重复荷载下高铁24m箱梁模型试验研究＊

2013-08-18葛继平王志强彭大文

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2013年4期

葛继平王志强彭大文严平

（上海应用技术学院城市建设与安全工程学院1）上海 200235）（同济大桥桥梁工程系2）上海 200092）（上海理工大学环境与建筑学院3）上海 200093）

0 引言

目前，我国高速铁路设计车速为350km／h，速度目标值较高，对线路轨道平顺性，线下基础设施要求更加严格.高速铁路、客运专线行车要求其下部结构物具有较大的抗弯和抗扭刚度.先、后张预应力混凝土简支箱梁具有受力简单、明确、形式简洁、外形美观、抗扭刚度大，建成后的桥梁养护工作量小以及噪声小等优点，得到了广泛应用.我国秦沈客运专线和京沪高速铁路中的主力梁型为单双线后张法预应力混凝土简支箱梁，其常用跨度为20，24和32m［1－2］.重复荷载下箱梁的全过程受力分析是一个非常复杂的一个问题.对于工程实践中的成批原型箱梁，可以按照“预应力混凝土铁路简支梁静载弯曲试验方法及评定标准”（2003）进行检查，验证了箱梁能够满足现行铁路设计规范对结构变形和静力使用性能的要求［3］.武凤远［4］对高速铁路、客运专线中应用广泛的预应力混凝土简支箱梁进行了从设计、施工、科研试验多角度的分析，详细总结了我国高速铁路大规模采用的预应力混凝土简支箱梁设计施工中的成熟经验.侯建军［5］对时速250km城际铁路单箱单室整孔箱梁开展了箱梁跨中弯曲静载试验和梁端受力性能试验研究.李晗之［6］对施工完毕的32 m后张法预应力混凝土简支梁进行静载试验，判断箱梁的工程质量是否符合设计文件要求.何鑫［7］利用足尺箱梁模型研究了预应力损失问题.这些研究对使用状态下箱梁的各个方面的行为作了全面的总结，为本文的研究打下坚实的基础.

本文主要是对24m跨径单线简支模型箱梁进行重复荷载试验研究［8］.研究目的是全面探究预应力简支箱梁在加载全过程中的受力性能，包括正常使用极限状态下的挠度、裂缝宽度及其分布和跨中截面剪力滞效应，承载力极限状态下的破坏模式、挠度和跨中截面剪力滞效应，为后续的结构损伤识别的研究提供基准数据.

1 模型试验箱梁设计

选取合蚌客运专线24m预应力混凝土简支梁为研究对象，适用范围是旅客列车最高行车速度250～350km／h，适用于场地集中预制、架桥机架设.梁体采用高性能混凝土，强度等级为C50.截面类型为单箱单室箱梁，梁端顶板、底板及腹板局部向内侧加厚.梁长分别为24.6m，计算跨度23.5m，梁高3.05m.箱梁结构重心位于跨中截面梁体中心线，距跨中梁底都为1.78m.支座自重反力2 070kN，静活载最大反力1 170kN.竖向自振频率为12.22Hz.根据相似理论的3个相似定理、试验精度要求以及试验条件的可能性，本试验模型箱梁采用1∶5的缩尺模型.模型箱梁长为4.92m，梁高0.61m，梁宽1.52m.混凝土强度等级采用C50，钢筋采用HRB400级钢筋，预应力钢绞线采用1×7－15.2－1860.箱梁模型设计尺寸见图1.

图1 箱梁模型设计尺寸图（单位：mm）

2 试验加载程序与试验步骤

本次试验目的是设计制作预应力简支箱梁模型，对该根梁进行不同荷载级别的加载，不同的荷载级别对应的状态为后续研究中需要的不同损伤程度的损伤状态.根据该损伤梁的不同加载方式来模拟不同位置的损伤.静载试验主要测量项目为：全过程中的裂缝出现和开展情况，梁的挠度和支座转角变化，混凝土、普通钢筋的应变等.

该预应力混凝土简支模型箱梁采用三分点方式，整个加载过程分为两个不同的加载阶段.第一加载阶段采用较大的分配梁跨径，跨径为2.26 m；第二加载阶段采用较小的分配梁跨径，跨径为0.75m.第一加载阶段主要进行试件在小程度损伤情况下状态的研究；第二加载阶段旨在进行试件在彻底破坏前严重损伤情况下状态的研究.试验简支模型箱梁及加载设备全貌见图2.

图2 简支模型箱梁及加载设备全貌图

简支模型箱梁整个试验过程包括11个工况，试验每个工况均按照先进行静力加载，后卸载，再进行振动试验的顺序进行.第一阶段千斤顶荷载为350，700，800，1 000，1 300kN；第二阶段千斤顶荷载为800，1 000，1 250kN.

3 试验结果

3.1 试验破坏现象

在混凝土桥梁诊断中遇到最多的损伤是裂缝，甚至在全预应力钢筋混凝土桥梁结构中都经常会出现裂缝，降低结构的刚度，影响结构的正常使用.在第一加载阶段，当荷载达到500kN时，跨中截面底板两侧开始出现裂缝，此时最大裂缝宽度为0.04mm.随着荷载的增加裂缝继续发展变宽，当荷载达到700kN时，支座附近腹板开始出现斜裂缝，最大裂缝宽度达0.08mm.在试件的纯弯区段，裂缝分布均匀，在加载至1 000kN时，纯弯区段内的平均裂缝间距为76mm，且在以后更大荷载作用下，其平均裂缝间距变化很小，加载至1 327kN时，简支模型箱梁的最大裂缝宽度为0.34mm，但远未达到破坏承载力标志之一的最大裂缝宽度规定的1.5mm限值，简支模型箱梁的刚度有所减小，而卸载后由于预应力预加应力引起的反拱度使箱梁底板出现的大部分裂缝基本闭合，说明预应力钢筋远未达到极限荷载，施加的预应力对混凝土裂缝开展取到有效的抑制作用.

在第二加载阶段，随着荷载的增加，裂缝不断变宽，当达到1 000kN时，裂缝宽度达到1mm.然后继续加载，直到跨中顶板混凝土压溃破坏.

3.2 荷载位移曲线

图3为第一加载阶段各级荷载下跨中截面的荷载－挠度曲线，从图中可以看出每级重复荷载下的荷载－挠度曲线均为环形，加载和卸载路径不重合，表明在每级重复荷载下截面都具有一定的能量耗散能力，这对结构受力是有益的.随着荷载级别的增大，残余位移也逐渐增大，表明内部材料进入塑性状态，发生了不可恢复的变形.荷载位移滞回曲线的包络线明显分为2个直线段：简支模型箱梁底板受拉区混凝土开裂前，荷载与挠度呈线性关系，结构基本处于线弹性工作状态，刚度基本维持不变，此阶段称为线弹性阶段（I阶段）；简支模型箱梁底板受拉区混凝土开裂后远未到极限荷载前，随着外荷载的增加，变形增快，结构的刚度有所降低，但模型箱梁底板部分普通受拉钢筋屈服而预应力钢筋远未屈服，挠度与荷载仍基本呈线性关系，跨中测点的挠度随荷载的卸除逐渐减小，最后的残余位移达到最大加载的20%，箱梁刚度较开裂前有所降低，此阶段称为弹塑性阶段（II阶段）.总体来看整个荷载位移滞回曲线的包络线的拐点对应开裂状态，表明开裂后，结构整体刚度有一定程度的降低.

图3 荷载－挠度曲线（第一加载阶段）

图4 为简支模型箱梁在第二荷载阶段各工况跨中截面的荷载－挠度曲线.从图中可以看出，随着荷载的增加，滞回环包围的面积增加明显，说明结构内部损伤程度较大，残余位移也增大明显.当达到90mm时，试件上翼缘混凝土压溃后，试件彻底丧失承载能力.从荷载位移滞回曲线的整个骨架曲线来看，结构受力明显分为3个阶段：虽然在第一加载阶段，试件已经开裂，但是试验结束后，裂缝在预应力筋作用下还能闭合.第I阶段裂缝开裂的程度继续增大，到普通钢筋屈服时，结构刚度基本维持不变，第一个拐点对应钢筋屈服阶段；第II阶段简支模型箱梁跨中截面底板普通受拉钢筋屈服后，随着外荷载的增加，结构变形明显增快，结构的刚度大为降低，但简支模型箱梁底板受拉预应力钢筋屈服前，挠度与荷载仍基本呈线性关系，刚度基本维持在同一水平，对应的第二个拐点称为预应力筋屈服；第III阶段底板受拉预应力钢筋随即屈服，随着外荷载的增加，结构刚度基本接近为零，即图中表现为近似水平段，此阶段称为破坏阶段.

图4 荷载－挠度曲线（第二加载阶段）

3.3 混凝土和钢筋应变

简支模型箱梁跨中腹板处应变沿高度分布基本符合平截面假定.随着荷载的增加，梁的中和轴位置不断上移，受拉区和受压区混凝土应变随之加大，当加载至1 327kN时，箱梁顶板最大压应变为510×10－6，对应的混凝土压应力为17.6 MPa，该值小于C50混凝土抗压强度设计值23.1 MPa，说明简支模型箱梁在第一荷载阶段顶板受压区混凝土基本处于弹性工作阶段.而底板受拉混凝土基本处于塑性阶段退出工作.

从箱梁钢筋应变片的测试结果可知，随着跨中荷载的增加，截面中性轴高度不断上升，开始上升速度较快，后面上升速度较慢，主要是混凝土受力和钢筋受力慢慢达到平衡.但达到平衡状态时，近视认为受压区稳定，中性轴高度不变.各级荷载作用下，钢筋的应变分布基本满足平截面假定.