客运专线32 m预制简支箱梁静载试验研究

张洪雨，卢文良，贾 桐

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

预制整孔简支箱梁以抗扭刚度大、受力明确、建设速度快、质量有保证、建成后的桥梁维养工作量小以及低噪声等优势，在铁路客运专线中被广泛采用。箱梁质量直接影响整条线路的状态，为预防施工事故，保证桥梁建成后正常运行，应采取科学合理的措施对箱梁质量加以控制。对实桥进行动静载试验是检验桥梁性能的有效评定手段［1-3］，在众多控制箱梁质量的措施中，静载试验是检验箱梁性能的主要方法，通过静载试验可检验箱梁的刚度和抗裂性是否满足设计要求。制梁场在箱梁生产初期和生产过程中，应根据相关规范的要求对箱梁进行静载试验，以确保箱梁的质量安全可靠［4-5］。静载试验可采用自平衡或加载框架方式对梁进行加载，本文针对目前广泛采用的自平衡加载方式进行研究。

1 静载试验方案

试验梁为32 m预应力混凝土简支箱梁(通桥(2008)2322A-Ⅱ)，梁长32.6 m，支座中心距纵向(计算跨径)31.5 m、横向4.5 m，梁高3.05 m，顶板宽12 m，底板宽5.5 m，单片箱梁质量900 t。试验采用自平衡加载方式，加载过程中对箱梁分等级多点同步加载，测试箱梁在荷载作用下的挠度值，并观测梁体有无裂缝出现及裂缝的扩展情况，通过对试验数据分析处理，根据规范及设计要求判断梁体质量是否安全可靠。

1.1 试验测试设备

1)试验台座

静载试验台座由2片钢纵梁、2片上枕梁、2片下枕梁及4组拉杆组成。钢纵梁与上枕梁由多组耳板连接，上下枕梁由4组拉杆相连。每组拉杆由6根 φ32的精轧螺纹钢组成。试验梁置于上下枕梁之间，通过油泵和千斤顶对试验梁进行加载试验。试验台座应能确保试验梁跨度、支承方式和加载状态符合试验加载要求，且具有足够的强度、刚度和稳定性。现场试验台座如图1所示。

图1 试验台座

2)其他设备

除试验台座外，试验还需用千斤顶、油泵、标准油压表或压力传感器等加力设备和计量仪器。试验所用计量设备、仪器、仪表、钢卷尺等均需经法定计量检定部门检定合格，且在有效期内使用。

1.2 试验加载测试

根据规范，32 m箱梁采用五集中力四分点加载方式，跨中设一集中荷载，其余在其左右对称布置，各点纵向间距为4 m，如图2所示。加载分两个循环进行，以加载系数K表示加载等级，加载系数K是加载试验中梁体跨中承受的弯矩与设计弯矩之比，通过梁体所受弯矩反算得到加载荷载。试验准备工作结束后梁体承受的荷载状态为初始状态;基数级下梁体跨中承受的弯矩指梁体质量与二期恒载质量对跨中弯矩之和。

图2 加载图式(单位:m)

第一循环最大加载荷载为设计荷载，第一加载循环兼有试压作用，消除试验中加载设备、梁体及支座等相互之间潜在的不密实因素，第二加载循环在第一加载循环基础上进行，最大加载荷载为1.20倍设计荷载，是检验梁体抗裂性的主要过程。第一与第二加载循环都应严格按照规范及设计要求进行，其结果均为梁体质量判定的依据。以加载系数K表示加载等级的第一与第二加载循环程序见表1。

表1 加载程序

每级加载后均应仔细检查梁体下缘和梁底有无裂缝出现。如发现裂缝，应标注裂缝位置，量测裂缝宽度并注明荷载等级。每级加载后均应测量梁体跨中和各支座中心截面两侧竖向位移变化，以同一截面的两侧平均值作为相应截面的竖向位移量或支点沉降量。跨中截面竖向位移量减去支座沉降影响量即为该级荷载下的实测挠度值。

1.3 评定标准

1)梁体刚度

通过实测静活载挠度f实测大小判断梁体刚度是否合格，合格评定标准为

式中，L为箱梁的计算跨径，为31.5 m;ψ为等效荷载加载挠度修正系数，为0.998 7。

2)梁体抗裂性

在K为1.20加载等级下持荷20 min，梁体下翼缘侧、底面未发现受力裂缝或下翼缘侧面的受力裂缝未延伸至梁底边，则梁体抗裂性合格。

2 静载试验结果分析

本文收集了12片32 m预制简支箱梁静载试验的数据，同时针对各片梁的加载情况，用Midas软件进行了挠度计算。通过试验值与理论计算值对比分析，对试验梁的整体状况做出评价。

2.1 实测数据及分析

按照前述试验方法对12片梁进行静载试验，挠度实测值见表2，表中Ka代表基数级，Kb代表静活载级，静活载(即ZK活载)挠度值为静活载级挠度值减去基数级挠度值，挠度—荷载曲线如图3所示。对试验静活载挠度值进行统计分析，平均值为4.81 mm，挠跨比为1/6 549，标准差为0.369，变异系数为0.077。静活载跨中挠度设计值为5.98 mm，挠跨比为1/5 268。

表2 实测跨中挠度值 mm

由图3可以看出各片梁挠度值与荷载基本上均为线性关系，说明梁体发生的变形为弹性变形。不同梁在同一级荷载下挠度值变化幅度稍大，是由于本文12片32 m简支箱梁静载试验的数据取自不同的梁场，梁体在弹性模量、二期恒载和试验设备等方面有所不同。静活载挠度值相差不大，弹性模量差异是引起同一荷载下各梁挠度值不同的主要原因。试验结果均满足设计要求，梁场在生产技术和产品质量方面满足要求。试验梁第二加载循环，在Kb为1.20加载等级时对应图3第二循环中最后一点，此时持荷20 min，试验梁下翼缘底部边角及梁底面均未发现受力裂缝，表明梁体抗裂性满足规范及设计要求。由图3还可以看出，1.20倍设计荷载时梁体挠度值与荷载基本保持线性关系，说明梁体依旧处在弹性变形阶段，梁体质量安全可靠。

图3 试验梁跨中f—P关系曲线

2.2 理论计算

根据箱梁设计及试验参数建立Midas有限元计算模型，如图4所示，按照静载试验加载图式计算的箱梁挠曲示意图如图5所示。采用Midas对各试验梁进行计算，得到各片梁在各个加载级别下的挠度值，同时采用传统梁理论［6］计算梁体跨中挠度值，计算结果见表3。由表3可以看出，不同梁体在静活载下挠度值大体一致，按传统梁理论计算静活载跨中挠度值约为4.73 mm，挠跨比为1/6 660;有限元法计算静活载跨中挠度值约为4.97 mm，挠跨比为1/6 338。

图4 箱梁有限元模型

图5 箱梁加载后挠曲示意

表3 跨中挠度计算值 mm

3 结论

通过对静载试验结果的分析，可得以下结论:

1)梁体跨中挠度实测值与计算值接近，与设计值相比有一定安全储备，说明梁体刚度可靠，静载试验方案合理。

2)对于同一片梁，第一与第二加载循环在同一级荷载下，挠度值近似相等，说明梁体在试验荷载下发生的变形是弹性变形。

3)不同梁在同一级荷载下挠度数值变化幅度稍大是由于梁体在弹性模量、二期恒载和试验误差等多方面不同引起的。

4)试验梁第二循环加载至1.20倍设计荷载时，梁体挠度值与荷载保持线性关系，梁体下翼缘底部边角及梁底面均未发现受力裂缝，说明梁体依旧处在弹性变形阶段，梁体抗裂性满足规范及设计要求。

［1］宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］荆龙江，王志坚，马林，等.铁路32 m预应力混凝土简支梁静载弯曲抗裂试验［J］.铁道建筑，2010(5):1-3.

［3］王彬.城市立交桥匝道曲线梁静动载试验［J］.长安大学学报(自然科学版)，2004，24(5):48-50.

［4］中华人民共和国铁道部.铁科技［2004］120号 客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［5］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:中国铁道出版杜，2003.

［6］孙训方.材料力学［M］.北京:高等教育出版社，2002.