陳勝利 蘇永華 石龍 班新林

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

截至2018年底，我國高速鐵路運營里程已超過2.9萬km，占世界高速鐵路運營里程65%以上。為保證列車運行的安全與舒適、節(jié)約土地和保護線路周邊環(huán)境，在跨越河谷及平原高架區(qū)段，高速鐵路主要以橋梁跨越的形式通過，常采用預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁［1-2］。隨著我國高速鐵路建設(shè)的持續(xù)推進，西部山區(qū)和東部沿海地區(qū)的高速鐵路建設(shè)逐年增多，跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁所占比例較大，墩臺基礎(chǔ)造價較高。而我國既有預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁常用跨度為24 m和32 m［3-5］，當(dāng)橋梁跨度大于32 m時，多采用現(xiàn)澆橋梁（包括簡支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)等），導(dǎo)致其經(jīng)濟性下降，且質(zhì)量控制難度加大。40 m跨度的預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁已于2018年完成設(shè)計［6-7］，并在鄭濟高速鐵路鄭州至濮陽段黃河特大橋北岸引橋進行試用，可節(jié)約大量工程投資。針對40 m簡支箱梁的預(yù)制工藝與結(jié)構(gòu)性能是否滿足規(guī)范要求［8-9］，本文以3孔工程梁為研究對象進行試驗驗證。

1 箱梁設(shè)計

綜合考慮車橋動力響應(yīng)、運輸架設(shè)條件、梁體受力特點、構(gòu)造布置要求等因素后，大跨度預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁的梁長取40.6 m，計算跨度取39.3 m；截面采用單箱單室形式（圖1），軌下截面高度為3.235 m，頂板寬12.6 m，底板寬5.4 m，橫橋向支座中心距為4.4 m；箱梁跨中截面頂板厚285 mm、腹板厚360 mm、底板厚280 mm；梁端截面頂板厚685 mm、腹板厚950 mm、底板厚700 mm，梁端頂板、底板及腹板局部向內(nèi)側(cè)加厚。箱梁混凝土等級為C50，預(yù)應(yīng)力采用1×7-15.2-1860-GB/T 5224—2014型鋼絞線，共布置 19束，箱梁底板共 11束（N1a，2N1b，2N2a～2N2d）；腹板共8束（2N3～2N6）。

圖1 40 m跨簡支箱梁截面（單位：mm）

2 試驗方案

以鄭濟高速鐵路原陽制梁場前3孔工程梁作為試驗對象進行了預(yù)制工藝試驗和靜載彎曲試驗。為掌握混凝土水化熱溫度發(fā)展曲線，確定箱梁拆模條件，對1#試驗梁進行了水化熱測試；為掌握大噸位預(yù)應(yīng)力束的摩阻特征，對1#—3#試驗梁預(yù)應(yīng)力管道摩阻以及大噸位錨具錨口與喇叭口摩阻損失進行測試；為驗證預(yù)應(yīng)力張拉效果，在1#—3#試驗梁終張拉過程中測試混凝土應(yīng)變，同時測試張拉彈性上拱值和箱梁壓縮量。

2.1 混凝土水化熱測試

箱梁頂板、腹板、底板相交位置處混凝土較厚，因此測點布置選取了跨中和梁端截面的頂板與腹板相交位置、腹板與底板相交位置以及截面倒角處，測試混凝土芯部水化熱溫度及溫度梯度。通過在梁端內(nèi)埋溫度傳感器（圖2），對1#試驗梁混凝土水化熱溫度進行了測試，同時對養(yǎng)護期間箱梁內(nèi)外環(huán)境溫度進行了監(jiān)測。

圖2 梁端水化熱溫度測點及終張拉應(yīng)變測點布置

2.2 摩阻測試

在預(yù)制試件和箱梁上利用2臺穿心式壓力傳感器測定錨口+喇叭口摩阻、錨具回縮量、管道摩阻等預(yù)應(yīng)力損失。錨口及喇叭口摩阻試驗在梁場預(yù)制的4.0 m長混凝土試件上進行，13，14，22孔錨具各測試3次。選擇1#—3#梁預(yù)張拉、初張拉后剩余的管道進行摩阻損失測試。每個管道張拉2次，將第1次作為標(biāo)準(zhǔn)，第2次作為復(fù)核，以使試驗統(tǒng)計結(jié)果符合實際請況。

2.3 預(yù)應(yīng)力終張拉效果測試

由于試驗箱梁的預(yù)張拉和初張拉在制梁臺座上進行，梁體支承狀態(tài)尚不明確，因此梁體預(yù)應(yīng)力效果測試在終張拉階段進行。終張拉過程中每張拉一束鋼束前后測試箱梁混凝土應(yīng)變及跨中變形。預(yù)張拉和初張拉預(yù)應(yīng)力束的測試流程為：張拉前讀數(shù)→將張拉力補張至初張拉錨外張拉力并靜停→測試讀數(shù)→張拉至終張拉錨外張拉力并錨固→測試讀數(shù)。讀數(shù)內(nèi)容包括內(nèi)埋振弦應(yīng)變傳感器、外貼振弦應(yīng)變傳感器和百分表的讀數(shù)。

選擇跨中和一端1/4截面布置內(nèi)埋和外貼振弦應(yīng)變計，每個截面布置12個內(nèi)埋測點和16個外貼測點。在跨中截面和兩端支座中心線截面左右兩側(cè)各布置1個百分表，共6個位移測點。在梁端布置外貼應(yīng)變測點對梁端局部混凝土應(yīng)力進行測試（參見圖2）。

2.4 靜載彎曲試驗

靜載彎曲試驗及偏載試驗采用縱向7排加載方式加載，每排間距4 m，每排橫向采用2點加載，加載點作用于箱梁腹板中心處頂板，箱梁靜載彎曲試驗加載值見表1。靜載彎曲試驗分2個加載循環(huán)，第1加載循環(huán)的最大試驗荷載加至使用狀態(tài)設(shè)計值，即K=1.0級；第2加載循環(huán)的最大試驗荷載加至抗裂檢驗荷載，即K=1.2級。

表1 靜載彎曲試驗加載值 kN

靜載彎曲試驗中，在1#—3#試驗箱梁跨中截面左、右側(cè)腹板底緣4.0 m范圍內(nèi)各布置了42個縱向抗裂應(yīng)變測點，在跨中底板布置了3個縱向抗裂應(yīng)變測點，以檢驗梁體的縱向抗裂性，測點布置見圖3。在跨中和1/4截面左、右腹板外側(cè)沿截面高度各布置了6個應(yīng)變測點，以測試跨中及1/4截面的中性軸高度。

圖3 跨中底緣外貼應(yīng)變測點布置（單位：mm）

3 試驗結(jié)果

3.1 混凝土水化熱

1#試驗梁于2018年5月18日澆筑，于5月20日預(yù)張拉，5月22日初張拉，隨即移至存梁臺座。由于梁端混凝土截面尺寸較跨中更大，因此梁端水化熱效果更為顯著。圖4給出了水化熱溫度最大值所在測點的實測數(shù)值、有限元計算值及混凝土養(yǎng)護期間的箱內(nèi)和箱外環(huán)境溫度實測值?？芍渫猸h(huán)境溫度最高為28.4℃、最低為15.5℃，箱內(nèi)環(huán)境溫度變化趨勢與混凝土水化熱進展有對應(yīng)關(guān)系，最高達44.8℃。梁端截面混凝土入模溫度在22～25℃，混凝土澆筑完成后20～28 h，梁端截面各部位水化熱溫度達到最大值，頂板與腹板結(jié)合處芯部的水化熱溫度最高，為65.0℃；各測點溫度達到最大值后72～116 h，梁體梁端水化熱溫度降至環(huán)境溫度。水化熱溫度有限元計算最大值為65.2℃，處于梁端頂板與腹板結(jié)合處芯部位置，距離梁端縱向距離約1.0 m；D1，D2和D3測點的有限元計算值與實測值變化趨勢接近，表明有限元計算值可以較為準(zhǔn)確地模擬混凝土箱梁水化熱發(fā)展趨勢。

圖4 梁端頂板與腹板結(jié)合處水化熱測試結(jié)果

梁端各部位芯部與表面溫差實測值見圖5?？芍憾私孛嫘颈頊夭钭畲笾党霈F(xiàn)在頂板與腹板結(jié)合處，為22.9℃（澆筑完65 h后該部位芯表溫差已小于15℃）。

圖5 梁端各部位芯部與表面溫差實測值

梁端水化熱有限元計算值見圖6。可知，水化熱溫度分布的計算值與實測值接近，說明1#試驗梁混凝土澆筑及養(yǎng)護過程中水化熱滿足規(guī)范要求。

圖6 梁端水化熱有限元計算值（單位：℃）

3.2 摩阻測試結(jié)果

3.2.1 錨口和喇叭口摩阻

錨口和喇叭口摩阻測試所用錨具由襄陽中鐵宏吉錨具廠制作，鋼絞線實測直徑為15.31 mm，相應(yīng)限位板槽深為7.8 mm，每種錨具各測試3組。測試結(jié)果見表2?？梢?，各型號錨具的錨口、喇叭口摩阻損失及錨具回縮量基本符合設(shè)計及相關(guān)規(guī)范的要求。

表2 錨具測試結(jié)果

3.2.2 管道摩阻

管道摩阻測試時采用單端張拉方式，實際施工時為兩端對稱同時張拉。經(jīng)回歸分析得到的箱梁管道摩擦因數(shù)μ和管道偏差系數(shù)k，見表3?？芍瑢崪y值與設(shè)計值吻合良好。

表3 試驗箱梁管道摩阻系數(shù)

3.3 終張拉測試結(jié)果

試驗梁終張拉過程中跨中截面應(yīng)力見圖7。圖中應(yīng)力為終張拉應(yīng)力實測值和預(yù)張拉、初張拉應(yīng)力計算值之和，其中預(yù)張拉、初張拉應(yīng)力計算值根據(jù)終張拉實測彈性模量由有限元計算得到。試驗梁跨中及1/4截面底緣預(yù)壓應(yīng)力見表4?？梢?，各試驗梁應(yīng)力實測值與理論值均較為接近，梁體預(yù)應(yīng)力施加準(zhǔn)確。

圖7 試驗梁終張拉過程中跨中截面應(yīng)力

表4 試驗梁跨中及1/4截面底緣預(yù)壓應(yīng)力 MPa

試驗梁變形測試結(jié)果見表5。可知，各試驗梁跨中彈性上拱量實測值與理論值接近，滿足設(shè)計要求；梁體下緣壓縮量實測值與理論值均接近。試驗箱梁終張拉后全長均符合產(chǎn)品質(zhì)量檢驗要求，預(yù)留壓縮量按設(shè)計值設(shè)置可行。

表5 試驗梁變形測試結(jié)果 mm

終張拉過程中，梁端局部應(yīng)力最大值發(fā)生在頂板與腹板倒角處，對應(yīng)測點的應(yīng)力實測值和有限元計算值分別見圖8和圖9。可知：頂板腹板倒角處（2#，3#，5#，6#測點）在整個預(yù)施應(yīng)力過程中是受拉的，總體上拉應(yīng)力不斷增大；3#和5#測點應(yīng)力實測值比理論值偏大，其余測點應(yīng)力實測值與理論值接近，實測最大拉應(yīng)力在頂板與腹板倒角處（5#測點），為4.88 MPa（理論最大值為3.41 MPa），應(yīng)變?yōu)?37×10-6。終張拉完成后，觀測倒角處未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫。

圖8 終張拉過程中梁端局部應(yīng)力

圖9 終張拉完成后頂板與腹板倒角處局部應(yīng)力（單位：MPa）

3.4 靜載彎曲試驗結(jié)果

靜載彎曲試驗結(jié)果見表6。可知：跨中實測撓度與施加的荷載成線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)大于0.999，梁體處于彈性工作狀態(tài)；第1，2加載循環(huán)跨中靜活載撓度為9.9～10.4 mm，撓跨比為1/3 975～1/3 783，實測值均小于設(shè)計值（1/3 358），梁體剛度合格。根據(jù)實測撓度推算，靜載彎曲試驗時梁體彈性模量為4.11×104～4.18×104MPa。

表6 靜載彎曲試驗結(jié)果

1#試驗梁第2加載循環(huán)跨中實測應(yīng)變見圖10。可知：跨中及1/4截面下緣各測點的混凝土實測應(yīng)變與施加的荷載成線性關(guān)系，未出現(xiàn)明顯增大或減小的現(xiàn)象，箱梁混凝土拉應(yīng)力最大的區(qū)域仍處于彈性狀態(tài)；加載過程中梁體混凝土未開裂，梁體抗裂性合格；加載至1.2倍設(shè)計荷載時，箱梁跨中下緣混凝土平均應(yīng)力為14.77～15.33 MPa，與理論計算值14.44～14.50MPa接近。

圖10 1#試驗梁第2加載循環(huán)跨中實測應(yīng)變

4 結(jié)論

通過開展時速350 km高速鐵路40 m跨度簡支箱梁試驗工作，對預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的施工工藝、結(jié)構(gòu)受力性能、設(shè)計狀態(tài)等進行了驗證，得到結(jié)論如下：

1）試驗梁水化熱測試結(jié)果和混凝土箱梁澆筑工藝合格；管道摩阻、錨口與喇叭口摩阻實測值與設(shè)計值接近；根據(jù)實測值確定了終張拉預(yù)應(yīng)力。

2）終張拉過程中，試驗梁截面底緣壓應(yīng)力、彈性上拱量、彈性壓縮量和梁端混凝土應(yīng)力測試結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力效果滿足設(shè)計要求，預(yù)應(yīng)力施加準(zhǔn)確。

3）試驗梁靜活載撓跨比實測值小于設(shè)計值，試驗梁豎向剛度合格；在1.2倍設(shè)計荷載作用下，試驗梁處于彈性狀態(tài)，混凝土應(yīng)力實測值與計算值接近，跨中區(qū)域未開裂，試驗梁抗裂性能滿足規(guī)范要求。