循环荷载作用下预应力混凝土U型梁纵向裂缝试验研究

高珊 袁磊 李文渊 高晗

摘 要：为了研究预应力钢筋混凝土U型梁行车道板处纵向裂缝对结构安全的影响，选择实际工程项目中标准梁段的一个节段进行循环加载试验.通过对试验梁节段进行1 000万次的循环加载，分析了预应力混凝土U型梁行车道板纵向裂缝的发展及变化规律，并通过一定重复荷载作用后的静力试验研究了裂缝发展对结构安全的影响.结果表明，在整个循环加载过程中，结构位移、混凝土和钢筋的应变及行车道板的纵向裂缝均随着荷载循环次数的增加而增加，且前300万次循环加载变化较大，后期逐渐趋于平稳；钢筋的应力幅值较低，不会产生疲劳破坏；U型梁行车道板的寿命主要受纵向裂缝控制.

关键词：城市桥梁；纵向裂缝；U型梁；循环荷载

中图分类号：U446.1

文献标志码：A

0 前 言

U型梁是在槽型梁的基础上发展而来的一种下承式薄壁式桥梁结构，相比传统的轨道交通采用的箱梁及T梁而言，具有建筑高度低、断面利用率高、降低噪声效果好、美观和防止车辆脱轨后冲出桥梁等优点，适用于铁路桥、公路桥及城市高架桥，目前更是作为主要结构形式被广泛应用于轨道交通中.

预应力混凝土U型梁的主梁腹板作为主要受力构件，既作隔音墙，又可防止车辆倾覆，其工况复杂，施工繁琐.预应力混凝土U型梁构造独特，受力行为与传统混凝土梁桥不同，除了承受静载作用外，还要经常承受地铁等车辆的反复荷载作用，荷载重复次数多、速度快，会导致结构在远小于静载强度的情况下发生脆性破坏，即疲劳破坏.因此，对于该种类型的结构设计，必须考虑结构构件的疲劳强度问题.

目前，国内外学者对U型梁的结构特点及静载下的受力性能进行了一定的研究［1-5］，但针对U型梁动力及疲劳性能等方面的研究较少.因此，为确保结构的承载安全，防止由于U型梁疲劳开裂降低梁体和行车道板的刚度与承载力，影响行车安全，有必要对预应力混凝土U型梁行车道板纵向疲劳裂缝扩展问题进行深入系统地研究.本研究以国内某城市地铁30 m预应力混凝土U型梁为背景，通过选择标准梁段的一个节段进行重复荷载下的疲劳试验，研究重复荷载作用下预应力混凝土U型梁行车道板纵向裂缝的发展变化及对结构安全的影响.

1 试验梁简介及试验方案

试验梁为某城市轨道交通30 m预应力混凝土U型简支梁，梁高180 cm，底板厚度为26 cm，内侧腹板采用弯弧形等厚度腹板，外侧为上部外鼓的弯弧形变厚度腹板.单梁重约为182 t，采用整孔吊装施工，后张法施加预应力.根据现有疲劳试验机的加载能力及裂缝产生的部位，本研究截取了单梁跨中标准截面的一段作为试验研究对象，梁体截面如图1所示.

梁体采用C55混凝土，混凝土弹性模量为3.57×104 MPa，立方体抗压强度为56.3 MPa，抗拉强度为1 860 MPa的高强低松弛钢绞线，普通钢筋采用HRB335，真空压浆技术.根据构造和应力等效原则，确定了纵向施加的预应力束的大小及位置.

在列车等活载的反复作用下，U型梁行车道板下缘产生的横向拉应力不断增大，当横向拉应力大于混凝土的抗拉强度时，便会在U型梁下缘产生纵向裂缝.因此，首先需确定等效初始荷载，使得试验梁在初始荷载及预制节段梁自重和预应力共同作用下，行车道板底缘横向拉应力与30 m全梁在自重、预应力及二期恒载作用下产生的横向拉应力相等；其次，根据30 m全梁在常遇荷载作用下行车道板横向产生的应力幅，确定出模型梁的荷载幅值，使得模型梁在此荷载幅的作用下产生与全梁相同的横向应力.

根据以上原则，计算确定试验梁的等效荷载，并对其进行重复加载，观察预应力混凝土U型梁行车道板纵向裂缝的发展变化，并通过一定重复荷载作用后的静力试验，研究裂缝发展对结构安全的影响.

2 加载装置及测点布置

2.1 加载装置

本研究采用MTS液压伺服疲劳试验机，最大加载吨位1 000 kN，最大频率为10 Hz.试验梁为简支，通过分配梁在轨道纵梁上进行两点加载，加载装置如图2所示.

由于该试验梁所在工程尚处于施工阶段，无法用实测法编制荷载谱，故本研究参照国内有关类似尺寸U型梁疲劳试验［6-7］，根据其工程段行车组织及客流量预测数据得到的交通荷载谱，采用Miner线性累计损伤法换算等效试验疲劳荷载谱，参考其疲劳荷载上下限的设计值，同时考虑本研究加载设备的稳定性，最终确定该试验疲劳荷载下限为25 kN，上限为240 kN，采用常幅正弦波加载.U型梁钢筋及混凝土的縱横向应变采用电阻应变片及应变计进行测试.梁体各向变形采用位移计进行测试.

2.2 测点布置

2.2.1 应力测点布置

为了测量行车道板在荷载作用下的应力变化，监测U型梁行车道板裂缝的开展情况，在试验梁行车道板底部布设多个应变测点.其中，有7个纵向应变测点（见图3），26个横向应变测点（见图4）.在U型梁行车道板的下层钢筋中布置7个纵向钢筋应变测点（见图5）.在U型梁行车道板的横向钢筋处布置12个横向应变测点（见图6）.

2.2.2 位移测点布置

试验梁共布置位移测点9个.其中，在U型试验梁行车道板跨中底部布置5个竖向位移测点；在U型梁行车道板横断面处布置2个轴向位移测点；在U型梁左右腹板顶部各布置1个横向位移测点.U型试验梁位移测点布置如图7所示.

在进行正式疲劳试验之前，用MTS液压伺服系统对试验梁进行70%设计荷载的预加载，以消除非弹性影响.

3 结果与分析

U型试验梁共经历了1 000万次循环反复加载.循环加载过程中结构的动态响应如图8与图9所示.为了获得U型梁在承受一定次数循环荷载作用后的结构响应，试验分别在U型梁经历200万次、400万次、600万次、800万次和1 000万次循环加载后，停机对试验梁进行静载试验，以观测U型梁位移、应变测点及梁体裂缝发展情况对结构承载能力和使用安全的影响.

3.1 应变测试

随着荷载循环次数的增加，U型试验梁的纵横向应变均有所增加，梁体的纵横向刚度有所下降.各应变测点的应变随荷载的增加呈线性增长，表明U型试驗梁在荷载作用下处于线弹性工作状态.图10为跨中结构中心线处钢筋横向应变测点SST9在不同循环次数下的荷载应变图.

由图10可知，相同荷载作用下，初始加载至200万次循环加载之前钢筋的横向应变增幅较大，200万次后至1 000万次循环加载时，钢筋的横向应变增量非常小.表明在200万次循环加载后，混凝土已开裂至钢筋处，U型梁行车道板底板部分受拉区混凝土退出工作；200万次至1 000万次循环加载过程中，U型梁结构处于带裂缝工作状态，裂缝开展缓慢，未对结构再次造成较为严重的损伤.

图11给出了U型试验梁跨中结构中心线及道路中心线附近钢筋测点的静应力幅.从图中可以看出，与初始加载时相比，3个测点的钢筋静应力幅均有增大.结构中心线处的钢筋应力幅比道路中心线处钢筋的应力幅要大.结构中心线处测点SST9处的钢筋应力幅最大，平均应力幅为26.5 MPa.在200万次循环加载后，测点钢筋应力幅均出现明显增幅，200万次至1 000万次循环加载过程中，钢筋应力幅增幅不大.

3.2 位移测试

U型梁在竖向荷载作用下，试验梁的梁体发生竖向变形.其中，U型梁行车道板跨中截面道路中心线处DV3测点的竖向位移最大.在各级循环加载后的最大静载作用下，选取在有代表性的200万次、600万次和1 000万次循环加载后的最大静载作用下，对U型梁行车道板跨中截面中心线处DV3测点的竖向位移进行对比分析，测点DV3在不同循环次数下荷载位移如图12所示.

从跨中截面道路中心线DV3测点在不同循环次数下荷载位移图可以看出，试验梁在初始、200万次和600万次加载的荷载位移曲线差别较大，而600万次与1 000万次加载的荷载位移曲线却十分接近.在加载初期，加载至50 kN时，不同循环次数下的荷载位移区别不大，初始加载时竖向位移为0.34 mm，200万次时为0.37 mm，600万次时为0.32 mm，1 000万次时为0.32 mm.随着荷载的增加，不同循环次数下的荷载位移逐渐发生偏离，当加载至225 kN时，初始加载时竖向位移为1.55 mm，200万次时为1.67 mm，600万次时为1.88 mm，1 000万次时为1.89 mm.说明随着疲劳循环次数的增加，跨中截面道路中心线处测点的竖向挠度逐渐增加，表明试验梁的整体刚度有所衰减.同一荷载作用下，前600万次循环加载的位移变化较大，600万次时的位移比初始加载位移增加了21%，而600万次以后变化非常小.说明试验梁结构在前600万次循环加载产生裂缝并扩展后，600万次到1 000万次结构处于带裂缝工作状态，而裂缝几乎没有发展，未对结构造成进一步损伤，试验梁整体刚度也没有进一步退化，这与应变测试结果反映的情况基本一致.

3.3 裂缝测试

在U型试验梁不同次数的循环加载过程中，不断地通过肉眼及裂缝宽度检测仪对试验梁梁体裂缝的发展情况进行观测，同时结合混凝土应变测量值的实时监测来观测裂缝的产生、发展及裂缝宽度.

0～20万次循环加载过程中，U型试验梁未发现肉眼可见的裂缝.大约20万次循环加载后，在U型梁桥面板底板中心线与加载中心线之间，出现2条长度约30 cm的纵向裂缝；100万次循环加载后，U型梁桥面板底板共产生22条纵向裂缝；200万次循环加载后，U型梁桥面板底板新增纵向裂缝14条；400万次循环加载后，U型梁桥面板底板新增纵向裂缝14条，其中仅有2条裂缝出现在300万次循环加载之后；600万次循环加载后，U型梁桥面板底板新增纵向裂缝3条；1 000万次循环加载后，U型梁桥面板底板无新增纵向裂缝.截止1 000万次循环加载结束时，共发现纵向裂缝53条，主要分布在U型梁底板跨中至两加载位置之间.各级循环加载后U型梁桥面板底板裂缝分布情况如图13所示.各级循环加载所产生裂缝比例示意图如图14所示.

综合U型梁桥面板底板裂缝开展情况可以看出，梁体裂缝主要集中出现在200万次循环加载之前，200万次循环加载之后主要是裂缝的扩展和延伸，通过对位移和应力应变的监测情况来看，这种裂缝的扩展和延伸对结构造成的损伤不显著.前200万次循环加载生裂缝36条，占裂缝总数的67.93%；300万次循环加载以后仅新增5条裂缝.同时也印证了200万次循环加载以后应变曲线变化不大，以及600万次循环加载以后位移变化不大的事实.

4 结 论

本研究通过对实际工程项目中U型梁的1个节段进行循环反复加载试验，研究了循环荷载作用下，预应力混凝土U型梁行车道板的受力特点和裂缝发展及变化规律，可以得到以下结论：

1）随着荷载循环次数的增加，在相同荷载作用下U型试验梁的混凝土与钢筋的应变及试验梁的位移均有所增加，表明试验梁在循环荷载作用下，出现疲劳损伤累积，梁体的刚度有所下降.该系列变化在循环加载前期（200万次循环加载之前）表现比较明显，循环加载后期逐渐平稳.

2）在循环荷载反复作用下，U型梁行车道板底板的裂缝均为纵向短裂缝.90%以上的纵向裂缝出现在循环加载前期即300万次循环加载之前，循环加载后期裂缝发展非常缓慢.

3）在循环荷载反复作用下，U型梁行车道板钢筋的应力幅比较小，不会产生疲劳破坏，U型梁行车道板的寿命主要受纵向裂缝控制.

参考文献：

［1］Zhang J F， Jing Y， Li P D，et al.Experimental and Numerical Investigation on the Ultimate Vertical Bearing Capacity of U-Shaped Girder with Damaged Web［J］.Sensors，2019，19（17）：3735-1-3735-20.

［2］Xu J C，Chen S G ，Guo Q Q，et al.Experimental and analytical studies of U-shaped thin-walled RC beams under combined actions of torsion，flexure and shear［J］.Int J Concr Struct M，2018，12 （1）：1-17.

［3］馮仲仁，吕尔燕，郭蒙蒙.循环荷载作用下钢纤维混凝土梁疲劳试验研究［J］.中外公路，2020，40（5）：191-195.

［4］王起才，薛彦瑾，张戎令，等.高速铁路无砟轨道简支槽型梁静载弯曲试验研究［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2016，48（4）： 463-467.

［5］李强，王起才，张戎令，等.兰新二线全预应力混凝土槽型梁的静载试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2018，15（2）： 414-421.

［6］庄严.城市轨道交通U型梁静载试验研究［D］.成都：西南交通大学，2011.

［7］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，2011.

（实习编辑：姚运秀）

Abstract：

In order to study the influence of longitudinal crack on the safety of prestressed reinforced concrete u-beam deck， a section of a practical project was selected for cyclic load test.Through the method of 10 million times of cyclic loading on the test beam segment， the development and the variation law of longitudinal cracks of prestressed concrete U-beam deck were analyzed， and the influence of crack development on structural safety was studied through static test after certain cyclic loading.The results show that during the entire cyclic loading process， the structural displacement， the strain of the concrete and steel bars， and the longitudinal cracks of the deck increase with the number of load cycles.The change before 3 million cycles of loading is obvious but gradually stabilizes in the later stages; the stress amplitude of the steel bar is low， which will not cause fatigue damage; the life of the U-beam deck is mainly controlled by longitudinal cracks.

Key words：

municipal bridge; longitudinal crack; U-beam; cyclic load