重复荷载下高速铁路32m箱梁模型受力全过程试验

葛继平，王志强，张 旭，彭大文

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

0 引 言

高速铁路中的桥梁所占比例较大，有的高达80%～90%，其中，有很多都是标准跨度的简支梁桥。这些标准跨度的桥梁结构构件数量巨大，有利于工厂预制施工，可采用架桥机组织快速铺设，这对保证全线工期有着至关重要的作用。根据中国高速铁路建设规模、工期要求和技术特点，通过深入的研究，确定以32m简支箱梁作为标准跨度，整孔预制架设施工［1］。重复荷载下箱梁的全过程受力分析是一个非常复杂的问题。对于工程实践中的成批原型箱梁，可以按照《预应力混凝土铁路桥简支梁静载弯曲试验方法及评定标准》进行检查，验证箱梁是否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［2－3］，但是对极限状态下的箱梁行为缺乏研究。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，详细总结了中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32m后张法预应力混凝土简支箱梁进行静载试验，判断箱梁的工程质量是否符合规范设计要求；方志等［7］利用足尺箱梁模型研究了预应力损失问题；其他学者也进行了一些相关研究［8－13］。这些研究对使用状态下箱梁各个方面的行为做了全面的总结，为本文的研究打下坚实的基础。

作为“基于动测法的高速铁路桥梁损伤识别研究”的一部分，本文中主要对32m跨度单线简支箱梁模型进行重复荷载试验研究，其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、裂缝宽度及裂缝分布和跨中截面剪力滞效应与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研究提供基准数据。

1 箱梁设计

1.1 原型箱梁的选择

选取合蚌客运专线32m预应力混凝土简支箱梁为研究对象，适用范围是客运列车最高行车速度250～350km·h－1，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。原型箱梁长32.6m，计算跨度31.5 m，梁高3.05m，截面如图1所示。箱梁结构重心位于跨中截面梁体中心线，距跨中、梁底均为1.78m。支座自重反力为2 584kN，静活载最大反力为1 436kN，竖向自振频率为6.74Hz。

图1 箱梁跨中截面（单位：mm）Fig.1 Mid－span Cross Section of Box Girder（Unit：mm）

1.2 箱梁模型概况

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，本试验箱梁模型采用1∶5的比例缩尺模型，其物理量相似关系见表1。箱梁模型长6.52m，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。箱梁模型设计尺寸如图2所示，其中P为荷载。

2 试验加载

本试验目的是设计制作预应力简支箱梁模型，对该梁进行不同荷载等级的加载，不同荷载等级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。静载试验主要测试加载全过程中的裂缝出现和开展情况、梁的跨中荷载、梁各点处的挠度、混凝土应变和普通钢筋应变等。

表1 物理量相似关系Tab.1 Physical Quantity Similar Relations

图2 箱梁模型设计尺寸（单位：mm）ig.2Design Dimensions of Box Girder Model（Unit：mm）

开始加载时，预应力混凝土简支箱梁模型静载加载采用三分点二级分配梁对称集中力加载。试验简支箱梁模型加载受力及加载装置如图3所示。

简支箱梁模型整个试验过程包括10个工况，每个工况均按照先静力加载，后卸载，再振动的顺序进行。简支箱梁模型破坏性试验研究加载程序严格按照《混凝土结构试验方法标准》（GB／T 50152—2012）执行，在正式试验前实行预加载，使试件进入正常工作状态，并检查加载设备和仪表工作是否正常；在正式试验时将简支箱梁模型极限荷载作为试验极限荷载，静力加载的增量为25kN，每级持荷2～5min后进行裂缝观测并绘制裂缝，当接近开裂荷载和极限荷载时，减小荷载增量，以便准确地测得简支箱梁模型的开裂荷载和极限承载力。由于试验后期在荷载增加不多的情况下试件变形会急剧加大，因此加载改用跨中截面位移控制为主，缓慢加载直至试件最终破坏。当加载按照力控制时，加载的荷载等级最大值依次为100，250，400，500，700，900，1 100，1 200kN；当加载按照跨中最大位移控制时，重复加载的位移等级最大值（不计残余位移）依次为95，120mm。每级荷载达到最大值后卸载，再进行下一等级的加载。

图3 简支箱梁模型加载受力及加载装置（单位：mm）Fig.3 Loading Force of Simply Supported Box Girder Model and Loading Equipment（Unit：mm）

3 试验结果分析

3.1 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。与普通混凝土梁桥相比，预应力钢筋混凝土箱梁桥的裂缝问题更为复杂，其裂缝形式主要包括跨中附近的横向裂缝、支座附近腹板的斜裂缝以及顶板和底板的纵向裂缝等。各级荷载作用下实测的裂缝分布及裂缝宽度，经统计得到简支箱梁模型在不同加载等级下的平均裂缝间距和最大裂缝宽度，见表2。

从表2和图4可以看出，在三分点对称集中荷载P＝400kN作用下跨中截面底板两边开始出现裂缝，此时最大裂缝宽度为0.02mm。随着荷载的增加，裂缝继续发展变宽，当P＝700kN时，支座附近腹板开始出现斜裂缝，最大裂缝宽度达0.2mm。卸载后，由于预应力效应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起到了有效的抑制作用。在箱梁的纯弯区段，裂缝分布均匀，当加载至900kN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。重复加载的位移达到120mm时，简支箱梁模型的最大裂缝宽度为1.8mm，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。此后，结构的裂缝、跨中挠度随着加载急剧发展，说明简支箱梁模型进入破坏阶段，加载停止。

表2 不同加载等级下的平均裂缝间距和最大裂缝宽度Tab.2 Average Distances and Maximum Widths of Crack Under Different Loading Cases

图4 简支模箱型梁破坏形式Fig.4 Failure Modes of Simply Supported Box Girder Model

3.2 荷载－跨中挠度曲线

图5为简支箱梁模型在跨中荷载作用下，各工况跨中截面的荷载－跨中挠度曲线。从图5可以看出，随着荷载的增加，滞回环包围的面积明显增加，说明结构内部损伤程度较大，残余位移也明显增大。当总跨中挠度达到210mm时，弯曲挠度达到跨度的1／30，大于1／50，说明箱梁已经彻底丧失承载能力。从图5还可以看出：整个骨架曲线明显分为3个阶段，简支箱梁模型底板受拉区混凝土开裂前，荷载与跨中挠度呈线性关系，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（第Ⅰ阶段）；简支箱梁模型底板受拉区混凝土开裂后远未到极限荷载前，随着荷载的增加，结构变形增快，箱梁刚度较开裂前有所降低，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，拐点对应钢筋屈服阶段（第Ⅱ阶段）；简支箱梁模型跨中截面底板普通受拉钢筋屈服后，随着荷载的增加，结构变形明显增快，结构的刚度大为降低，但简支箱梁模型底板受拉预应力钢筋屈服前，跨中挠度与荷载仍基本呈线性关系，刚度基本维持在同一水平，近似呈水平段，对应的拐点称为结构破坏，近似认为是预应力筋屈服（第Ⅲ阶段）。

图5 荷载－跨中挠度曲线Fig.5 Load－mid－span Deflection Curves

图6为简支箱梁模型各工况的竖向挠度分布曲线。从图6可以看出：在对称荷载作用下箱梁挠度基本对称，随着荷载的增加，挠度缓慢增加，两端支座转角也不断增大。综合来看，箱梁模型整体变形能力较好，变形纵向左右对称。

图6 简支箱梁模型竖向挠度分布曲线Fig.6 Vertical Deflection Distribution Curves of Simply Supported Box Girder Model

图7为简支箱梁模型在三分点对称荷载作用下跨中挠度沿横向分布曲线。从图7可以看出，在不同荷载作用下截面跨中挠度横向分布基本呈一水平线，说明简支箱梁模型在不同荷载作用下跨中截面各处的挠度大致均匀，基本不存在扭转变形。

图7 跨中挠度沿横向分布曲线Fig.7 Mid－span Deflection Distribution Curves Along Transverse

3.3 混凝土应变

图8为箱梁跨中截面混凝土应变分布曲线。图8（a）为典型荷载工况加载过程中箱梁跨中截面腹板处应变沿高度的分布。从图8（a）可以看出，简支箱梁模型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，箱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增大，当加载至95mm时，箱梁顶板最大压应变为1.21×10－3，对应的弹性混凝土压应力为41.7MPa，该值小于C50混凝土轴心抗压强度试验值45.6MPa，说明简支箱梁模型顶板受压区混凝土接近压溃。图8（b）为典型荷载工况加载过程中箱梁跨中截面顶板处应变分布。从图8（b）可以看出，在整个加载阶段，沿截面横向的腹板两侧受力较小，腹板处混凝土应变稍大，呈现箱梁剪力滞的分布规律。

图8 跨中截面混凝土应变分布曲线Fig.8 Strain Distribution Curves of Concrete in Mid－span Section

3.4 钢筋应变

图9为各级荷载作用下，箱梁钢筋腹板沿跨中截面高度方向、顶板和底板沿跨中截面横向的应变分布曲线。从图9（a）可以看出：随着荷载的增加，截面中性轴高度不断上升，开始上升的速度较快，后面上升的速度较慢，主要是混凝土和钢筋受力缓慢达到平衡；但达到平衡状态时，近似认为受压区稳定，中性轴高度不变；各级荷载作用下，钢筋的应变分布基本上满足平截面假定。从图9（b），（c）可以看出：在加载初期，沿截面横向的各钢筋均匀受力，随着荷载的增加，各钢筋受力不均匀，部分呈现箱梁剪力滞的分布规律。

图9 跨中截面钢筋应变分布曲线Fig.9 Strain Distribution Curves of Steel Bars in Mid－span Section

4 结语

（1）混凝土首先在跨中底板出现裂缝，然后缓慢向腹板扩展。纯弯区，裂缝间距分布均匀。当开裂后荷载较小时，裂缝在预应力筋的作用下能够闭合。箱梁的破坏现象是弯曲挠度超过跨度的1／50，受拉主筋处最大裂缝宽度达到1.8mm。

（2）重复加载下的荷载－跨中挠度曲线的包络线有3个拐点，分别对应于混凝土开裂、钢筋屈服、预应力筋屈服。各拐点对应于结构整体刚度降低的关键点，为了保证列车安全运营，保证使用过程中箱梁不开裂非常重要。

（3）跨中截面钢筋应变和混凝土应变沿腹板基本符合平截面假定，当顶板和底板的混凝土荷载较小时，应变沿横向均匀分布，随着荷载的增大，应变不均匀分布明显，呈现剪力滞的分布规律。

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