新型跨座式轻轨PC梁抗裂荷载静载试验分析

班新林，石　龙( ．中国铁道科学研究院，北京　0008; ．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　0008)



新型跨座式轻轨PC梁抗裂荷载静载试验分析

班新林1，石龙2
( 1．中国铁道科学研究院，北京100081; 2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

摘要:目前，我国城市轨道交通发展迅速，跨座式轻轨以其独特的优点在中运量轨道交通中显现一定竞争优势。某新型跨座式轻轨PC梁，位于半径1 000 m曲线上，跨径为29. 18 m。本文为了验证设计和检验质量，展开静载试验研究。试验采用分配梁进行4点同步加载至1. 2级抗裂荷载，测试梁体变形和混凝土应变。试验结果表明，该PC梁的刚度和抗裂安全性均满足规范规定和设计要求。

关键词:跨座式轻轨PC轨道梁抗裂荷载静载试验

我国跨座式单轨交通用作城市客运交通的首条线路，是2000年动工建设的重庆市轨道交通2号线(较新线)。线路由市中心解放碑地区的较场口出发，沿嘉陵江畔西行，再向南至重庆钢铁厂所在地新山村，全长18. 6 km，设有18座车站。随后修建的重庆轨道交通3号线也采用跨座式单轨系统。

跨座式单轨是一种优势独特的中运量( 1～3万人/h)的轨道交通系统，车辆采用橡胶轮胎跨行于梁轨合一的轨道梁上，转向架的两侧有导向轮和稳定轮，夹行于轨道梁两侧(图1)。轨道梁为预应力混凝土结构，梁轨合一，对列车起承载导向稳定作用。目前国内跨座式单轨PC梁的跨度一般为22和25 m。本文针对的某新型单轨PC梁为曲线梁，跨度为30 m，支座采用可承受拉力和压力的新型钢支座。为了验证设计和检验PC梁性能，展开静载试验研究。

图1重庆单轨2号线

1　试验梁设计

1. 1结构形式

试验梁墩距30 m，梁长29. 95 m，跨度29. 18 m。桥梁曲线半径R = 1 000 m。截面形式采用空心工字形，梁高1. 7 m，梁宽0. 8 m，两端及中间设横隔板，梁体混凝土强度等级C60，并要求混凝土弹性模量≥3. 75×104MPa。支座采用ZQ系列的DGZ铸钢支座。

预应力钢筋采用7ø5(公称直径15. 24 mm)预应力钢绞线，每束由4或5根钢绞线组成。采用内径ø50 mm波纹管形成管道。试验梁在终张拉49 d后进行静载试验，试验梁按实际曲线梁的墩梁布置方式放置在试验支墩上，梁面超高为3. 858%。

1. 2设计活载

采用实际运营车辆作为设计活载，活载图式见图2，满员时P = 100 kN，重心位置距走行面1. 3 m。

冲击系数i = 20 /( 50 + L)，L为跨度。

图2设计活载图式(单位: mm)

2　试验方案

依据设计要求，参照《跨座式单轨交通设计规范》( GB 50458—2008)和《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》( TB /T 2092—2003)相关要求制定试验方案。

2. 1加载图式

根据设计单位要求，试验梁静载试验采用4点加载。加载图式见图3，加载点间距考虑最不利车辆轴位布置。加载装置采用两个分载梁，一个千斤顶的加载力平均分配至两个加载点上，由分载梁中部的横向水平传力装置实现对试验梁横向水平加载。加载横断面如图4所示。

图3静载试验加载图式(单位: mm)

图4加载横断面示意

2. 2加载值及加载流程

试验过程中考虑最大活载弯矩(含冲击)以及二期恒载、加载分配梁的重量、未完成的预应力损失作用下的跨中弯矩，以各级加载荷载作用下的跨中弯矩与相应的设计荷载作用下的跨中弯矩相等为原则，确定静载试验每级荷载下每个加载点的加载力。

加载值作用下的跨中弯矩

各级荷载作用下的跨中弯矩

基数级跨中弯矩

静活载级跨中弯矩

式中:α为加载图式相应的跨中弯矩系数; Pk为加载图式中的加载值; K为加载级; Mz为自重荷载作用下跨中弯矩; Md为二期恒载作用下跨中弯矩; Mh为活载作用下跨中弯矩(含冲击) ;ΔMs为静载试验时未完成的预应力损失引起的跨中弯矩; Ms为加载设备引起的跨中弯矩; 1 + h为设计活载对应的冲击系数。

具体加载值见表1。抗裂荷载静载试验分两个循环加载，第一循环逐级加载至1. 0级，静停20 min，再逐级卸载至初始状态;第二循环逐级加载至1. 2级，静停20 min，再逐级卸载至初始状态，加载结束。

表1抗裂荷载静载试验加载值

2. 3测点布置

1)跨中及1 /4截面外贴钢弦应变计

在跨中截面和两个1 /4截面布置外贴钢弦应变计。每个加载截面布置14个测点，整孔梁共计42个测点。测点布置见图5。

2)跨中梁底外贴钢弦应变计

在梁底跨中4. 7 m范围内两外缘分别均匀布置17支共34支外贴钢弦应变计。

3)变形测点

考虑试验梁受到竖向弯矩、横向弯矩和扭矩的作用，在梁体侧面和底面布置位移计测试梁体空间位移变化。测点共计24个。测点布置见图6。

图5外贴钢弦应变计测点布置(单位: mm)

图6位移测点布置(单位: mm)

3　试验结果

3. 1挠度

第1循环加载至设计荷载，第2循环加载至抗裂荷载，后者的跨中挠度与加载值的关系见图7。各级荷载下梁底挠度变形见图8。

图7跨中挠度与加载值关系

图8各加载级下底板挠度变形

实测结果表明:加载过程中，挠度与加载值保持了较好的线性关系，线性相关系数＞0. 999，两个加载循环相同加载值作用下各挠度点挠度值相同，说明梁体处于弹性工作状态。实测挠度小于设计值，原因是混凝土实际弹性模量与设计值不同。两次加载实测跨中静活载挠度为19. 5 mm，挠跨比为1/1 496，相应的设计值为24. 0 mm和1/1 216，梁体刚度满足《跨座式单轨交通设计规范》( GB 50458—2008)中规定的静活载挠跨比不得大于1 /800的要求。根据实测挠度和理论计算挠度推算，箱梁静载试验时的混凝土弹性模量为4. 62 ×104MPa。

加载至1. 2级，曲线内外侧底板挠度非常接近，曲线内侧挠度值稍微大于外侧值，而理论计算曲线外侧挠度稍大于曲线内侧。原因是由于施工精度的影响，加载过程中活动支座向曲线内侧倾斜变形;实测侧面上缘位移是向曲线内侧，跨中最大值为－0. 4 mm，侧面下缘位移是向曲线外侧，跨中最大值为0. 4 mm。

3. 2混凝土应力

梁体跨中4. 7 m范围内，曲线内外侧的底板边缘各均匀布置17只外贴钢弦应变计。实测结果表明:跨中底板应变与加载值呈良好线性关系，线性相关系数均＞0. 999;加载至1. 2级，跨中梁体未发现裂缝，证明梁体处于弹性状态，试验梁抗裂性满足设计要求。

在1. 2倍设计荷载下，实测试验箱梁曲线内、外侧跨中4. 7 m区域内下缘混凝土的平均应力分别为18. 66 MPa(应变404×10－6)和17. 97 MPa(应变389 ×10－6)，两侧平均值为18. 32 MPa，实测应力与理论计算值18. 58 MPa非常一致。实测应力计算中混凝土弹性模量取推算值4. 62×104MPa。梁体跨中附近外侧应变与加载值的关系见图9。

3. 3中性轴

加载至1. 2级荷载过程中，跨中截面(图10)和L/4截面的腹板测点处混凝土应变与测点距离底缘的高度呈良好的线形关系，跨中截面和L/4截面中性轴高度实测平均值分别为806 cm和808 cm，考虑预应力筋的换算界面中性轴高度理论值为828 cm，实测值与理论值比较一致。

图9曲线外侧底板应变与加载值关系

图10跨中截面腹板应变与测点高度关系

4　结论

1)两次加载实测跨中静活载挠度为19. 5 mm，挠跨比为1 /1 496，相应的设计值为24. 0 mm和1 /1 216，梁体刚度满足规范规定和设计要求。根据实测挠度和理论计算挠度推算，箱梁静载试验时的混凝土弹性模量为4. 62×104MPa。

2)加载至1. 2级，试验梁跨中底板混凝土应变与加载值呈线性关系，没有开裂情况，梁体抗裂安全系数＞1. 2，满足规范要求。1. 2倍设计荷载下，实测试验箱梁跨中下缘混凝土的平均应力18. 32 MPa，与理论计算值18. 58 MPa非常接近。

3)加载至1. 2级荷载过程中，跨中截面和L/4截面的腹板测点处混凝土应变与测点距离底缘的高度呈良好的线形关系，跨中截面和L/4截面中性轴高度实测平均值分别为806 cm和808 cm，考虑预应力筋的换算界面中性轴高度理论值为828 cm，实测值与理论值比较一致。

综上所述，经试验验证，新型跨座式轻轨PC梁的刚度和抗裂安全性满足相关要求，为下一步研究及应用提供了依据。

参考文献

［1］中华人民共和国铁道部．TB 10002. 3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局．GB 50458—2008跨座式单轨交通设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2008．

［3］中华人民共和国铁道部．TB/T 2092—2003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［S］．北京:中国铁道出版社，2004．

［4］马继兵，蒲黔辉，夏招广．跨座式单轨交通PC轨道梁静载及疲劳试验研究［J］．铁道建筑，2008( 5) : 3-6．

［5］李秀敏，朱尔玉，刘磊．跨座式单轨交通25 m直线PC轨道梁静力抗弯试验［J］．铁道建筑，2008( 8) : 19-21．

［6］马继兵，蒲黔辉，夏招广．重庆跨座式单轨交通系统动载试验研究［J］．铁道工程学报，2007( 11) : 69-75．

(责任审编孟庆伶)

Anti-cracking load of new-type prestressed concrete track beam based on static loading test analysis used in straddle-type monorail transit system

BAN Xinlin1，SHI Long2
( 1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:Nowadays，straddle-type monorail is attractive due to its exceptional advantages in growing ubran rail transit with medium traffic．A new straddle-type monorail PC beam has a span length of 29．18 m，which locates on a curve with a radius of 1 000 m．T he four-point static loading test was conducted for design validation and quality inspection．T he track beam was loaded to 1．2 times design anti-cracking load，and the deformation and the concrete strain were measured．T he test result indicates that the stiffness and crack resistance of the PC beam meet the requirements of the specification and design．

Key words:Straddle-tpye monorail; Prestressed concrete track beam; Anti-cracking load; Static loading test

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0020-05

中图分类号:U446．1

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．04

作者简介:班新林( 1984—)，男，助理研究员，博士研究生。

收稿日期:2015-11-30;修回日期: 2015-12-10