跨座式单轨交通PC轨道梁静载及疲劳试验研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 铁道建筑　３　２００８年第５期　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１００３．１９９５（２００８）０５．０００３．０４　跨座式单轨交通ＰＣ轨道梁静载及疲劳试验研究　马继兵，蒲黔辉，夏招广　（西南交通大学土木工程学院，成都６１００３１）　摘要：在重庆市跨座式单轨交通系统ＰＣ轨道梁的静载及疲劳试验中，研究了混凝土应力、挠度、刚度以　及梁体基频、阻尼系数等与疲劳循环次数的关系。静载试验结果表明，梁体抗裂性、有效预应力及强度　安全系数均能满足设计要求。疲劳试验表明，受压区混凝土应力幅较低，一般不会发生疲劳破坏。梁体　基频等动力特性随疲劳次数增加有所降低，但在１００万次疲劳加载后趋于稳定。　关键词：跨座式　单轨交通ＰＣ轨道梁　静载　疲劳试验　中图分类号：Ｕ２３２；ＴＵ３１７　、２文献标识码：Ｂ　跨座式单轨交通系统的轨道，一般是由预制预应　力混凝土梁（简称ＰＣ轨道梁）和道岔梁等组成。ＰＣ轨　道梁在使用过程中要经历车轮循环荷载的作用，因此　疲劳性能是其重要的力学性能指标。为了解其疲劳性　能及承载能力，在国内首次进行了ＰＣ轨道梁３００万次　梁体正截面弯曲、梁端剪切疲劳及静载开裂、重裂和破　坏试验研究。通过试验，旨在了解该类型梁在重复荷　１７．５８５　ｍ，支座中心弧长１９．２　ｍ，线路中心平曲线半径　１００　ｍ。ＰＣ直、曲梁均采用箱形截面形式，梁体高、宽　分别为１、５０　ｒｆｌ和０．８５　ｒｆｌ，两端实心段长０．８　ｒｆｌ，从实心　段开始３．０　ｒｆｌ范围内采用线性过渡变厚度腹板和底　板。梁体采用Ｃ６５级混凝土，预应力钢筋采用符合　ＡＳＴＭＡ．４１６标准的２７０级钢绞线，直径为４声　１５．２４，标　准强度１　８６０　ＭＰａ。　１．２疲劳试验荷载及加载方法　载作用下的受力性能、抗裂性能及承载能力，为ＰＣ轨　道梁批量生产、合理制作工艺提供参考，为设计优化积　累相关基础数据。　由ＰＣ轨道梁跨中最大设计弯矩并计入冲击作　用、横向摇摆力作用等因素得到疲劳试验竖向、横向试　验荷载值，如表１所示。　表１疲劳试验荷载　１试验简介　１．１试验梁简介　试验用直梁由重钢机械化公司制作，梁长２１．９７　ｍ，支座中心距２１．２　ｍ；试验用曲梁由养马河桥梁厂制　作，梁长１９．９７　ｍ，缓和曲线长２．３８５　ｍ，圆曲线长　收稿日期：２００７　１１．１４；修回日期：２００８．０２．２６　作者简介：马继兵（１９７６一），男，河南信阳人，博士研究生。　为进行拼装过程中的节段变形测试，在节段预制　时，于每个节段前端距接缝１０　ｅｍ处顶板顶面预埋两　根直径１０　ｍｍ的钢筋，钢筋露出混凝土顶面２　ｃｍ，以　此作为节段拼装过程中变形监测点。　应力、变形测试在每个节段进行吊装、张拉预应力　束、吊机前移等工况中进行测试。为减小日照等对变　形观测的影响，尽量在每天８：Ｏ０以前完成。　跨合龙误差符合规范要求，为类似桥梁的施工过程控　制提供了宝贵经验。　参　考　文　献　［１］廖元裳，靳明君，王海良，等　钢筋混凝土桥［Ｍ］．北京：中国　铁道出版社，１９９９．　［２］范立础．预应力混凝土连续梁［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　１９９０．　５　结语　深圳湾大桥于２００６年２月顺利合龙，并于２００７年　１月１日通车。由于在施工过程中控制措施得当，各　（责任审编　孟庆伶）　维普资讯 http://www.cqvip.com ４　铁　道　建筑　Ｍａｙ，２００８　试验在西南交通大学结构工程试验中心进行，自　行加工试验台架、加力架及分载梁系统，疲劳试验采用　裂、重裂及破坏试验则采用单泵双顶实现同步加载。　考虑梁端实际受力最不利工况和试验条件，直、曲梁梁　端抗剪疲劳试验实际加载点距活动铰支座中线分别为　１．５３５　ｍ和１．４１５　ｍ。　美国产ＭＴＳ结构试验系统。根据跨座式单轨车辆荷　载设计参数，梁体跨中弯曲疲劳试验采用单顶双层分　载，实现四点同步疲劳加载，如图１所示。梁体静载开　图１　直梁疲劳试验加载示意图（单位：ｃｍ）　１．３试验步骤及测试内容　环约１００万次后基本趋于稳定。竖向位移增大趋势与　试验按以下步骤和测试内容进行：①支墩制作、支　结构刚度随疲劳循环次数增加而逐渐降低有关：重复　荷载作用下，混凝土弹性模量随梁体内损伤的不断累　积而逐渐降低，同时裂缝发展也降低了混凝土受拉区　座及梁体安装；②疲劳试验前梁体基频、阻尼、振型等　动力特性测试；③梁体跨中静力弯曲试验；④梁体跨中　正截面弯曲疲劳试验，包括每隔５０万次疲劳加载后的　动力特性测试和静力加载试验，静载试验主要量测梁　对刚度的贡献，二者都导致梁体挠度呈增大趋势。　Ｉ２　００　量Ｉｌ　００　＋直粱跨中　。ｌ。曲粱跨中　体挠曲变化、内力变化、转角及支座内力变化，并观察　梁体混凝土是否开裂；⑤弯曲疲劳试验完毕时，增加结　构振型测试；⑥梁端静力抗剪试验；⑦梁端抗剪疲劳试　薰　崩７　００　６　００　验，包括每隔５０万次疲劳加载后的静力加载试验；⑧　Ｏ　５　ｌ０　Ｉ５　２Ｏ　２５　３０　梁体跨中弯曲开裂、重裂及破坏试验，量测梁体挠曲变　化、内力变化、转角及支座内力变化情况，观察梁体混　凝土裂缝发展情况并量测裂缝宽度。　疲劳次数／１０万次　图２跨中截面挠度随疲劳次数的变化　梁体跨中弯曲、梁端剪切疲劳试验前及疲劳循环　每隔５０万次后进行静载试验，以及静载开裂、重裂、破　坏试验。　２）疲劳刚度降低系数　当静力加载至最大疲劳荷载等级时，重复荷载　３００　Ｘ　１０　次后未疲劳破坏的直梁、曲梁跨中挠度分别　是第１次静载下的１．１１２和１．１００倍（见表２）。表明　ＰＣ轨道梁随疲劳次数增加，挠度增大，刚度有一定退　化趋势。定义重复荷载作用下的刚度降低系数为：　０＝　ＩＪｆ＝了　ｆ　ｓ　ｂ　ｓ　Ｊ｜　Ｄ　，　１．４试验测点布置　根据试验测试内容，直、曲梁疲劳试验与静载试验　的主要测点布置相同，主要在梁体跨中、１／４跨和３／４跨　截面处布置竖向、横向挠曲位移和应变测点。同时在　梁体支座截面、近支座截面处布置竖向、横向挠曲位移　和应变测点。　（１）　式中：日，为重复荷载作用后的刚度；Ｂ　为静荷载作用　后的刚度；　为静载挠度；　为重复荷载挠度。　表２试验梁跨中竖向挠度实测结果　２疲劳试验　２．１弯曲疲劳试验　２．１．１　实测挠度与刚度变化　１）跨中挠度随疲劳循环次数Ⅳ的变化规律　在最大疲劳荷载等级作用下，跨中截面竖向挠曲　位移随疲劳加载循环次数的变化曲线见图２。可以看　出，直梁、曲梁竖向挠度随疲劳循环次数增加基本呈上　升趋势，在疲劳循环约２５０万次后，直梁竖向挠度上升　幅度约１１．２％，而曲梁竖向挠度的上升趋势在疲劳循　根据实测资料进行回归分析，可得直梁刚度降低　系数０与ｌｇＮ（５０　Ｘ　１０　≤Ｎ≤３００　Ｘ　１０　）之间的关系为　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第５期　跨座式单轨交通Ｐｃ轨道梁静载及疲劳试验研究　５　０＝１．０９２—０．０２８１ｇＮ，曲梁贝０有０＝１．０８３—０．０２６１ｇＮ。　当荷载重复次数为３００×１０４次时，直梁刚度降低为初　始刚度的０．９１１倍，曲梁则为０．９１５倍。　２．１．２混凝土应力　直梁、曲梁在疲劳加载循环每隔５０万次后进行静　力试验，在最大疲劳荷载级下，跨中截面上缘混凝土压　应力随疲劳循环次数的变化见图３。可以看出直、曲　梁上缘混凝土压应力随疲劳循环次数的变化不大而又　略有波动，并未呈现随疲劳次数』Ｊ、ｒ增加而单调增加的　趋势。其中直梁在疲劳循环约１００万次后，上翼缘最　大压应力略呈下降趋势。而曲梁上缘最大压应力呈现　先下降后上升的趋势，并在疲劳循环约２５０万次后趋　于稳定。分析认为引起变化的因素主要有斜向加载使　梁跨双向受弯、受扭，随疲劳次数的增加，在梁体混凝　土既有微裂缝扩展趋于稳定的同时，支撑约束随疲劳　的加剧而有所减弱，使得截面正应力随疲劳次数增加　而有所变化。由试验实测结果还可知，最大疲劳荷载　等级作用下的混凝土边缘最大压应变约为３３０　ｘ　１０～，　可以认为混凝土处于低应力阶段。由于混凝土应力幅　不大，因此不会发生受压区混凝土疲劳破坏。　—◆一直粱跨中上缘　＋曲粱跨中上缘　。４　ｏｏ　日－４　５０　２．２梁端剪切疲劳试验　对ＰＣ直梁、曲梁梁端疲劳加载循环每隔５０万次　后进行静力试验，测量最大疲劳荷载级下，承受剪力最　大的近支座截面混凝土主应力。可以看出梁端混凝土　最大主应力随疲劳循环次数增加而有所波动，但其绝　对数值均较小：直线梁、曲线梁的最大主拉应力分别为　１．５　ＭＰａ、０．８０　ＭＰａ；最大主压应力分别为０．９　ＭＰａ、１．１　ＭＰａ。分析认为梁端剪切疲劳加载前，梁跨已经历了　３００万次弯曲疲劳加载，梁跨静力性能趋于稳定。在　进行梁端疲劳加载时，梁跨弯曲应力及变形均很小，而　梁端段梁体截面尺寸较大，在承受比跨中抗弯较大的　剪切作用时，剪应力和局部压应力引起的混凝土主应　力仍然较小。由于总应力水平低而又接近支座，试验　加载偶然因素影响较大，致使不同试验阶段测量值出　现一定波动，而不是呈现随疲劳次数增加而单调变化　的趋势。　２．３梁体动力特性疲劳试验　２．３．１　试验梁基频与疲劳循环次数的关系　对于给定梁，可通过实测结构固有频率判断结构　刚度变化情况，进而了解结构的使用性能。梁跨竖向　一阶自振频率随疲劳次数的变化规律见图４。可以看　出，疲劳损伤使直梁竖向、横向基频随疲劳次数增加而　分别下降了９％和１０％，而曲梁则下降８％和３％，且　下降主要发生在疲劳加载１００万次之前。分析认为，　结构刚度变化直接反映在基频变化上，桥梁基频在重　复荷载作用下随疲劳荷载次数增加而减小，在１００万　次后趋于稳定。表明轨道梁梁体刚度在１００万次前随　疲劳次数增加而有所降低，在１００万次后梁体刚度趋　于稳定，这与梁跨挠度随疲劳次数增加而呈现的变化　规律基本吻合。　９ｏｏ　５Ｏ　静　ＯＯ　爨　５Ｏ　Ｏ　－匣　崩　ＯＯ　∞５　５０　疲劳次数／ｌＯ万次　图４一阶频率随疲劳次数的变化　２．３．２　梁体阻尼系数与疲劳循环次数的关系　梁跨竖向阻尼系数随疲劳次数增加的变化规律见　图５。可以看出直、曲梁竖向阻尼随疲劳次数增加而　有所降低，且降低主要发生在疲劳加载１００万次之前，　在１００万次后趋于稳定。直梁竖向一阶阻尼下降约　２１％，曲梁竖向一阶阻尼下降约３６％。横向一阶阻尼　基本不变（直线梁）；或是略有变化，但在１００万次后基　本趋于稳定（曲线梁）。　图５一阶阻尼系数随疲劳次数的变化　２．３．３　梁体振型曲线与疲劳循环次数的关系　Ｐｃ直、曲梁梁跨振型曲线，在疲劳加载前及疲劳　加载３００万次后竖向振型对称性均较好。在跨中附近　略有偏离，这可能与梁两端支撑方式（一端固定、一端　活动）不同有关，同时也可能与内模变形、漏浆引起的　结构特性不完全对称有关。　维普资讯 http://www.cqvip.com ６　铁道　建筑　Ｍａｖ．２００８　３梁体开裂、重裂和破坏试验　３．１裂缝发展及分布规律　开裂试验结果表明，当直、曲梁分别加载至４２０　ｋＮ　和４４０　ｋＮ时相继第一次出现裂缝，继续加载至６００　ｋＮ　时裂缝宽度为０．０５　ｍｍ，卸载后裂缝闭合良好。由破　坏试验结果可知，梁体裂缝基本与梁轴线垂直，分布均　匀，均表现为弯曲裂缝。裂缝数量随荷载增加由跨中　向两加载点发展，裂缝相对跨中基本对称。直梁两侧　腹板裂缝开展状况基本一致，而曲梁两侧腹板裂缝开　展状况不一致，这主要与曲梁采用竖直加载，与曲梁走　行面形成斜交角有关。同时曲梁两侧凹凸面的差异，　造成梁体混凝土凹面开裂比凸面早，后期裂缝扩展也　相对较宽较长。　３．２荷载一跨中截面挠度　直梁、曲梁破坏试验跨中荷载一挠度曲线见图６。　从试验结果看，在梁体开裂前及重裂前的低荷载　阶段，梁体跨中截面混凝土应力、挠度均随荷载增加呈　线性变化，且回零良好。继续加载，截面弯矩增大，当　跨中弯矩超过开裂弯矩后，在梁体最薄弱截面出现可　见裂缝。裂缝截面受拉区混凝土退出工作，截面刚度　降低，挠度增大明显，荷载一挠度曲线上出现第一个拐　点。继续增大荷载，挠度成比例增长，截面上出现第二　批裂缝，但对刚度影响不是很显著，荷载一挠度曲线仍　近似为直线，构件处于开裂弹性阶段。当荷载增大至　某一数值时，下部钢筋屈服，荷载一挠度曲线出现第二　个拐点。最后由于上缘混凝土最外边纤维应变超过其　极限压应变而被局部压碎。　图６跨中荷载一挠度变化曲线　３．３静载开裂、重裂和破坏试验荷载　梁体开裂、重裂及破坏试验荷载实测值及相应的　抗裂安全系数、有效预应力和强度安全系数如表３所　示。试验结果表明，梁体实际抗裂安全系数、有效预应　力和强度安全系数均满足设计要求。　表３开裂、重裂及破坏试验结果　４　结语　由上面ＰＣ直、曲梁梁体试验结果可以得到以下　几点结论：　１）梁体在３００万次疲劳加载过程中，同一荷载水　平下梁体挠度随荷载重复次数的增加而增大，梁体基　频等动力特性则随荷载重复次数增加而减小。但这些　变化均在５０～１００万次疲劳加载后趋于稳定，梁体混　凝土应力随疲劳次数增加的变化规律则不明显；　２）最大疲劳荷载等级作用下的受压区？昆凝土应力　幅较低，通常不会发生疲劳破坏；　３）在设计荷载作用下，梁体抗裂性、有效预应力及　强度安全系数均能满足设计要求。　参　考　文　献　［１］雷慧锋，刘永锋．跨座式轨道交通建设中的关键技术［Ｊ］．铁　道标准设计，２００１，２１（１）：ｌ一４．　［２］谌润水，胡钊芳．公路桥梁荷载试验［Ｍ］．北京：人民交通出　版社，２００３．　［３］牛斌，李新民，马林．京山线沙河特大桥预应力混凝土梁提　速加固设计研究［Ｊ］．中国铁道科学，２００４，２５（６）：６５—６９．　［４］重庆市跨座式单轨交通系统Ｐｃ梁静载、疲劳、破坏及解剖　试验研究报告［Ｒ］．成都：西南交通大学结构工程试验中心，　２０００．　（责任审编　赵其文）