轨道交通预应力混凝土U形梁极限承载力试验研究

王炎，钱利芹，肖林

(1．浙江理工大学建筑工程学院，浙江杭州310018;2．金华市婺城区公路管理段，浙江金华321000; 3．西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

轨道交通预应力混凝土U形梁极限承载力试验研究

王炎1，钱利芹2，肖林3

(1．浙江理工大学建筑工程学院，浙江杭州310018;2．金华市婺城区公路管理段，浙江金华321000; 3．西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

为研究城市轨道交通预应力混凝土U形梁的力学性能，对一座跨度为30 m的预应力混凝土U形简支梁桥进行了静载破坏试验。试验中测试了主梁关键截面混凝土和钢筋的应变以及竖向位移与荷载之间的关系，详细分析了梁体破坏过程与破坏特征。研究得到了如下结论:主梁的消压弯矩为1.31倍设计荷载，在加载至2.0倍设计荷载时主梁开始进入塑性阶段，破坏荷载为2.7倍设计荷载;加载过程中底板出现较为明显的横向应变，表明底板具有典型的空间板受力效应;梁体破坏过程表现出明显的延性，表明结构设计合理，具有较强的安全储备。

城市轨道交通 预应力混凝土U形梁 极限承载力 破坏试验

近年来，随着城市轨道交通的快速发展，预应力混凝土U形梁的应用日趋广泛［1-3］。与传统箱形轨道梁相比，U形梁不仅具有降噪效果好、造形美观、断面利用率高、造价低廉等优点，同时，U形梁还可以减少桥梁的建筑高度，特别适合桥下净空受限制的城市轨道交通。U形梁采用主梁腹板作为受力构件，正弯矩作用下腹板下缘及道床板受拉而存在开裂的可能，因此需要合理地配置预应力束才能保证结构的安全性与耐久性［4］。U形梁的荷载主要通过底板传递至纵梁下部，纵梁下缘承受吊拉力作用，纵梁与底板连接处受力复杂。同时，由于U形梁是开口薄壁构件，因此其抗扭性能相对于箱形结构来说较差［5-6］。

要推广U形梁的应用，有必要先对其力学性能进行深入研究。本文针对重庆轻轨交通后张法预应力混凝土U形简支梁，通过实桥的破坏试验，对其静力行为、抗裂性、极限承载力等进行了研究，对评价结构承载力、耐久性具有重要意义。

1 试验概况

1.1 结构概况

某后张法预应力混凝土U形简支梁跨度为30 m，跨中梁高1.8 m，端部梁高1.94 m。混凝土行车道板设置在距离底板中心线两侧30 cm处，宽80 cm、高30 cm，轻轨轨道铺设于行车道板之上，U形梁构造如图1所示。梁体采用的混凝土强度等级为C55，底板混凝土掺聚丙烯纤维，主梁沿纵向布置10束预应力筋(两腹板各布置1束纵向预应力筋，底板布置8束纵向预应力筋)。单线预制U形梁自重1 780 kN。

图1 U形梁横断面(单位:mm)

1.2 加载方案

为研究预应力混凝土U形梁在荷载作用下应力、变形与裂缝的发展规律，本文对结构进行破坏试验。对于简支U形梁来说，主要承受弯矩，在使用过程中，跨中是受弯的最不利截面。因此首先按照规范计算U形梁在设计荷载作用下跨中的最大弯矩，然后以此为基准荷载分级施加，直至结构破坏。设计荷载如表1所示。试验加载布置如图2和图3所示。二期恒载(均布荷载)采用混凝土块施加，活载(集中荷载)采用钢锭模拟。

2 测点布置

2.1 应力测点布置

试验采用振弦式混凝土应变计测量U梁表面混凝土应力，采用埋入式振弦钢筋应变计测量钢筋应力。桥梁应力测试断面布置如图4(a)所示，分别在主梁支座处、1/2跨及距跨中30 cm 5个断面上布置应力测点，各测试断面应力测点布置如图4(b)和图4(c)所示，全桥共布置贯穿钢筋应力测点96个，混凝土应力测点170个。

2.2 位移测点布置

试验采用千分表进行位移测量。分别在主梁支座处、1/4跨及跨中5个断面上布置千分表，每个截面在上翼缘外侧水平对称布置2个千分表测量主梁的倾覆位移，在底板底部布置3个千分表测量主梁的竖向位移。全桥共布置位移测点25个。

表1 设计荷载及对应跨中弯矩

图2 模型加载纵断面示意(单位:cm)

图3 模型加载横断面示意

3 试验结果

3.1 梁体破坏形态

在试验加载过程中，当跨中最大弯矩达到16 722.3 kN·m时，底板下缘出现横向裂缝，此时对应的弯矩即为消压弯矩，相当于1.308倍的设计荷载;当加载至跨中最大弯矩约为18 944 kN·m时，横向裂缝主要在跨中4 m范围内出现，纵向裂缝主要在7.5～22.5 m范围内出现;当加载至跨中最大弯矩约为21 569 kN·m时，U肋侧面开始产生竖向裂缝，裂缝主要在跨中8 m范围内出现;当加载至跨中最大弯矩约为24 348 kN·m时，在支座附近首次出现斜向裂缝。

图4 主梁应变测点布置

在试验加载完成后，底板的裂缝主要出现在跨中18 m范围内，横向裂缝长度1.0～3.8 m，裂缝宽度0.2～0.5 mm，其中横向贯通裂缝26条;纵向裂缝长度2～10 m，宽度0.14～0.32 mm;U肋竖向裂缝主要出现在跨中18 m范围内，裂缝长度0.5～1.5 m，裂缝宽度0.12～0.32 mm;支座附近U肋斜向裂缝主要出现在离支座5 m范围内，裂缝长度0.2～1.5 m，裂缝宽度0.10～0.18 mm。

3.2 跨中截面混凝土纵向应变测试结果

试验过程中，当荷载加载至2.7倍的设计荷载时主梁失去承载能力，底板与U肋下方均出现开裂，混凝土表面应变测点失效，因此本文仅分析U肋上翼缘混凝土应变测点的测试结果。图5给出了跨中截面U肋上翼缘混凝土纵向荷载—应变曲线。从图中可以看出，在加载至2.7倍设计荷载时，U肋上翼缘混凝土均出现压应变，顶面混凝土纵向压应变为－1 581× 10－6，距上翼缘顶面10 cm处混凝土纵向压应变为－1 259×10－6。

3.3 跨中截面钢筋纵向应变测试结果

图6分别给出了跨中截面U肋上翼缘以及底板上下缘钢筋应变的测试结果。从图6可以看出，在荷载作用下，U肋上翼缘钢筋应变测点均出现压应变，底板上下缘钢筋应变测点均出现拉应变。在试验荷载加载至2.7倍设计荷载时，U肋上翼缘钢筋最大压应变为－1 355×10－6，底板上缘钢筋最大拉应变为3 142×10－6，底板下缘钢筋最大拉应变为4 058×10－6。同时从图6(b)和图6(c)中可以看出，在试验荷载加载至大约2.0倍设计荷载时，U梁底板普通钢筋开始屈服，结构进入塑性变形阶段，此时各测点的荷载—应变曲线呈非线性增长的趋势。

图5 混凝土表面应变测点荷载—应变曲线

图6 钢筋纵向应变测点荷载—应变曲线

图7 底板钢筋横向应变测点荷载—应变曲线

3.4 跨中截面钢筋横向应变测试结果

图7给出了试验荷载下，跨中截面底板钢筋横向应变测点的测试结果。从图7可以看出，在试验荷载作用下，底板上缘横向钢筋受压、下缘横向钢筋受拉;当试验荷载加载至2.7倍设计荷载时，上缘钢筋压应变最大值为－135×10－6，下缘钢筋拉应变最大值为896×10－6;最大横向应变距底板中心线越近，应变值越大。由此可见，荷载作用下，U形梁底板将在截面横向发生挠曲，导致底板下缘出现一定的横向拉应力，底板的空间板效应明显。

3.5 位移测试结果

在试验荷载作用下，主梁在同一断面各位移测点的竖向位移均比较接近;试验荷载加载至2.7倍设计荷载时，1/4跨最大竖向位移为102.16 mm，跨中最大竖向位移为149.93 mm，3/4跨最大竖向位移为100.00 mm。当试验荷载加载至大约2.0倍设计荷载时，位移测点的荷载—位移曲线呈非线性递增;在2.7倍设计荷载下持荷5 min，梁底竖向变形增量超过1 mm，可视为结构已经达到破坏。

4 结论

本文结合后张法预应力混凝土U形简支梁桥的破坏试验，对其静力行为、抗裂性、极限承载力等进行了研究，得到以下几点结论:

1)试验得到的消压弯矩为16 722 kN·m，相当约1.31倍设计荷载，试验梁破坏荷载为2.7倍设计荷载，表明结构具有较强的安全储备。

2)在加载到2.0倍设计荷载时，U形梁开始进入塑性阶段，应变、位移和荷载关系表现出一定的非线性。

3)加载过程中底板出现较为明显的横向应变，表明底板具有典型的空间板受力效应。

4)在破坏过程中，钢筋应变具有明显的屈服平台。

5)梁体最大挠度能达到150 mm，表明该U形梁具有良好的延性，设计合理。

［1］黎庆．南京地铁2号线东延高架线路U型梁结构计算及试验［J］．城市轨道交通研究，2009(8):8-12．

［2］欧阳辉来，王东民，刘兰．槽形梁设计、研究与体会［J］．桥梁建设，2006(增2):56-60．

［3］贺恩怀．槽形梁在城市轨道交通工程中的应用［J］．铁道工程学报，2003(2):13-16．

［4］张婷．城市轨道交通荷载作用下的U型梁疲劳损伤性能试验研究［D］．成都:西南交通大学，2011．

［5］胡匡璋，江新元，陆光闾．槽形梁［M］．北京:中国铁道出版社，1987．

［6］王彬力，蒲黔辉，白光亮．重庆轻轨30 m U型梁疲劳模型试验与计算分析［J］．铁道建筑，2011(7):25-28．

Experimental research on ultimate bearing capacity of prestressed concrete U-shaped girder used in urban transit system

WANG Yan1，QIAN Liqin2，XIAO Lin3
(1．College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou Zhejiang 310018，China; 2．Jinhua Municipality Administration Bureau of Highway，Jinhua Zhejiang 321000，China; 3．School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chendu Sichuan 610031，China)

In order to study the mechanical behavior of the prestressed concrete U-shaped girder in the urban rail transit，a span of30 meters of prestressed concrete U-shaped simply supported girder bridge was statically tested．T he strain in concrete and steel bars was measured at the key sections and the relationship between the vertical deflection and the load was studied．T he failure process and mode were analyzed．T he decompression moment of the main girder was 1.31 times its design moment．T he girder started its plastic stage when loaded to 2.0 times the design load．T he failure load was 2.7 times the design load．Distinct transverse strain occurred at the bottom flange during the loading process，indicating a typical behavior of a 3-dimentional plate．T he failure was ductile，suggesting a reasonable structural design and appropriate safety reserve．

Urban rail transit;Prestressed concrete U-shaped girder;Ultimate bearing Capacity;Destructive testing

U446.1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．06

1003-1995(2015)03-0020-04

(责任审编孟庆伶)

2014-04-21;

2014-11-20

王炎(1982—)，男，安徽萧县人，讲师，博士。