预应力混凝土节段预制胶接拼装简支箱梁静载试验研究

汪新凯

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610036）

0 引言

装配式桥梁在铁路工程建设中的应用比例逐年增加，是混凝土桥梁工业化的发展方向。节段预制胶接拼装简支箱梁是梁部装配式的一种重要形式，相较于整孔预制架设箱梁，具有节段运输方便、节省成本、操作更安全等特点。

节段预制胶接拼装简支箱梁按照拼装工艺可分为湿接法和胶（干）接法。湿接法是指所有预制节段吊装就位后，通过在接缝处现浇混凝土，连接相邻节段，在现浇段内有相互连接的钢筋，该方法已在铁路工程中得到较广泛的应用。胶接法是指预制节段吊至桥位后，按照顺序通过剪力键、黏接胶和临时预应力将所有节段黏连在一起，再张拉永久预应力成为整体。胶接法在铁路工程中的应用较少，因此缺乏系统性的研究，行业内缺少成熟的设计、施工以及静载弯曲试验的技术标准。

以孟加拉国某铁路项目38m 节段预制胶接拼装简支箱梁（简称节段梁）为例，在总结国内外研究现状的基础上，通过实桥静载弯曲试验的方法，研究节段梁的抗弯、抗裂性能以及弯曲静载试验中需特别注意的事项，为后续类似工程提供参考。

1 试验节段梁概况

该项目为单线客货共线铁路，设计速度客车120km/h、货车80km/h，设计活载为印度25t Loading-2008 轴重活载，梁体采用预应力混凝土节段预制胶接拼装简支箱梁，采用短线法预制施工，不允许出现拉应力，且要求抗裂系数不低于1.2[1]。简支箱梁梁长37.88m，计算跨度为36.38m，采用单箱单室直腹板箱梁形式，纵向划分12 个节段，箱梁顶板宽8.45m，底板宽4.8m，梁高2.4m[2]。简支箱梁采用M50 钢筋混凝土，钢筋采用Fe500D 钢筋，钢绞线采用高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpu=1860MPa。

2 弯曲静载试验方法

2.1 节段梁静载试验的特点

目前，国内铁路桥梁静载试验执行规范为《简支梁试验方法预应力混凝土梁静载弯曲试验》（TB/T 2092—2018），该规范适用范围为：标准轨距设计、厂（场）制预应力混凝土简支梁的质量检验，其他类型预应力混凝土简支梁可参照使用[3]。

该项目梁体采用预应力混凝土节段预制胶接拼装简支箱梁的结构形式，与上述试验规范中适用范围的简支梁存在以下区别：

第一，该项目轨距为1676mm，非标准轨距，活载采用印度25t Loading—2008 轴重，非附录所列的标准活载，超出规范限定范围。

第二，非标准活载不可采用规范附录A 中的“等效荷载加载挠度修正系数Ψ”，应另行计算[4]。

第三，由于在胶接缝附近钢筋不连续，试验加载位置、步骤和标准可能不同。

第四，节段梁无法直接采用规范附录C 中的“预应力混凝土静载弯曲试验加载计算”计算加载值，需另行计算。

目前，国内尚无节段梁静载试验案例，上述规范的适应性虽有待研究，但可参照使用。

2.2 试验设计

由于上述原因，该箱梁弯曲静载试验的加载点、加载值以及相关修正系数需另行计算。由于轨道板等二期恒载尚未施工，因此试验梁使用裸梁进行加载试验[5]。

由于试验梁为节段拼装梁，规范规定的加载点部分落在拼接缝位置，直接施加集中力可能导致拼接缝处存在风险，因此将加载点设置在各节段中间位置，共计10 个；同时考虑结构安全，横向加载在腹板上方。加载情况如图1 所示。

图1 纵桥向等效集中力位置（单位：mm）

2.3 参数计算

2.3.1 等效力臂α

式（1）中：L为计算跨度（m）；M为跨中弯矩（kN·m）；R为支点反力（kN）；Xi为各加载点至跨中的距离（m）；n为加载截面个数。

得：α=M/P=100.65

2.3.2 预应力损失完成率

根据梁体终张日期至加载日期的天数，根据插值法计算混凝土收缩徐变的预应力损失σL6完成率：η1=0.43；钢筋松弛应力损失σL5完成率：η2=1.00。

2.3.3 各级加载弯矩和单个加载点数值计算

该箱梁弯矩静载试验采用锚桩+分配梁+千斤顶的传力形式，每个加载点设备的质量为Ps=109（kg），每一级加载千斤顶的标定值均应考虑加载设备质量的影响。考虑未铺设防水层和剪力滞效应的影响，根据下列公式进行计算：

式（2）～（3）中：ΔMs为未完成的预应力损失的补偿弯矩（kN·m）；Δσs为未完成的预应力损失值（MPa）；Ap为跨中截面预应力钢筋截面面积（m2）；W0为跨中截面下缘换算截面抵抗矩（m3）；A0为对跨中截面换算截面面积（m2）；e0为跨中截面预应力合力中心只换算截面重心距离（m）；Mk为各加载级下跨中弯矩（kN·m）；λq为跨中截面均布荷载剪力滞系数；λp为跨中截面集中荷载剪力滞系数的比值；K为加载等级；Mz为梁体质量对跨中弯矩（kN·m）；Md为二期恒载质量对跨中弯矩（kN·m）；Mh为活载对跨中弯矩（kN·m）；Mf为防水层质量对跨中弯矩（kN·m）；Ms为加载设备质量对跨中弯矩（kN·m）。

计算可得各级加载弯矩和单个加载点数值。箱梁静载试验在桥位进行，梁体仍作运营使用，考虑混凝土梁在运营使用中的结构安全性，该试验最高加载至1.05 级。

2.4 试验设备和方法

静载试验的加载系统以钢管桩为地锚，为加载提供抗拔力，再通过横梁、分配梁、吊杆和千斤顶将外力传递至梁体。观测仪器设备有千斤顶、油表、百分表等。

梁体挠度测点布置在跨中和支座两侧，挠度基准梁需独立设置，避免受到其他干扰，共布置3 个监测断面、6 个挠度观测点。

在以跨中截面为中心的纵向两侧2.4m 范围的箱梁底部布置应力测点。为加强观测，获得更多关键数据，在跨中3 条拼缝处跨缝安装应变计，选取3 个预应力齿块位置安装应变计，共计安装33 个表面式振弦应变计。

静载试验前，用放大镜对箱梁跨中底面和两侧下缘进行外观初检，记录和标记梁体初始裂缝及局部缺陷。在试验过程中，每级加载后，仔细检查梁体跨中底面和两侧下缘是否出现裂缝。如出现新裂缝或初始裂缝延伸，应记录和标记荷载等级、裂缝宽度和长度。

静载试验的最大加载级为1.05 级，采用2 次循环加载，节段箱梁静载试验加载程序如表1 所示。

表1 节段箱梁静载试验加载程序

3 试验数据分析与梁体评定

3.1 梁体刚度评定

梁体的实测挠度等于跨中截面的竖向位移量减去支座沉降量，实测挠度与计算挠度比较见表2。

表2 节段箱梁实测挠度与计算挠度比较

由表2 可知，第一循环静活载级挠度与基数级挠度之差fkb-fka=14.88mm-5.69mm=9.19mm；第二循环静活载级挠度与基数级挠度之差fkb-fka=15.45mm-5.38mm=10.07mm；理论计算静活载级挠度与基数级挠度之差为23.6mm-10.3mm=13.3mm。两次循环挠度基本一致，表明箱梁仍处于弹性阶段，且两次循环的静活载挠度均小于设计值Ψ，梁体刚度评定合格。

3.2 梁体抗裂评定

在1.05 级最大等效荷载持荷20min 下，梁底实测的压应力减小值最大为7.9MPa，小于理论计算的9.69MPa；预应力齿块附近未发生崩裂现象，齿块实测的压应力减小值最大为4.3MPa，小于理论计算的6.94MPa。在各加载等级下，实测的最大应力值均小于理论计算值，箱梁在工作荷载作用下全截面受压、无拉应力，满足设计要求。

试验前，用放大镜在梁体底面和两侧下缘的8～12m 范围内进行外观初检，未发现裂缝；在最大1.05级荷载持荷20min 下，在梁体底面、底部倒角未发现受力裂缝，因此判定梁体抗裂评定合格。

对于不允许出现拉应力的预应力梁，梁体竖向刚度和抗裂性均合格，因此可判定该节段箱梁静载弯曲试验合格。

4 结论

其一，试验节段箱梁两次循环挠度基本一致，说明箱梁处于弹性阶段，两次循环的静活载挠度均小于设计值Ψ，说明梁体刚度评定合格。

其二，试验节段箱梁在最大1.05 级荷载持荷20min 下，全截面受压、无拉应力，在梁体底面、底部倒角未发现受力裂缝，说明梁体抗裂评定合格。

其三，考虑干胶接缝一定范围的钢筋不连续，建议纵向加载点布置尽量避开接缝，同时应根据等效原理，重新计算试验相关参数。

其四，当实际情况与现行规范规定的轨距、活载、梁体计算跨度不同时，亦建议根据等效原理，重新计算试验相关参数。