单箱双室箱梁静载试验研究

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  摘要文章以成绵乐铁路眉山制梁场整孔箱梁静载试验为基础,对单箱双室箱梁静载弯曲试验进行了阐述,重点对箱梁静载试验条件、所需仪器设备、加载形式、计算、加载方法、试验结果分析判定进行了描述,为今后类似箱梁的静载试验起到借鉴作用。
  关键词箱梁静载试验研究
  中图分类号:C33 文献标识码:A 文章编号:
  1前言
  桥梁静载弯曲试验是检测桥梁结构性能的重要手段,也是检验梁体抗裂性及刚度的常规方法。铁路预制箱梁作为国家实施生产许可制度的重要工业产品之一,具有长寿命、高耐久、不易更换的特殊性能,对其结构性能要求100%合格。为最大限度保证预制箱梁结构性能达到100%合格的要求,施工时必须对简支梁进行静载试验。静载试验就是通过对桥梁结构物直接加载后进行有关测试、记录与分析工作,包括试验准备、理论计算、现场试验,对试验结果分析整理等一系列内容,以达到了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态,进而评定桥梁结构施工质量和使用状况,为竣工验收和深入探索提供科。
  单箱双室预制箱梁,其结构为大圆弧翼缘板、大斜腹板,比单箱单室整孔箱梁截面尺寸更小,具有经济适用的特点。单箱双室预制箱梁的静载试验则比既有客专单箱单室整孔箱梁更加烦琐。
  2工程概况
  中铁五局六公司眉山制梁场设在眉山市松江镇五里村,中心里程位于新建铁路成都至绵阳至乐山客运专线线路里程DK250+310左侧空地,主要承担成绵乐CMLZQ-7标DK232+500~DK264+900管段内771孔箱梁(其中32m梁710孔,24m梁61孔)的预制任务。
  采用图号: 成绵乐客专施图2224A – Ⅱ ( 31 . 5 m双线 线间距 4 . 8 m)、成绵乐客专施图2224A –Ⅴ( 23 . 5 m双线 线间距 4 . 8 m )。截面类型为单箱双室,梁端顶板、底板及腹板局部向内侧加厚。该粱全长32.6m或24.6m,跨度为31.5m或23.5m,横桥向支座 中心距为 5.6m,箱梁中心梁高为2.53m,线路中心线梁高为2.55m,挡碴墙根部内侧净宽8.6m,顶板宽度为11.8 m,桥面设“V”形排水坡 ;箱梁底板宽度为6.5m,梁端设端隔墙,梁体截面轮廓如图 1 所示。
  
  3试验条件及仪器、设备
  3.1试验条件
  3.1.1简支梁在下列情况下应进行静载弯曲抗裂性试验:
  3.1.1.1 采用新结构、新材料、新工艺进行试生产时。
  3.1.1.2生产条件有较大变动时。
  3.1.1.3 出现影响承载能力的缺陷时。
  3.1.1.4入库技术资料不全,或对资料发生怀疑时。
  3.1.1.5正常生产条件下,同类别、同跨度桥梁60件或连续三个月产量(三个月产量
  不足60件时)计一批,每批抽检1件。
  3.1.1.6产品质量认证时,应对不同类别的简支梁各抽检一件。
  3.1.2简支梁静载试验在梁体全部预应力完成30天后进行(不足30天时应由设计方检算确定)。以使试验时外加荷载在跨中最下层预应力钢绞线中所产生的最大应力不超过弹性极限。
  3.2试验设备、仪器
  试验时需具有试验台座、加力架、千斤顶、油泵、标准油压表、或压力传感器等加力设备和计量仪器,其工作能力控制在1.5~2.5倍最大试验荷载之间。
  3.2.1试验台座
  静载试验台座采用钢筋混凝土台座,基础采用C25水下混凝土灌注桩,承台、系梁采用C30混凝土,钢筋全部采用Ⅱ级钢筋,静载试验台座施工图见图2。
  
  
  3.2.2 反力架一套
  加载采用北京东风世景模板有限公司通州分公司生产的半箱型自平衡式静载试验架,其基本原理是由加载千斤顶产生的荷载作用在试验梁顶和试验架加载横粱上,通过试验架承载钢箱梁、拉杆和下横梁传至盆式支座上,实现自平衡。自平衡式静载试验架主要由箱式梁、主桁梁、连接角钢、上横梁、下横梁、千斤顶梁、耳板和销轴组成,详见图3:静载试验反力架加载图。
  
  3.2.3 200吨千斤顶17套(2套备用)
  千斤顶和油表配套校验和使用,校正方法应采用千斤顶顶压压力传感器的标定方式,其活塞的外露量应约等于试验最大荷载式的外露量;各级荷载下应以压力表的表盘整读数对应压力传感器显示器的读数;配套标定数据进行线性回归(Y=Ax+b),线形回归相关系数r不小于0.999,并根据加载等级计算各级荷载下的油压表表示值。千斤顶的校正系数不得大于1.05,所使用的千斤顶工作能力,控制在1.5~2.5倍最大试验荷载之间。
  压力表采用防振型,其精度等级不低于0.4级,表盘最大刻度为40MPa。最小刻度值不大于0.2MPa,表盘量程在工作最大油压的1.25~2.0倍之间;压力表分级标定,级差不大于加载最大值的10%,加載速度不大于3kN/s,标定的最大荷载不小于加载最大值的1.1倍,且持荷10min,且分十级进行标定。
  压力传感器的精度应不低于C级,显示仪表最小分度值不大于加载最大量值的1%,示值误差为±1%F·S。
  3.2.4百分表6个
  挠度测量采用大量程百分表,百分表的最小分度值不大于0.05mm。
  3.2.5 放大镜2个、刻度放大镜2个
  用于观察裂缝的普通放大镜放大倍数不低于10倍,直径不小于50mm;测量裂缝宽度应使用刻度放大镜,其放大倍数不低于10倍,最小分度值不大于0.02mm。
  3.2.6 50m检定钢尺1把
  钢尺编号4369,测量跨度用,其最小分度值不大于1mm。
  3.2.7测力计1个
  采用弹簧式拉力测力计,最小分度值不大于2% F·S,示值误差为±1%F·S。
  3.2.8 红蓝铅笔5支
  试验所用的计量设备、仪器、仪表、钢卷尺、百分表等均需经法定计量检定部门检定合格,且在有效期内使用。测量跨度的钢尺应经悬空检定。
  4 加载图式
  成绵乐铁路32m单箱双室简支梁跨中弯曲静载试验采用5排加载方式加载,每排间距4m,每排采用3点加载,加载点作用于箱梁腹板顶面中心,加载图式见图4。
  
  5 试验梁安装及实验前的准备
  5.1桥梁支座
  梁体静载试验所用支座要与设计相符,一端为固定支座、横向活动支座,一端为多向活动支座、纵向活动支座。梁两端支座的相对高差高差不大于10mm,同一支座两侧高差不应大于2mm,支座安装后的实测梁跨度应符合标准要求,支座安装示意图见图5。
  
  
  
  
  5.2准备工作
  静载试验梁吊入试验台座对中后,在梁顶面标出梁体腹板中心线作为梁体的加载中心线,并根据加载点的布置标出加载点位置。在每个加载点铺设砂作为垫层并垫平,上铺盖钢板,用水平尺检查水平后,再安放千斤顶。
  各千斤顶中心与梁顶加载中心纵横向位置偏差不大于10mm;各千斤顶中心与反力架横梁中心纵横向偏差不大于10mm,且应垫实两者之间的空隙。
  试验梁加载前将梁体表面清理干净,特别是梁体下翼缘,必要时以清水洗净,然后用放大镜对梁体外表进行检查,加载前用10倍放大镜在梁体跨中两侧l/2跨度范围内的下缘和梁底面进行外观检查;对初始裂缝(表面收缩裂缝和表面损伤裂缝)及局部缺陷用蓝色铅笔在梁体上详细描出。
  梁体挠度测量部位在支座中心、跨中两侧,测量挠度的支架应牢固、穩定,且不受加载时试验台座的变形而受影响。
  6 静载试验计算单
  以眉山制梁场生产的WLMS-31.5Z-032梁为列进行计算。
  6.1 WLMS-31.5Z-032箱梁预制资料见表1
  表1:WLMS-31.5Z-032箱梁预制资料表
  
  
  6.2静载试验参数见表2
  表2:WLMS-31.5Z-032静载试验参数表
  
  
  6.3.1加载图式如图6
  
  6.3.2根据加载图式计算α值
  跨中弯矩M为:M=R×L/2-∑PiXi=82.125P=P
  得α=82.125
  式中:R=支点反力(KN)L=计算跨度(m)α=等效力臂(m)
  Pi=各加载点所施加的荷载(KN) Xi=各加载点至跨中的距离(m)
  6.3.3计算未完成的预应力损失值△σs
  △σs=(1-η1)σL6+(1-η2)σL5=(1-0.421)107.7+(1-0.9605)28.5=63.484MPa
  式中:σL6、σL5=混凝土收缩徐变与钢绞线松弛应力损失值(MPa)
   η1、η2=收缩徐变与松弛完成率,用内插法计算得η1=0.421;η2=0.9605
   △σs=未完成的预应力损失值(MPa)
  6.3.4计算未完成的预应力损失值△Ms
  △Ms =△σs×Ay×(W0/A0+e0)×103
  =63.484×0.03528×(4.246/7.317+1.327)×103=4271.75KN·m
  式中:△Ms=未完成的预应力损失的补偿弯矩(KN·m)
  △σs=未完成的预应力损失值(MPa) Ay=跨中截面预应力钢筋面积
  W0=对跨中截面下缘换算截面抵抗矩(对后张梁为扣孔换算截面抵抗矩)(m3)
  A0=跨中截面换算截面面积(对后张梁为扣孔换算面积)(m2)
  e0=跨中截面预应力合力中心至换算截面重心距离(对后张梁为扣孔换算截面)(m)
  6.3.5计算加载设备对跨中产生的弯矩Ms
  每个加载点重量=2.1395KN(其中油顶1.6 KN,钢板0.3925KN,砂0.147KN)
  则=2.1395×α=2.1395×82.125= KN·m
  6.3.6计算基数级下跨中弯矩Mka
  Mka=Md+△Ms- =16104+4271.75-175.71=20200.04 KN·m
  式中:Mka =基数级下跨中弯矩(KN·m) Md= 二期恒载质量对跨中弯矩(KN·m)
  Ms=加载设备质量对跨中弯矩(KN·m)
  6.3.7计算静活载级下跨中弯矩
  Mkb=Mh/(1+μ)+ Mka=24095/1.127+20200.04=41579.81 KN·m
  式中:
  Mkb=静活载级下跨中弯矩(KN·m) (1+μ)=动力系数
  6.3.8计算各加载级下跨中弯矩
  Mk=K(Mz+Md+)+△Ms-Mz-Ms
  式中:
  K=加载等级 Mz=梁体质量对跨中弯矩(KN·m)
  Mh=活载对跨中弯矩(KN·m)
  6.3.9计算各加载等级下的加载值Pk(KN)
  Pk= Mk/α
  各级加载的弯矩值和荷载值见表3:
  表3:WLMS-31.5Z-032各级加载的弯矩值和荷载值对应表
  
  
  7 加载方法
  静载试验加载分两个循环进行。以加载系数K表示加载等级,加载系数K是加载试验中梁体跨中承受的弯矩与设计弯矩之比。试验准备工作结束后梁体承受的荷载状态为初始状态;基数级下梁体跨中承受的弯矩指梁体质量与二期恒载质量对跨中弯矩之和。
  试验梁的加载分 2个循环进行,试验梁静载弯曲试验的加载流程如下:
  
  
  各千斤顶应同速、同步达到同一荷载值,加载速度不宜超过3kN/s。每次分级加载后,持荷时间为3~5分钟。第一阶段1.0级和第二阶段1.20级均应持荷20分钟。加载和卸载均不得过快,以每秒钟不超过0.1MPa油压为度,并且加载和卸载率不大于3kN/s为度。
  8 试验结果
  8.1跨中挠度(梁体刚度)
  在对WLMS-31.5Z-032进行静载试验过程中,第一循环加载荷载和实测挠度值对应值见表4,荷载与挠度的线性关系见图 7,第二循环加载荷载和实测挠度值对应值见表5,荷载与挠度的线性关系见图 8。
  表4:第一循环加载荷载和实测挠度对应表
  
  
  表5:第二循环加载荷载和实测挠度对应表
  
  
  实测结果表明:
  8.2.1.1试验加载过程中,从基数级开始,荷载与挠度保持了较好的线性关系,线性相关系数大于0.9999,说明梁体处于弹性工作状态。
  8.2.1.2第一、第二加载循环跨中静活载挠度分别为7.1mm、7.02mm,挠跨比分别为1/4418、1/4487,相应设计值为 1/3646,说明试验箱梁的静活载挠跨比(梁体刚度)满足设计要求。
  8.2梁体预应力度
  WLMS-31.5Z-032梁体在K=1.20加载等级下持荷20min,梁体下翼缘底面未发现受力裂缝(包括倒角、圆弧过渡段),梁体抗裂性(预应力度)满足设计要求.
  
  参考文献:
  【1】中华人民共和国铁道部 TB/T2092-2003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北京:中国铁道出版社 2004
  【2】中铁第四勘察设计院集团有限公司 成绵乐成绵乐铁路预制后张法32m简支箱梁(通桥(2008)2224A-Ⅳ局部修改图 )静载试验加载说明武汉2010
  【3】北京东风世景模板有限公司通州分公司静载试验架组装图及说明书2010
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