線路軌道平順性，線下基礎設施要求更加嚴格.高速鐵路、客運專線行車要求其下部結構物具有較大的抗彎和抗扭剛度.先、后張預應力混凝土簡支箱梁具有受力簡單、明確、形式簡潔、外形美觀、抗扭剛度大，建成后的橋梁養護工作量小以及噪聲小等優點，得到了廣泛應用.我國秦沈客運專線和京滬高速鐵路中的主力梁型為單雙線后張法預應力混凝土簡支箱梁，其常用跨度為20，24和32m［1－2］.重復荷載下箱梁的全過程受力分析是一個非常復雜的一個問題.對于工程實踐中的成批原型箱梁，可以按照“預應力混凝土鐵路簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準”（2003）進行檢查，驗證了箱梁能夠滿足現行鐵路設計規范對結構變形和靜力使用性能的要求［3］.武鳳遠［4］對高速鐵路、客運專線中應用廣泛的預應力混凝土簡支箱梁進行了從設計、施工、科研試驗多角度的分析，詳細總結了我國高速鐵路大規模采用的預應力混凝土簡支箱梁設計施工中的成熟經驗.侯建軍［5］對時速250km城際鐵路單箱單室整孔箱梁開展了箱梁跨中彎曲靜載試驗和梁端受力性能試驗研究.李晗之［6］對施工完畢的32 m后張法預應力混凝土簡支梁進行靜載試驗，判斷箱梁的工程質量是否符合設計文件要求.何鑫［7］利用足尺箱梁模型研究了預應力損失問題.這些研究對使用狀態下箱梁的各個方面的行為作了全面的總結，為本文的研究打下堅實的基礎.

本文主要是對24m跨徑單線簡支模型箱梁進行重復荷載試驗研究［8］.研究目的是全面探究預應力簡支箱梁在加載全過程中的受力性能，包括正常使用極限狀態下的撓度、裂縫寬度及其分布和跨中截面剪力滯效應，承載力極限狀態下的破壞模式、撓度和跨中截面剪力滯效應，為后續的結構損傷識別的研究提供基準數據.

1 模型試驗箱梁設計

選取合蚌客運專線24m預應力混凝土簡支梁為研究對象，適用范圍是旅客列車最高行車速度250～350km／h，適用于場地集中預制、架橋機架設.梁體采用高性能混凝土，強度等級為C50.截面類型為單箱單室箱梁，梁端頂板、底板及腹板局部向內側加厚.梁長分別為24.6m，計算跨度23.5m，梁高3.05m.箱梁結構重心位于跨中截面梁體中心線，距跨中梁底都為1.78m.支座自重反力2 070kN，靜活載最大反力1 170kN.豎向自振頻率為12.22Hz.根據相似理論的3個相似定理、試驗精度要求以及試驗條件的可能性，本試驗模型箱梁采用1∶5的縮尺模型.模型箱梁長為4.92m，梁高0.61m，梁寬1.52m.混凝土強度等級采用C50，鋼筋采用HRB400級鋼筋，預應力鋼絞線采用1×7－15.2－1860.箱梁模型設計尺寸見圖1.

圖1 箱梁模型設計尺寸圖（單位：mm）

2 試驗加載程序與試驗步驟

本次試驗目的是設計制作預應力簡支箱梁模型，對該根梁進行不同荷載級別的加載，不同的荷載級別對應的狀態為后續研究中需要的不同損傷程度的損傷狀態.根據該損傷梁的不同加載方式來模擬不同位置的損傷.靜載試驗主要測量項目為：全過程中的裂縫出現和開展情況，梁的撓度和支座轉角變化，混凝土、普通鋼筋的應變等.

該預應力混凝土簡支模型箱梁采用三分點方式，整個加載過程分為兩個不同的加載階段.第一加載階段采用較大的分配梁跨徑，跨徑為2.26 m；第二加載階段采用較小的分配梁跨徑，跨徑為0.75m.第一加載階段主要進行試件在小程度損傷情況下狀態的研究；第二加載階段旨在進行試件在徹底破壞前嚴重損傷情況下狀態的研究.試驗簡支模型箱梁及加載設備全貌見圖2.

圖2 簡支模型箱梁及加載設備全貌圖

簡支模型箱梁整個試驗過程包括11個工況，試驗每個工況均按照先進行靜力加載，后卸載，再進行振動試驗的順序進行.第一階段千斤頂荷載為350，700，800，1 000，1 300kN；第二階段千斤頂荷載為800，1 000，1 250kN.

3 試驗結果

3.1 試驗破壞現象

在混凝土橋梁診斷中遇到最多的損傷是裂縫，甚至在全預應力鋼筋混凝土橋梁結構中都經常會出現裂縫，降低結構的剛度，影響結構的正常使用.在第一加載階段，當荷載達到500kN時，跨中截面底板兩側開始出現裂縫，此時最大裂縫寬度為0.04mm.隨著荷載的增加裂縫繼續發展變寬，當荷載達到700kN時，支座附近腹板開始出現斜裂縫，最大裂縫寬度達0.08mm.在試件的純彎區段，裂縫分布均勻，在加載至1 000kN時，純彎區段內的平均裂縫間距為76mm，且在以后更大荷載作用下，其平均裂縫間距變化很小，加載至1 327kN時，簡支模型箱梁的最大裂縫寬度為0.34mm，但遠未達到破壞承載力標志之一的最大裂縫寬度規定的1.5mm限值，簡支模型箱梁的剛度有所減小，而卸載后由于預應力預加應力引起的反拱度使箱梁底板出現的大部分裂縫基本閉合，說明預應力鋼筋遠未達到極限荷載，施加的預應力對混凝土裂縫開展取到有效的抑制作用.

在第二加載階段，隨著荷載的增加，裂縫不斷變寬，當達到1 000kN時，裂縫寬度達到1mm.然后繼續加載，直到跨中頂板混凝土壓潰破壞.

3.2 荷載位移曲線

圖3為第一加載階段各級荷載下跨中截面的荷載－撓度曲線，從圖中可以看出每級重復荷載下的荷載－撓度曲線均為環形，加載和卸載路徑不重合，表明在每級重復荷載下截面都具有一定的能量耗散能力，這對結構受力是有益的.隨著荷載級別的增大，殘余位移也逐漸增大，表明內部材料進入塑性狀態，發生了不可恢復的變形.荷載位移滯回曲線的包絡線明顯分為2個直線段：簡支模型箱梁底板受拉區混凝土開裂前，荷載與撓度呈線性關系，結構基本處于線彈性工作狀態，剛度基本維持不變，此階段稱為線彈性階段（I階段）；簡支模型箱梁底板受拉區混凝土開裂后遠未到極限荷載前，隨著外荷載的增加，變形增快，結構的剛度有所降低，但模型箱梁底板部分普通受拉鋼筋屈服而預應力鋼筋遠未屈服，撓度與荷載仍基本呈線性關系，跨中測點的撓度隨荷載的卸除逐漸減小，最后的殘余位移達到最大加載的20%，箱梁剛度較開裂前有所降低，此階段稱為彈塑性階段（II階段）.總體來看整個荷載位移滯回曲線的包絡線的拐點對應開裂狀態，表明開裂后，結構整體剛度有一定程度的降低.

圖3 荷載－撓度曲線（第一加載階段）

圖4 為簡支模型箱梁在第二荷載階段各工況跨中截面的荷載－撓度曲線.從圖中可以看出，隨著荷載的增加，滯回環包圍的面積增加明顯，說明結構內部損傷程度較大，殘余位移也增大明顯.當達到90mm時，試件上翼緣混凝土壓潰后，試件徹底喪失承載能力.從荷載位移滯回曲線的整個骨架曲線來看，結構受力明顯分為3個階段：雖然在第一加載階段，試件已經開裂，但是試驗結束后，裂縫在預應力筋作用下還能閉合.第I階段裂縫開裂的程度繼續增大，到普通鋼筋屈服時，結構剛度基本維持不變，第一個拐點對應鋼筋屈服階段；第II階段簡支模型箱梁跨中截面底板普通受拉鋼筋屈服后，隨著外荷載的增加，結構變形明顯增快，結構的剛度大為降低，但簡支模型箱梁底板受拉預應力鋼筋屈服前，撓度與荷載仍基本呈線性關系，剛度基本維持在同一水平，對應的第二個拐點稱為預應力筋屈服；第III階段底板受拉預應力鋼筋隨即屈服，隨著外荷載的增加，結構剛度基本接近為零，即圖中表現為近似水平段，此階段稱為破壞階段.

圖4 荷載－撓度曲線（第二加載階段）

3.3 混凝土和鋼筋應變

簡支模型箱梁跨中腹板處應變沿高度分布基本符合平截面假定.隨著荷載的增加，梁的中和軸位置不斷上移，受拉區和受壓區混凝土應變隨之加大，當加載至1 327kN時，箱梁頂板最大壓應變為510×10－6，對應的混凝土壓應力為17.6 MPa，該值小于C50混凝土抗壓強度設計值23.1 MPa，說明簡支模型箱梁在第一荷載階段頂板受壓區混凝土基本處于彈性工作階段.而底板受拉混凝土基本處于塑性階段退出工作.

從箱梁鋼筋應變片的測試結果可知，隨著跨中荷載的增加，截面中性軸高度不斷上升，開始上升速度較快，后面上升速度較慢，主要是混凝土受力和鋼筋受力慢慢達到平衡.但達到平衡狀態時，近視認為受壓區穩定，中性軸高度不變.各級荷載作用下，鋼筋的應變分布基本滿足平截面假定.

4 結 論

1）混凝土首先在跨中底板出現裂縫，然后慢慢向腹板擴展.純彎矩區，裂縫分布間距均勻.當開裂后荷載較小時，裂縫在預應力筋的作用下能夠閉合.箱梁的破壞現象是混凝土頂板的壓潰爆裂，極限位移為跨徑的1／55.

2）重復加載下的荷載位移曲線的包絡線有3個拐點，分別對應于混凝土開裂，鋼筋屈服，預應力筋屈服；而重復荷載下的彎矩轉角曲線在整個過程中有一個拐點，對應于預應力筋的屈服.每個拐點對應于整體剛度的降低，為了保證列車安全運營，保證使用情況下箱梁不開裂非常重要.

3）跨中截面鋼筋和混凝土應變沿腹板基本符合平截面假定，頂板和底板的混凝土應變的荷載較小時沿橫橋向均勻分布，隨著荷載在增大不均勻分布明顯.

［1］鄧運清.客運專線簡支箱梁綜述［J］.鐵道工程學報，2005（1）：65－71.

［2］孟 莎.客運專線常用跨度橋梁技術特點［J］.橋梁建設，2007（s1）：1－3.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB／T2092－2003預應力混凝土鐵路簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準［S］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［4］武鳳遠.高速鐵路、客運專線預應力混凝土簡支箱梁分析試驗研究［D］.上海：同濟大學，2009.

［5］侯建軍.時速250km城際鐵路跨度31.5m簡支箱梁試驗研究［J］.鐵道標準設計，2010（11）：47－50.

［6］李晗之.預應力混凝土橋簡支箱梁靜載彎曲抗裂試驗研究［J］.湖南交通科技，2010，36（1）：74－76.

［7］何 鑫.預應力混凝土箱梁受力性能的足尺模型試驗研究［D］.長沙：湖南大學，2010.

［8］祝明橋.混凝土薄壁箱梁受力性能的試驗研究與分析［D］.長沙：湖南大學，2004.