高速铁路复杂箱形截面预应力混凝土梁疲劳性能试验研究.pdf
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1、第 3 3卷 第 3期 2 0 1 1年 6月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l 。Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V 0 1 3 3 No 3 J u n 2 0 1 1 高速铁路 复杂箱形截 面预 应力 混凝土梁疲劳性能试验研究 华建民 , 邹小波 , 王剑越 , 曾 晖 , 李正 良 , ( 重庆 大学 a 土木 7 - 程学院; b 山地城镇 建设与新技 术教 -g部重点 实验 室, 重庆 4 0 0 0 4 5 ) 摘
2、要 : 以武广 高铁 武汉站 3 6 m 跨复 杂箱形 截 面预 应 力混凝 土 简 支梁 为原 型 , 制作 4个 1 6缩尺 模 型 , 其 中 1个模 型加入 1 3 的 高分 子聚合 物胶乳 , 通过 静 力试 验和 疲 劳试 验 , 考察 了复杂 箱 梁在 正常使 用和超 过设 计值 的循 环荷 载作 用下 的疲 劳性 能 , 以及 聚合 物 对箱 梁 疲 劳性 能的 影响 。试 验 结 果表 明, 根 据运 营阶段 箱梁控制截 面底部 的最 大和 最 小应 力值确 定 的加 载 幅值 作 用下 , 2 0 0万次 加载后 表 明模 型的疲 劳寿命 满足要 求 , 并且 对后期 高幅
3、值加 载 下的疲 劳性 能 没有影 响 , 聚合 物 的加 入对模 型 的疲 劳性 能没有 负面影响 。 关键词 : 疲 劳 ; 复杂 箱梁 ; 缩 尺模 型 ; 聚合物 中图分 类号 : U4 4 8 1 3 文 献标志 码 : A 文章编 号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 0 8 0 5 Ex pe r i me n t a l An a l y s i s o f Be n d i n g F a t i g u e Be h a v i o r o f Pr e s t r e s s e d C o n c r e t e Gi r d
4、e r s wi t h Co mpl e x Bo x 。 _ t y pe S e c t i o n Us e d i n Hi g h - s p e e d Ra i l wa y HuA J i an mi n。 ,ZOU Xi a o b o。, WANG J i a n y u e。, CAO Hu i 。 ,LI Zh e n g 1 i a n g。 ( a S c h oo l o f Ci v i l En gi n ee r i n g;b Ke y La b or a t o r y o f Ne w Te c hn ol o gy f or Cons t r u
5、c t i on of Ci t i e s i n M ou nt ai n Ar e a of M i ni s t r y of Edu c a t i o n,Cho ng qi n g Un i v e r s i t y,Ch on gq i ng 40 0 04 5,PRChi na ) Ab s t r a c t :Ba s e d o n a p r e s t r e s s e d c o nc r e t e g i r d e r wi t h c o m p l e x b ox t y p e s e c t i on o f 3 6 m s pa nf o u
6、 r m o d e l s o f 1 6 s c a l e a r e ma d e , a n d o n e o f t h e m i s mi x e d wi t h a k i n d o f p o l y me r l a t e x E x p e r i me n t s wi t h mo n o t o ni c a l l y a nd c y c l i c a l l y l o a di ng a r e c a r r i e d o ut o n t h e mod e l s t o s t ud y b e nd i n g f a t i gu
7、e be ha v i or o f t he gi r d e r i n s e r v i c e a n d u nd e r c yc l i c l o a d e xc e e di ng t he d e s i gn e d v a l u e,a s we l l a s t h e i mp a c t o f p ol y me r o n f a t i gu e pe r f o r ma n c e o f t h e gi r de r Th e r e s u l t s s h ow t ha t ,un de r t h e c y c l i c l o
8、 a d o f v a l u e de t e r mi n e d b y t h e m a x i mu m a n d mi n i m u m s t r e s s a t t h e ke y pa r t o f t he g i r d e r i n s e r v i c e, t he f a t i gu e p e r f or ma n c e i s s a t i s f a c t or y a n d t he f a t i gu e b e h a v i o r u n de r a s u bs e q u e nt l a r ge r c
9、y c l i c l o a d i s s i m i l a r wi t h t ha t o ne u n de r t he s a me b i g c y c l i c l o a dBe s i de s,t he p o l y m e r h a s n o ne ga t i v e e f f e c t o n f a t i gu e b e h a v i o r o f t h e mod e 1 Ke y wo r d s:f a t i gu e;b o x t y pe g i r d e r wi t h c o mpl e x s e c t i
10、o n;r e du c e d s c a l e mo de l ;p o l yme r l a t e x 钢筋混 凝土构 件在循 环荷载作 用下 的疲 劳性 能 一 直是研 究 者关 注 的 问题 。各 国学 者 对 规 则 截 面 ( 矩形或者 T 形 ) 钢 筋 混 凝 土 梁 的疲 劳 性 能 做 了大 量 的试验研 究 。李 秀 芬等。 。 通 过 对 l l片混 凝 土 简 支梁 的静载 和等 幅疲 劳 荷 载试 验 , 分 析研 究 了受 弯 构件的疲劳特性, 得到了作为控制梁的疲劳承载能 力极 限状态 的 N 曲线 , 并 提 出 了高强 混凝 土受 弯 构件 在等 幅
11、疲 劳 荷 载作 用 下 正截 面 疲 劳设 计 方 法 。 罗许 国 2 、 宋旭 明 3 等 对 掺 有高 性 能粉 煤 灰 的混 凝 土铁路 桥梁和 粉煤灰 预应力 混凝土 梁在 重复 荷载 作 用下 的疲 劳性 能进行 了研 究 。李子 奇 4 、 童 谷生 5 、 吕宏奎 6 J 、 He f f e r n a n 、 I a r s o n I s 等对碳 纤维布增 收稿 日期 : 2 0 1 0】 1 O 2 作者简介 : 华建民( 1 9 7 4) , 男 , 博 士, 主要从事结构工程和施工技术研究 , ( E ma i l ) h j ml 9 1 1 6 3 c o m
12、。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 华建 民 , 等 : 高速铁路 复 杂箱形 截 面预 应 力混凝 土梁疲 劳性能试 验研 究 强 的钢 筋混凝 土 梁 的疲 劳 性 能进 行 了研 究 , 表 明碳 纤维布 可 以较 大 地提 高钢 筋 混凝 土 梁 的 疲 劳 性 能 。 孔宪途 j 、 吴云 泉u 。 。 在讨 论 混凝 土 疲 劳 寿命 概 率分 布的基 础上 , 进 行 了载 荷与 寿命关 系 的试 验研 究 , 得 到 了 P - S N 曲线 。 冯 秀峰 和宋玉 普 “ 。 奠 研 究了随 机 变幅疲劳 荷载下 预应力 混凝 土梁
13、的疲 劳寿 命疲 劳 和 疲 劳荷载作 用下 预应力 混凝土 梁 中钢筋 应 力 的重分 布 。R o l l e r 和 R u s s e l l 最 近进 行 了预 应 力 高 强 度 混凝 土 梁 的疲 劳 试验 。Ko n s t a n t i n o s等l 1 对 钢 纤 维布 增强 的混凝 土 构 件 的疲 劳 性 能进 行 了研 究 , 表 明钢纤 维布能 显著地 提高 混凝 土构件 的疲 劳性 能 。 上述 已有 的疲 劳 试 验 采 用 的构 件 截 面 规则 , 配 筋简单 。高 速 铁 路 复线 桥 梁 的 截 面 一 般 都 非 常 复 杂 , 加之 高速运 营
14、的列 车 , 给铁 路桥 梁 的疲 劳性 能 带 来 了新 的问题 。该 文 以武广高 铁武 汉站 铁路 桥 的 复 杂截 面箱梁 为 原型 , 进 行 大 比例 缩 尺 模 型 的疲 劳 试 验 , 考察箱梁在正常使用和超过设计值的循环荷载 作用下的疲劳性能 , 以及为增大阻尼添加高分子聚 合物对 混凝 土疲劳性 能 的影 响 。 l 试 验 模 型 武广 高铁武汉 站铁 路桥 为 1 0条复 线桥 , 每 条复 线除中间 3跨为刚构外, 其余均为箱形 预应力简支 梁 。箱梁跨 度 3 6 i n , 宽 1 5 5 m, 高 5 0 8 m。跨 中典 型截 面为单箱 5室 ( 即 5 个
15、孔洞 ) , 上部 为槽 形 ( 中部 为复线 轨道 , 两 侧 为 站 台 ) , 底 部 为 圆 弧形 , 见 图 l 。 靠 近支座 部分 截 面孑 L 洞 逐 渐变 小 , 截 面底 部从 圆 弧 逐 渐变平 。 = 轨道 一 t _ 一 Q I 站台部分 J 工 工 星 图 1 预 应力混凝 土箱梁图 以该箱 梁为原 型 , 制 作 1 6 模 型 4个 , 其 中 1个 用于静载试验 , 编号为 S 一 1 ; 其余 3 个进行疲劳试验 , 编号分 别 为 F l 、 F 一 2和 F 一 3 。模 型 在几 何 形 状 上尽 量与原型保持一致 , 但为了减小制作难度 , 在支座部
16、 分进 行 了局 部简 化 。4个模 型 混凝 土 的配 比与原 型 一 样 为 C 5 O , 其 中 F 一 3另外 添 加羧基 丁 苯胶 乳 ( 聚 灰 比为 0 1 3 ) 。模 型 的普通 钢 筋 采用 直 径 为 8 H l r n的 Q2 3 5级光 圆钢筋 , 预应 力钢绞 线采用 抗拉 强度 标 准 值 为 山 一1 8 6 0 MP a , 公 称直径 为 l 5 2 i i l m 的高强 度 低松 弛钢 绞线 。模 型跨 中截 面如 图 2所示 。 图 2模 型 跨 中截 面 配筋 图 F 3在拆模后 , 下部圆弧部分靠近底部两侧各 约 1 0 c m 宽度 范 围 的
17、混 凝 土沿 纵 向脱 空 , 支 座 部分 混凝 土也有 少量空 洞 , 后经 修补进 行试 验 。 2 试验方案 静载 试验采 用 l 0个 2 0 t 油压 千 斤 顶加 载 。疲 劳试 验采 用 MT S疲 劳 试 验 机 , 由硬 件 集 装 箱 和 系 统软件 F l e x Te s t GT 2部 分 组 成 , 可 实 现 加 载 和监 控 的 自动化 。 静 载 和疲 劳 试验 均 采用 三分 点 加 载 的方 案 , 通 过横 向和纵 向分配梁将 作 动器施 加的荷 载 传递 到模 型 长 度 的 三分 点 位 置 , 见 图 3 。图 中还 示 意 了测 试 挠度 的百
18、 分表布 置 。 图 3模型梁加载位置和 百分表布置 模型 的顶部 和底 部 均 布 置混 凝 土 应 变 片 , 底 部 纵 向普通钢 筋上布 置钢 筋应变 片 。钢 筋 和混凝 土 的 应变 和模型 的挠度 等数据 均通 过动态 测试 分析 系统 3 5 6 0 D、 应 变 数 据 采集 箱 YE 2 9 0 2和程 控 静 态应 变 仪 YE 2 5 3 0 T 自动 高 速 采 集 和 储 存 , 采 样 频 率 可 达 1 0 kHz 。 F l 采 用 超 过设 计 荷 载 , 即 0 5倍 极 限 承 载 力 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1
19、0 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 3卷 为加载 幅值 的 上 限 。F 一 2分 2阶 段 进 行 疲 劳 试 验 。 第 1 阶段试 验用 于研 究箱 梁在正 常使用 情 况下 的疲 劳性能 , 为了模 拟箱 梁 的实 际受力 且 考 虑试 验 的方 便 , 加载幅值的取值根据运营阶段箱梁控制截面底 部 的最大 和最小 应力 值 来 确定 , 加 载 次 数 为 2 0 0万 次; 第 2阶段试验的加载幅值同 F 一 1 , 考察前期低幅 值 加载对后 期高 幅值 加载 疲 劳性 能 的影 响 。F 一 3的 加 载幅值 同 F 一 1 , 考 察 为 了增 大 结 构 阻 尼
20、而 在 混 凝 土 中掺入 聚合 物后箱 梁 的疲 劳性 能 。 S 一 1的荷载从 0级开始 , 以 1 0 t 为 1 级 分级加 载 至极 限荷 载 1 4 0 t ( 计 算 值 ) , 靠 近 估 计 的开 裂 荷 载 ( 6 0 t ) 前荷 载级数 适 当加 密 以观察 受拉 区混凝 土 应 变的发展; 截面开裂后 , 在每一加载间隔内借助放大 镜量 测裂缝宽 度和长度 。 F 一 1 、 F 一 2和 F 一 3的疲 劳 加 载 幅值 和加 载 频 率 见 表 1 。 表 1 疲 劳 加 载 幅 值 和 加载 频 率 3 试验现象和结果 S 一 1 的破 坏属于 受弯破坏 ,
21、由该静 载试 验的结果 可以得到其余模型 的极 限荷载和开裂荷载 的参考 值 。当荷载加 到 6 O t 时 , 裂缝 开始 出现 , 主要集 中在 模型底 部加载点 所对应 的 区域 ; 当荷载增 加 至 1 4 7 t 时 , 模 型变形突 然 加大 , 下 表 面混 凝 土 持 续掉 落 , 荷 载无法 继 续 增 加 。因 此 确 定 模 型 的 极 限承 载 力 为 1 4 7 t 。 F 一 2在 0 4 5 t 静 载 循 环 后 , 没 有 裂缝 出现 , 接 着 以 O 4 5 t 的低 幅值 加载 2 0 0万 次后 , 模 型的基频 和挠度 与疲劳试 验前相 比, 基本
22、上没有 变化 。 F 一 1 和 F 一 3 在 疲劳试验 的前 2 0万次加 载 中裂缝 的长 度没有 发 展 , 宽 度 的增 量 也 比较 小 ; 2 0万 次到 5 O万次 加载 之 间 , 除裂 缝 的宽度 和长 度均 有所 增加 外 , 数量 也相应 增加 , 受 拉 区混凝 土 以粉末 状不 断脱 落 ; 最后混凝土剥落处的普通钢筋发生断裂, 模型疲 劳破坏。F 一 2的第 2阶段试验 , 即高幅值加载下 , 裂 缝 的发展 和挠度 的变化 情况 与 F 一 1和 F 一 3 类 似 。各 模型疲劳试验结果如表 2所示。由于 F 一 3存在缺 陷 , 后面 的分析将其 结果 作为
23、参考 。 表 2模 型疲 劳 试 验 结 果 4 结果 分 析 4 1静载试 验分析 图 4为 S 一 1跨 中截 面普通 纵 向钢筋 应 变值 随荷 载 的变化 曲线 。 由图可知 , 当荷 载小 于 6 5 t 时 , 钢筋 的应变增 长平缓 , 应变 和荷载 近似呈 线性 关系 , 模 型 在 这个 阶段 处 于 线 性 工 作 状 态 。 当荷 载 超 过 6 5 t 后 , 受拉 区混凝 土开 裂 , 中性 轴 上 移 , 模 型 上 表 面压 区混凝土 线 应 变 增 幅加 大 , 普 通 钢 筋 应 变 值 陡增 。 此后, 随荷载的增加钢筋的应变增幅比 6 5 t 以前大 得
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- 关 键 词:
- 高速铁路 复杂 截面 预应力 混凝土 疲劳 性能 试验 研究
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