沪通铁路时速200 km客货共线通用32 m双线箱梁静载试验研究

沪通铁路时速200 km客货共线通用32 m双线箱梁静载试验研究

潘成杰1，班新林2，石 龙2

(1.沪宁城际铁路股份有限公司，江苏 南京 210042;2中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

摘 要 沪通铁路在国内首次采用时速200 km客货共线通用32 m双线箱梁，并在铁路预制简支箱梁中首次采用大吨位锚具，降低了箱梁的腹板厚度。但其关键技术需要进行现场试验验证，为此开展了箱梁的静载试验研究，试验内容包括静载弯曲抗裂试验和梁端受力性能试验。试验结果表明:箱梁实测静活载挠跨比为1/4 016，箱梁刚度满足设计要求;加载至1.2倍设计荷载时，箱梁没有开裂，结构抗裂安全性满足设计要求;梁端静载试验加载至最大支反力时，梁端没有产生裂缝，结构受力安全。试验结果表明箱梁设计合理，施工质量良好，满足时速200 km客货共线使用要求。

关键词 客货共线铁路;混凝土应力;现场试验;简支箱梁;大吨位锚具

沪通铁路北起南通平东，与现有宁启铁路贯通，向南跨越长江，经张家港、常熟、太仓至上海安亭，全长137.3 km，按国铁I级双线建设，可双向通行集装箱运输火车，设计时速200 km。按照设计规划，沿线需新建平东、南通西、张家港、常熟、太仓等8个客运、货运和客货运场站。根据初步设计批复意见及沪通铁路声屏障设置情况，沪通铁路南通至安亭段采用简支箱梁结构［1-2］。

目前，高速铁路预制架设简支箱梁预应力体系均采用15孔以下锚具，腹板为双排布置。为了满足混凝土结构构造设计，跨中腹板厚度一般在45 cm左右。使用15孔以上大吨位锚具对简支箱梁预应力体系进行优化设计，可以降低腹板厚度，从而减少梁重，减少对运架设备的限制。大吨位锚具代替小吨位锚具，还可以减少锚具数量和张拉次数，有利于高速铁路简支梁自动张拉信息化技术的应用［3］。

沪通铁路箱梁为我国铁路首次采用大吨位锚具的梁场预制简支箱梁［4-5］，腹板预应力束单排布置，跨中腹板厚360 mm，梁端腹板厚900 mm，结构设计具有创新性。针对腹板厚度优化后的箱梁结构在设计荷载及运架荷载作用下能否满足设计要求，本文对箱梁结构开展试验验证。

1 箱梁设计

时速200 km客货共线通用32 m双线箱梁的图号为“通桥(2014)2232-Ⅳ”，其截面类型为单箱单室等高度简支箱梁(见图1)，梁端顶板、底板及腹板局部向内侧加厚。挡砟墙内侧净宽8.97m，箱梁宽11.6m，建筑总宽11.95 m。梁长32.6 m，计算跨度31.5 m。横桥向支座中心距为4.0 m，箱梁梁体中心线处高度为2.784 m。线路间距为4.4 m，设计活载采用“中-活载”。

图1 通用32 m双线箱梁截面(单位:mm)

梁体采用C50混凝土，预应力钢绞线公称直径为15.2 mm，强度等级为1 860 MPa，弹性模量为1.95×105MPa。腹板束 N4，N5，N6 选用 23-Φ15.2，其他钢束根据二期恒载选用 13-Φ15.2，14-Φ15.2 或 15-Φ15.2，预应力管道采用直径为120 mm和90 mm的抽拔管成孔。

2 静载试验方案

根据箱梁设计特点确定试验内容为静载弯曲抗裂试验和梁端受力性能试验。

2.1 加载方式

静载弯曲抗裂试验采用跨中位置纵向5排加载方式，每排间距为4 m;每排横向采用2点加载，加载点作用于箱梁腹板顶面中心，加载点横向间距为5.4 m［6］。

梁端受力性能试验是在静载弯曲抗裂试验加载点的基础上再加2个梁端加载点，梁端加载点距离梁端1.55 m，横向间距4.8 m。

2.2 测点布置

2.2.1 静载弯曲抗裂试验测点布置

1)在底板两侧边缘布置6个挠度测点(百分表)以测试梁体在试验荷载作用下的变形。测点分布于跨中截面和梁端支座中心线截面，每个截面2个测点。

2)在跨中截面的底部沿梁体纵向3 m范围内布置外贴式钢弦应变计，且分布在跨中底板两侧边缘，以测试每级加载下混凝土的应变，测点布置见图2。

图2 跨中截面底部测点布置(单位:mm)

2.2.2 梁端受力性能试验测点布置

梁端受力性能试验中，在梁端的端面布置外贴式钢弦应变计，测点布置见图3。

图3 梁端端面测点布置(单位:mm)

2.3 试验荷载

2.3.1 静载弯曲抗裂试验

静载弯曲抗裂试验加载值见表1。加载分2个循环，第1循环加载至1.0级，第2循环加载至1.2级。

表1 静载弯曲抗裂试验加载值

548.0 0.80 789.2静活载级(Kb) 988.0 1.00 1 073.9 1.05 1 145.1 1.10 1 216.3 1.15 1 287.4/kN基数级(Ka)加载等级 加载值1.20 1 358.6

2.3.2 梁端受力性能试验

梁端受力性能试验加载值见表2。加载分2个循环，第1循环梁端加载至1 217 kN，模拟运营最大支反力工况;第2循环加载至1 735 kN，模拟运架最大支反力工况。

表2 梁端受力性能静载试验加载值

加载等级 跨中加载值/kN 梁端加载值/kN 1 548 0 2 789 0 3 994 0 4 1 082 0 5 1 082 400 6 1 082 800 7 1 082 1 217 8 1 082 1 400 9 1 082 1 735

3 静载试验结果

3.1 静载弯曲抗裂试验

3.1.1 梁体挠度

梁体挠度变化可以反映结构的整体刚度，试验过程中通过使用跨中百分表读数平均值减去梁端百分表读数平均值，可以消除支座压缩变形对挠度测试的影响。

静载弯曲抗裂试验过程中，第1，2加载循环跨中静活载挠度分别为 7.84，7.77 mm，挠跨比分别为1/4 016，1/4 053。实测挠度均小于设计值(1/3 337)，梁体刚度满足规范要求［7］。

箱梁静载试验第2加载循环跨中挠度实测结果见图4。可知，跨中实测挠度与加载荷载呈线性关系，相关系数R＞0.999 9，梁体处于弹性工作状态。简支梁实测挠度与理论挠度有差异主要是因为混凝土弹性模量与设计弹性模量不一致。根据实测挠度推算，静载试验时的梁体实际弹性模量为4.22×104MPa。

图4 箱梁静载试验第2加载循环跨中挠度实测结果

3.1.2 跨中应变

在加载过程中，跨中弯矩使底板逐渐产生拉应力，一般情况下，混凝土应变的增长值与加载值保持线性关系，如果某个测点的实测应变急剧增大，且相邻测点的应变突然变小，表明此处的混凝土开裂。

加载至1.2倍设计荷载过程中，跨中截面下缘3.0 m范围内底板两侧测试结果相同。跨中底板右侧应变增长值与加载值的关系见图5。可知，跨中截面下缘各测点的混凝土实测应变与加载力保持线性关系，线性相关系数均＞0.999，未出现明显增大或减小的现象，箱梁混凝土处于弹性状态，箱梁抗裂安全性满足规范要求［8］。在1.2倍设计荷载作用下，箱梁跨中下缘混凝土平均应变为 255×10-6，平均应力为10.76 MPa(混凝土弹性模量取实测挠度推算值4.22×104MPa)，与理论计算值10.57 MPa一致。

图5 跨中底板右侧应变增长值与加载值的关系

3.2 梁端受力性能试验应力测试结果

简支箱梁架梁过程中，受到架桥机中支腿力、自重和预应力的共同作用，梁端混凝土应力分布复杂，箱梁端面的顶板与腹板倒角处、底板与腹板倒角处、顶板中心线位置通常会产生拉应力。

梁端受力性能试验过程中梁端端面混凝土应力可以反映实际架桥工况的受力情况，其测试结果见图6。

图6 梁端受力性能试验应力测试结果

由图6可知:

1)图6(a)中梁端顶板腹板倒角处拉应力最大值出现在第3级加载，50#测点实测拉应力最大值为4.25 MPa，继续加载则该处应力有所降低。实测值与理论计算值较为一致，测点位置没有开裂，结构受力安全。

2)图6(b)中梁端底板腹板倒角处拉应力最大值也出现在第3级加载，36#测点实测拉应力最大值为4.56 MPa，继续加载则该处应力有所降低。实测值小于理论计算值，测点位置没有开裂，结构受力安全。

3)梁端顶板中部横向应力实测值略大于理论计算值，最大拉应力为2.15 MPa。测点位置没有开裂，结构受力安全。

4)加载过程中，进人孔各测点横向受压，结构受力安全。

4 结论

1)沪通铁路时速200 km客货共线通用32 m双线箱梁静载弯曲抗裂试验结果表明:①箱梁最大静活载挠度为7.84 mm，挠跨比为1/4 016，小于设计值，梁体刚度满足设计要求;②在1.2倍设计荷载作用下，实测跨中下缘应变与加载值保持线性关系，梁体处于弹性状态，没有发现开裂现象，梁体抗裂性能满足设计要求。

2)梁端受力性能试验结果表明，加载至架梁最大支反力时，梁端端面最大拉应力实测值与理论计算值比较一致，测点位置没有发现肉眼可见的裂缝，结构受力安全。

3)经试验验证，在跨中腹板厚度以及梁端腹板厚度减小的情况下，32 m试验箱梁的各项受力性能符合设计及相关规范要求，施工质量满足沪通铁路运营使用要求。

参考文献

［1］牛斌.高速铁路预制后张法预应力混凝土大跨度简支梁技术研究［J］.铁道建筑，2015，55(10):31-37.

［2］刘勇，戴公连，康崇杰.中国高速铁路简支梁综述［J］.铁道科学与工程学报，2015(2):242-249.

［3］胡所亭，牛斌，柯在田，等.高速铁路常用跨度简支箱梁优化研究［J］.中国铁道科学，2013，34(1):15-21.

［4］薛洪卫.32 m高速铁路简支箱梁结构优化设计研究［D］.长沙:中南大学，2008.

［5］候建军.大吨位锚具在客运专线铁路简支箱梁的应用研究［J］.铁道标准设计，2012，56(9):44-47.

［6］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:中国铁道出版社，2004.

［7］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005 铁路桥设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［8］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

Research on 32 m Double-track Box Girder on Shanghai－Nantong Mixed Passenger and Freight Railway with Speed of 200 km/h by Static Load Test

PAN Chengjie1，BAN Xinlin2，SHI Long2
(1.Shanghai-Nanjing Intercity Railway Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210042 ，China;2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract A 32 m double-track box girder is adopted for the first time on Shanghai-Nantong mixed passenger and freight railway with speed of 200 km/h in China，and a large tonnage anchor is used in the prefabricated simply supported box girder to reduce the thickness of the web of the box girder.T he key technology needs to be verified by field test，so the static load test of box girder is carried out.T he tests included static deflection crack resistance test and the girder ends performance test.T he results show that the deflection span ratio caused by static live load is 1/4 016，the box girder stiffness meets the design requirements.T he box girder has no crack under the 1.2 times design load，and the crack resistance of the structure meets the design requirements.T he girder end has no crack under the maximum reaction，the structure is safe.T he test results show that the design of box girder is reasonable and the construction quality is good.It meets the requirement of mixed passenger and freight railway with speed of 200 km/h.

Key words M ixed Passenger and Freight Railway;Concrete stress;Field test;Simply supported box girder;Large tonnage anchorage

中图分类号 U238;U448.21+3

文献标识码： A DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2017.09.04

文章编号:1003-1995(2017)09-0017-04

(责任审编 郑 冰)

收稿日期:2017-05-04;

修回日期:2017-07-31

作者简介:潘成杰(1970— )，男，高级工程师，硕士。

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