軌道交通預(yù)制U形梁力學(xué)性能研究

劉孟龍,宋郁民,吳定俊

(1.上海工程技術(shù)大學(xué),上海 201620； 2.同濟(jì)大學(xué),上海 200092)

城市軌道交通廣泛使用的U形梁是由早期的槽形梁優(yōu)化發(fā)展而來，在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域，U形梁正處于研究推廣階段。目前我國廣泛采用的是單線U形梁，以整體預(yù)制吊裝施工為主，預(yù)制方法有先張法和后張法。國內(nèi)已成功應(yīng)用的單線U形梁中，廣州地鐵4號線、南京地鐵2號線東延線、重慶軌道交通1號線大沙段采用的是后張法預(yù)制工藝，上海地鐵16號線則采用了先張法預(yù)制工藝[1-5]。盡管已有工程應(yīng)用，但對于先張法與后張法預(yù)制U形梁在力學(xué)性能上的差異的比較研究仍然較少。結(jié)合青島藍(lán)色硅谷城際軌道交通工程高架區(qū)間項(xiàng)目，運(yùn)用有限元法對先張法與后張法預(yù)制U形梁的力學(xué)性能進(jìn)行了理論對比分析，隨后對預(yù)應(yīng)力U形梁進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，詳細(xì)分析了試驗(yàn)荷載下U形梁的剛度和抗裂性等指標(biāo)[6-9]。

1 工程背景

青島藍(lán)色硅谷軌道交通工程全長58.44 km，其中高架橋段長約47 km，占線路總長的80%[10]。高架橋采用整孔預(yù)應(yīng)力混凝土簡支U形梁，標(biāo)準(zhǔn)跨度為30 m，梁型為5.0 m線間距直線梁。U形梁為開口薄壁結(jié)構(gòu)，腹板為弧形設(shè)計，支座中心距梁端0.6 m，梁端1.2 m為加厚區(qū)，梁高逐漸由1.8 m增加至1.94 m，漸變段長度0.42 m。內(nèi)外腹板厚度分別為0.26、0.265 m，底板厚0.26 m，梁端加厚區(qū)底板厚0.4 m。U形梁上寬5.32 m，下寬3.98 m，底板加厚區(qū)寬4.58 m，外腹板頂寬1.0 m，內(nèi)腹板寬0.72 m，線路中心線偏向內(nèi)腹板側(cè)，與底板中心線偏心0.065 m。U形梁跨中截面尺寸見圖1。

先張法有94根預(yù)應(yīng)力鋼筋。為防止梁端混凝土上緣出現(xiàn)過大拉應(yīng)力，將部分鋼絞線端頭設(shè)置套管。27根N1鋼筋通長無套管；20根N2預(yù)應(yīng)力鋼筋，在端

圖1 U形梁跨中截面(單位：mm)

頭設(shè)置2.4 m套管；37根N3預(yù)應(yīng)力鋼筋，在端頭設(shè)置5 m套管。預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，錨下張拉控制應(yīng)力為1 362 MPa。鋼束端部設(shè)立φ8 mm的螺旋筋。預(yù)應(yīng)力配筋見圖2。

后張法中預(yù)應(yīng)力鋼束共10束，在梁中預(yù)埋金屬波紋管，每根鋼束包含10根1 860 MPa鋼絞線，為防止梁端混凝土上緣出現(xiàn)過大拉應(yīng)力，最外側(cè)2束N1腹板鋼束在腹板內(nèi)向上彎起，錨固在梁端上翼板，其余鋼束均配置在底板，并在梁端下彎55 mm以方便錨固。預(yù)應(yīng)力配筋如圖3所示。

圖2 先張法預(yù)應(yīng)力配筋(單位：mm)

圖3 后張法預(yù)應(yīng)力配筋(單位：mm)

2 力學(xué)性能有限元分析

采用通用有限元軟件Midas Civil分別建立先張法U形梁和后張法U形梁的有限元模型，梁單元為空間梁單元，全橋模型如圖4和圖5所示。

圖4 先張法預(yù)制U形梁有限元模型

圖5 后張法預(yù)制U形梁有限元模型

2.1 有限元分析結(jié)果

通過有限元分析，得到先張法預(yù)制U形梁的軸力圖、彎矩圖分別如圖6、圖7所示，后張法預(yù)制U形梁的軸力圖、彎矩圖如圖8、圖9所示。

圖6 先張法預(yù)制U形梁軸力圖(單位：kN)

圖7 先張法預(yù)制U形梁彎矩圖(單位：kN·m)

圖8 后張法預(yù)制U形梁軸力圖(單位：kN)

圖9 后張法預(yù)制U形梁彎矩圖(單位：kN·m)

2.2 力學(xué)性能分析比較

表1和表2對先張法與后張法預(yù)應(yīng)力U形梁的內(nèi)力、應(yīng)力狀態(tài)及變形進(jìn)行了比較。

由表1可知，先張法預(yù)應(yīng)力U形梁的軸力明顯小于后張法預(yù)應(yīng)力U形梁；先張法預(yù)應(yīng)力筋并不改變原有結(jié)構(gòu)的剪力，先張法預(yù)應(yīng)力U形梁的剪力大小與無預(yù)應(yīng)力U形梁一致；后張法預(yù)應(yīng)力筋由于存在一根彎起鋼筋，相當(dāng)于存在一根豎向預(yù)應(yīng)力筋，因而后張法預(yù)應(yīng)力U形梁的剪力較無預(yù)應(yīng)力U形梁減小很多[11]。

表1 內(nèi)力狀況分析

注：軸力以拉為“+”，壓為“-”；剪力以順時針轉(zhuǎn)動為“+”，逆時針轉(zhuǎn)動為“-”；彎矩以順時針為“+”，逆時針為“-”。

表2 應(yīng)力狀態(tài)和變形

注：拉應(yīng)力為“+”，壓應(yīng)力為“-”。

由表2可知，先張法預(yù)應(yīng)力U形梁的正應(yīng)力整體上比后張法預(yù)應(yīng)力U形梁要小，尤其是其最大值，差別非常明顯；無論是先張法還是后張法，預(yù)應(yīng)力U形梁的變形都遠(yuǎn)小于無預(yù)應(yīng)力U形梁，梁的剛度有很大改善。

3 荷載試驗(yàn)比較分析

3.1試驗(yàn)方法

靜載試驗(yàn)荷載采用反力架加載，底板加載點(diǎn)P1設(shè)置縱向分配梁和橫向分配梁，腹板加載點(diǎn)P2設(shè)置縱向分配梁，如圖10所示。

圖10 U形梁加載點(diǎn)橫向布置示意(單位：mm)

靜載試驗(yàn)測試的主要內(nèi)容為：(1)1.0倍設(shè)計荷載加載，測試U形梁控制截面的應(yīng)變和撓度；(2)1.2倍設(shè)計荷載加載，測試U形梁控制截面的應(yīng)變和撓度。

試驗(yàn)的測試截面選取跨中截面，其撓度測點(diǎn)和應(yīng)變測點(diǎn)布置分別如圖11、圖12所示。

圖11 跨中撓度測點(diǎn)布置

圖12 跨中截面的縱、橫向應(yīng)變測點(diǎn)布置(單位：cm)

試驗(yàn)加載遵循跨中彎矩與設(shè)計荷載下最大彎矩相等、支點(diǎn)剪力與設(shè)計荷載下最大剪力近似相等的原則，采用分級加載的方式進(jìn)行加載(定義系數(shù)K為分級加載系數(shù)，即試驗(yàn)加載下梁體跨中彎矩值與設(shè)計荷載下梁體跨中最大彎矩值的比值)。

加載分為兩個階段：

(1)K≤1.0時，通過底板千斤頂進(jìn)行加載；

(2)1.0≤K≤1.2時，通過腹板千斤頂進(jìn)行加載。

為消除試驗(yàn)過程中不確定因素的影響，確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性，試驗(yàn)進(jìn)行兩個循環(huán)測試：

(1)從零荷載逐級加載到“1.0倍二恒+1.0倍活載”，按照試驗(yàn)規(guī)程完成逐級測試后，再逐級卸載到零荷載狀態(tài)；

(2)從零荷載逐級加載到“1.2倍設(shè)計荷載”，按照試驗(yàn)規(guī)程完成逐級測試后，再逐級卸載到零荷載狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 剛度分析

U形梁跨中截面在1.0倍設(shè)計活載作用下?lián)隙葘?shí)測值和撓跨比分析結(jié)果如表3所示。

表3 各試驗(yàn)梁跨中截面實(shí)測最大撓度值與撓跨比分析

由表3可知，1.0倍活載作用下的實(shí)測撓度最大值為11.9 mm，由表4可知，1.0倍活載作用下跨中截面混凝土縱、橫向應(yīng)力增量的最大值為8.33 MPa，滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲實(shí)驗(yàn)方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》[12](TB/T2092—2003)的要求；梁體最大撓跨比為1/2 208，滿足《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)[13]的撓跨比不超過1/2 000的限值要求。

表4 荷載作用下跨中截面混凝土縱、橫向應(yīng)力增量 MPa

注：壓力為“-”，拉力為“+”。

3.2.2 抗裂性分析

靜載試驗(yàn)的兩次循環(huán)中，在K=1.0倍活載加載下，持續(xù)20 min，均未發(fā)現(xiàn)梁底因橫向彎曲而出現(xiàn)的縱向裂縫。

先張法預(yù)應(yīng)力U形梁在K=1.20設(shè)計荷載下持荷20 min后，在底板下緣、倒角及圓弧過渡段，均未發(fā)現(xiàn)因道床板橫向彎曲而形成的縱向裂縫。只在跨中位置附近發(fā)現(xiàn)2條縱向裂縫，經(jīng)測量裂縫寬度在0.01～0.02 mm范圍內(nèi)，滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB10002—2017)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性要求[14]，表明道床板的橫向彎曲抗裂性合格。卸載后，繼續(xù)觀察裂縫，多數(shù)極微小裂縫閉合，較寬裂縫寬度減小，滿足鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性要求。

后張法預(yù)制U形梁在K=1.2設(shè)計荷載加載下，持荷20 min，觀察發(fā)現(xiàn)跨中、1/4跨的底板下緣區(qū)域，出現(xiàn)25條長短不等的縱向裂縫。經(jīng)測量，裂縫寬度在0.01～0.05 mm范圍內(nèi)，長度在10～60 cm，裂縫的最大寬度達(dá)0.08 mm。

由于后張法預(yù)應(yīng)力管道的存在導(dǎo)致截面削弱，波紋管下混凝土厚度較小，再扣除非預(yù)應(yīng)力筋所占的空間，粗集料很難進(jìn)入該區(qū)域，施工時無法進(jìn)行有效的振搗，導(dǎo)致很小的橫向拉應(yīng)力就可能產(chǎn)生裂縫，使得后張法縱向裂縫產(chǎn)生多于先張梁。

4 結(jié)論

通過有限元理論分析和現(xiàn)場靜載試驗(yàn)，對先張法、后張法預(yù)應(yīng)力U形梁的力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)分析和評價，主要得出以下結(jié)論。

(1)有限元模型計算結(jié)果表明，先張法U形梁和后張法U形梁的內(nèi)力狀況基本接近，先張法U形梁的應(yīng)力相對較小。

(2)試驗(yàn)荷載作用下，先張法U形梁較后張法U形梁撓度要小，抗裂性能突出，滿足相關(guān)規(guī)范[15-16]要求。

(3)先張法U形梁耐久性好，力學(xué)性能明顯優(yōu)于后張法U形梁，具有推廣使用的潛力。

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