轨道交通U型梁承载能力静载试验及评定分析

刘 博

(中铁十四局集团第五工程有限公司,山东 兖州 272117)



轨道交通U型梁承载能力静载试验及评定分析

刘 博

(中铁十四局集团第五工程有限公司,山东 兖州 272117)

结合某城市轨道交通U型梁工程实例，开展了U型梁承载能力静载试验，实测了加载过程中U型梁挠度及应变数据，分析了其实际工作状态及在设计荷载作用下的承载能力，为同类桥梁静载试验提供了依据。

U型梁，承载能力，静载试验，挠度

预应力混凝土U型梁又称“槽型梁”，与传统箱梁及T型梁相比，该结构由纤维混凝土底板、腹板和翼缘板组成“U”字形薄壁结构形式，因此具有自重轻，建筑高度低、降噪效果好、行车安全等优点。近几年，被越来越广泛的应用于我国城市轨道交通建设。

虽然U型梁具有诸多优点，但由于其为薄壁开口构件，结构受力性能复杂，结构承载能力易受混凝土质量、预应力筋布置方式、结构尺寸等影响。为了保证桥梁结构的使用安全，通过试验方法研究U型梁实际承载能力也愈发重要。目前，国内外对于传统桥梁结构承载能力研究常采用静载试验方法，且试验方法已较为成熟。U型梁由于其结构及受力形式特殊，其静载试验荷载布置、加载方式等不能简单套用传统桥梁结构试验方式。

本文依托济南市轨道交通R1线预制U型梁工程，进行了U型梁承载能力静载试验，介绍了其静载试验方法，实测了加载过程中U型梁挠度及应变数据，分析了其实际工作状态及在设计荷载作用下的承载能力，为同类桥梁静载试验提供重要参考依据。

1 工程概况

济南市轨道交通R1线高架桥采用整孔预制后张法预应力混凝土U型简支梁，梁场进行成品梁预制。U梁分直线梁和曲线梁，本次试验为30 m跨径5.17 m等宽直线梁。跨中梁高1.8 m，支点梁高1.94 m。U梁梁体混凝土强度等级为C55，预应力束为1 860 MPa级φs15.2高强度低松弛钢绞线。U梁尺寸及钢束布置如图1所示。列车荷载设计标准：国标B型车，列车编组为6辆，车辆最大轴重140 kN，最小轴重78 kN。最大时速：100 km/h。挠度要求：挠度值f≤L/2 000。

2 静载试验内容

2.1 试验荷载确定原则

根据TB/T 2092—2003预应力混凝土铁路桥简支梁静载弯曲实验方法及评定标准，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。考虑到试验加载图式不能完全模拟设计荷载图式，加载原则为：试验加载时必须保证跨中最大弯矩与目标设计荷载下弯矩相符、支点最大剪力与设计列车荷载下剪力近似相等。同时，由《铁路桥梁检定规范》，剪力加载效率须不小于0.8。

2.2 测试控制断面

根据预制 U梁的结构分析计算结果(Midas Civil 有限元模型见图2)和相关规定，选取跨中断面进行静力加载测试，见图3。

2.3 测试内容及测点布置

预制U梁静载试验测试内容为：1)跨中断面相应最不利荷载作用下的挠度；2)各加载工况下，支点A，B 处的支座位移；3)跨中断面相应最不利荷载作用下混凝土应力。

跨中断面应力测点和跨中、支点挠度(位移)测点布置如图4，图5所示，挠度及应变测点现场图如图6所示。

2.4 加载布置方案

试验采用反力架，依据“跨中弯矩相等且支点剪力近似相等”原则(该原则可减少加载工作量，每一次加载同时满足“跨中最大弯矩与设计荷载弯矩相等、支点最大剪力与设计荷载剪力近似相等”条件)进行加载。拟采用5个加载点，中心间距5.5 m，试验U梁槽内布设横向分配梁和纵向分配梁，实现纵向和横向加载力的传递。1.0倍设计荷载在底板上加载，1.0倍～1.2倍的荷载在腹板上进行加载。U梁的加载纵向布置如图7所示，加载点横向布置如图8所示。现场加载如图9所示。

2.5 试验荷载工况及加载值

工况1：二期荷载加载。

工况2：正常使用阶段(弹性阶段)，在列车活载最不利加载情形下，满足跨中弯矩最大和支点剪力最大，K=1.0 倍主力内力值加载。

工况3：正常使用阶段(开裂阶段)，在列车活载最不利加载情形下，满足跨中弯矩最大和支点剪力最大，K=1.2 倍主力内力值加载。

依据设计荷载内力值，计算得出反力架加载值，见表1。

2.6 加载步骤

静载弯曲试验加载程序应分两个阶段进行，预加载(第一循环)和正式加载(第二循环)。

1)加载前，用40倍放大镜在梁体两侧跨中区段下翼缘及梁底面仔细查找裂纹。对初始裂纹(表面收缩裂纹及表面损伤裂纹)及局部缺陷，按规定的方法用蓝色铅笔标记。

表1 加载荷载值汇总表

2)试验加载程序应分阶段进行，即预加载(第一循环，工况1)和正式加载(第二循环，工况2和工况3)。

3)第一循环预加载。

初始状态→0.60→0.80→1.00→0.60→初始状态

3 min3 min20 mim1 min10 min

4)第二循环正式加载。

初始状态→0.60→0.80→静活载→1.00→1.10→

3 min3 min3 mim3 min5 min

→1.20→1.10→1.00→静活载→0.6→初始状态

20 min1 min1 mim1 min1 min

各千斤顶宜同速、同步达到同一荷载值，加载速度不宜超过3 kN/s。

3 静载试验结果

1)挠度。在静载弯曲试验预加载(第一循环)时，当加载等级为1.0级时，梁体跨中挠度最大值为7.09 mm；在正式加载(第二循环)时，当加载到静活载级时，梁体跨中挠度最大值13.99 mm，当加载等级为1.2级时，梁体跨中挠度最大值为17.51 mm。

2)裂缝。第一循环加载结束时，梁体跨中底板及腹板下侧未出现明显受力裂纹；第二循环加载结束时，梁体跨中底板及腹板下侧未出现明显受力裂纹。

3)混凝土应力。在正式加载(第二循环)时，当加载到静活载级时，梁体跨中底面混凝土纵向拉应力变化最大为4.51 MPa，两侧拉应力变化最大为2.23 MPa，梁顶压应力变化最大为6.52 MPa；当加载等级为1.2级时，梁体跨中底面混凝土纵向拉应力变化最大为3.10 MPa，两侧拉应力变化最大为2.0 MPa，梁顶压应力变化最大为6.95 MPa。

4 结语

本文结合济南轨道交通R1线U型梁工程，开展了U型梁承载能力静载试验。试验结果表明：梁在最大控制荷载(K=1.2)作用下，持荷20 min，梁体下翼缘底部边角及梁底面未发现受力裂纹，且在静活载作用下的挠度为14.65-7.32=7.33 mm，满足7.33/29 900=1/4 079<1/2 000的设计要求，U型梁结构安全可靠。

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[7] TB/T 2092—2003，预应力混凝土铁路桥简支梁静载弯曲实验方法及评定标准[S].

Static load test and carrying capacity evaluation analysis of rail transit U-shaped girder

Liu Bo

(TheFifthProjectCo.,LtdofChinaRailway14thBureauGroup,Yanzhou272117,China)

In this paper, according to an urban rail transit U-shaped girder engineering, we conducted a static load test. The deflection and strain values of U-shaped girder, during loading process, were measured. The actual working status and capacity evaluation under design loading were analyzed. This test can be used as an important reference of static load test of the similar bridges.

U-shaped girder, carrying capacity, static load test, deflection

2016-11-21

刘 博(1986- )，男，工程师

1009-6825(2017)04-0190-03

U441.2

A