轨道交通预应力混凝土U形梁极限承载力试验研究.pdf

2 0 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g Ma r c h， 2 01 5 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 2 0 0 4 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3 1 0 0 1 8 ； 2 金华市婺城区公路管理段 ， 浙江 金华3 2 1 0 0 0 ； 3 西南交通大学 土木工程 学院 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘 要 ： 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 3 0 m 的预应 力 混凝 土 u形 简 支梁桥进 行 了静 栽破 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 3 1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 。 关键词 ： 城 市轨道 交通预应 力混 凝 土 U形 梁 极 限承 载力 破 坏 试验 中图分 类号 ： U 4 4 6 1 文献 标识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 0 3 0 6 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 。 。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 。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 。 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 3 0 m， 跨 中梁高 1 8 m， 端部梁高 1 9 4 1 11 。混凝土行 车道板 设置在距 离底板 中心线两侧 3 0 e m处 ， 宽 8 0 e m、 高 3 0 e m， 轻轨 轨道铺 设 于 行 车道 板 之 上 ， u形 梁 构 造 如 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 4 - 2 1 ； 修 回日期 ： 2 0 1 4 1 l 一 2 0 作者简介 ： 王炎 ( 1 9 8 2 一) ， 男， 安徽萧县人 ， 讲师 ， 博士。 图 1 所示 。梁体采用 的混凝土强度等级为 C 5 5 ， 底板 混 凝土 掺聚丙 烯纤 维 ， 主梁沿 纵 向布置 1 0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 7 8 0 k N。 垦 5 00 图 1 U形梁横断 面( 单 位 ： m m) 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 射 T 2 0 1 5年第 3期 王炎等 ： 轨道交通预应力混凝土 u形梁极 限承载力试 验研究 2 1 表 1设计荷载及对应跨 中弯矩 活载轴重布置 图 2 模 型加载纵断面示 意( 单位 ： c m) 一 图 3模型加载横断 面示 意 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 3 0 o m 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 9 6个 ， 混凝土应力 测 点 1 7 0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 2 5个 。 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 1 6 7 2 2 3 k N 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 3 0 8倍 的设计荷 载； 当 加载至跨中最大弯矩约为 1 8 9 4 4 k N m时 ， 横 向裂缝 主要 在 跨 中4 I n范 围 内 出 现 ， 纵 向裂 缝 主要 在 7 5 2 2 5 m 范 围 内 出现 ； 当加 载 至跨 中最 大 弯矩 约 为 2 1 5 6 9 k N m时 ， u肋 侧 面开 始 产生 竖 向裂缝 ， 裂缝 主 要在跨 中 8 i i l 范围内出现 ； 当加载至跨 中最大弯矩约 为 2 4 3 4 8 k N m 时 ， 在支座 附 近首次 出现 斜 向裂缝 。 T1 北 VT1 VT1 北 ( a ) 应力测试 断面布置( 单位 ： c m) B1 B2 B3 B4 B5 B6 -纵向混凝土应变计 - 纵向及横向混凝土应变计 ( b ) 混凝土表面应力测点布置 VB1 VB2 VB3 V B4 VB5 VB 6 纵 向钢筋计+ 纵 向及横 向钢筋计 ( c ) 钢筋应力测点布置 图 4 主梁应变测点布置 T4 南 V T 4 VT 4 南 在试 验加 载完 成 后 ， 底 板 的裂 缝 主要 出现 在 跨 中 1 8 m范 围 内 ， 横 向 裂 缝 长 度 1 03 8 I n ， 裂 缝 宽 度 0 2 0 5 mm， 其 中横 向贯通裂缝 2 6条 ； 纵 向裂缝长 度 21 0 m， 宽 度 0 1 4 0 3 2 m m； U肋 竖 向裂缝 主 要 出现在跨 中 1 8 m范 围内 ， 裂 缝 长度 0 51 5 m， 裂 缝 宽度 0 1 2 0 3 2 m m； 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 21 5 m， 裂 缝 宽度 0 1 0 0 1 8 m m。 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 载一 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 一1 5 8 1 X l 0。 。 。 ， 距 上 翼 缘 顶 面 1 0 o m 处 混 凝 土 纵 向 压 应 变 为 一 1 2 5 9 1 0 。 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 一1 3 5 51 0 ， 底 板 上 缘 钢 筋 最 大 拉 应 变 为 3 1 4 2 2 2 铁道建筑 2 x 争 ( 捌 匿 足 跨中弯矩 ( MN 11 1 1 ( a 1 u 肋上翼缘表面测点纵向应变 曲线 5 l 0 1 5 2 0 2 5 30 跨 中弯矩 ( MY m) 【 b 1 上 翼缘表面 以下 1 0 c m 测 点纵 向应变 曲线 图 5 混凝土表面应变测点荷载一应 变曲线 1 0 ， 底板下缘钢筋最大拉应变为4 0 5 81 0。 。 。 。同 时从 图 6 ( b ) 和 图 6 ( c ) 中可 以看 出 ， 在 试 验荷 载 加 载 一 1 5 00 一l 2 00 一 9 0 0 一 6 0 0 旧 舔 -3 00 0 3 5 0 0 2 8 0 0 一 0 2 1 0 0 趟1 4 0 0 _叵 7 0 0 O 跨中弯矩 ( MY m) ( a ) U 肋上翼缘钢筋测点纵向应变曲线 跨 中弯矩 ( MY n 1 ) ( b ) 底板上缘钢筋测点纵向应变曲线 4 5 0 0 3 60 0 f 0 2 7 0 0 1 80 0 匠 90 0 0 跨 中弯矩 ( MN m) ( c ) 底板下缘钢筋测 点纵 向应变 曲线 图 6 钢筋纵 向应变测点荷载一应变 曲线 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 载一 应变 曲线呈非线性增长的趋势。 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 1 3 51 0 。 。 。 ， 下缘钢筋拉 应变最大值为 8 9 61 0； 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 一 1 5 O 一 1 20 2 9 0 髫一 6 0 旧 一 3 O O 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 旧 2 0 0 0 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 0 跨 中弯矩 ( MN m ) ( a ) 底板上缘钢筋测点横向应变曲线 跨 中弯 ( MY m) ( b ) 底板下缘钢筋测点横向应变曲线 图 7 底板钢 筋横 向应 变测 点荷 载一应变 曲线 瑚 o 一一一 伽 枷 瑚 0 2 0 1 5年第 3期 王 炎等 ： 轨道交 通预应力混凝土 U形梁 极限承载力试验研究 2 3 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 1 0 2 1 6 mm， 跨 中最大 竖 向 位 移 为 1 4 9 9 3 mm， 3 4跨 最 大 竖 向 位 移 为 1 0 0 O 0 m m。 当试 验 荷 载加 载 至大 约 2 0倍 设 计 荷 载 时 ， 位 移测 点 的荷 载一 位 移 曲线 呈 非线 性 递增 ； 在 2 7 倍设 计荷 载 下持 荷 5 m i n ， 梁 底竖 向变 形增 量 超过 1 m m， 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 1 6 7 2 2 k N m， 相 当约 1 3 1 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 1 5 0 mm， 表 明 该 U 形 梁 具有 良好 的延 性 ， 设 计 合理 。 参 考 文 献 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 ， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 8 1 2 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 ， 2 0 0 6 ( 增 2 ) ： 5 6 6 0 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 ， 2 0 0 3( 2 )： 1 3 1 6 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 ， 2 0 1 1 5 胡匡璋 ， 江新元 ， 陆 光阊 槽 形梁 M 北 京 ： 中 国铁 道 出版 社 ， 1 9 8 7 6 王彬 力 ， 蒲黔辉 ， 白光亮 重庆轻 轨 3 0 m U型梁疲劳模 型试 验与计算 分析 J 铁道 建筑 ， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 2 5 2 8 Ex p e r i me n t a l r e s e a r c h o n ul t i ma t e be a r i n g c a pa c i t y o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e U- s h a p e d g i r d e r u s e d i n u r ba n t r a ns i t s y s t e m WA N G Y a n ， Q I A N L i q i n ， X I AO L i n ( 1 Co l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ， Z h e j i a n g S c i T e e h U n i v e r s i t y ， Ha n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 8， C h i n a ； 2 J i n h u a Mu n i c i p a l i t y A d mi n i s t r a t i o n Bu r e a u o f Hi g h wa y ， J i n h u a Z h e j i a n g 3 2 1 0 0 0， C h i n a ； 3 S c h o o l o f C i v i I E n g i n e e r i n g 。 S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y C h e n d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 Ch i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s t u d y t he me c ha ni c a l be ha vi or o f the p r e s t r e s s e d c o nc r e t e U s ha p e d g i r d e r i n the ur ba n r a i l t r a n s i t ， a s p a n o f 3 0 me t e r s o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e U s h a p e d s i mp l y s u p p o r t e d gi r d e r b r i d g e wa s s t a t i c a l l y t e s t e d The s t r a i n i n c o nc r e t e a n d s t e e l b a r s wa s me a s ur e d a t t h e k e y s e c t i o ns a nd the r e l a t i on s h i p be t we e n the ve r tic a l d e fle c tio n a nd t h e l o a d wa s s t ud i e d Th e f a i l ur e p r o c e s s a nd mod e we r e a na l yz e d The d e c o mpr e s s i o n m o me n t o f t he ma i n gi r d e r w a s 1 3 1 t i me s i t s d e s i g n mo me n t T h e gi r d e r s t a r t e d i t s p l a s t i c s t a g e w h e n l o a d e d t o 2 0 t ime s t h e de s i gn l oa d Th e f a i l ur e l o a d wa s 2 7 t i m e s the de s i gn l o a d Di s tin c t t r a n s v e r s e s t r a i n o c c u r r e d a t the b ot t o m f l a ng e d ur i ng t he l o a d i ng pr o c e s s ， i nd i c a t i ng a t yp i c a l b e ha vi o r o f a 3- di m e nt i o nal pl a t e The f a il ur e wa s d uc t i l e， s u g g e s tin g a r e a s o na b l e s t r uc t ur a l d e s i gn a n d a p pr o p r i a t e s a f e t y r e s e r v e Ke y w o r d s ： Ur b a n r a il t r a n s i t ； P r e s tr e s s e d c o n c r e t e U s h a p e d gir d e r ； Ul t ima t e b e a r i n g C a p a c i t y ； De s tr u c t i v e t e s t i n g ( 责任 审 编 孟庆伶)