既有铁路跨度24m低高度部分预应力混凝土简支箱梁试验评估.pdf
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1、3 0 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文 章编 号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 1 1 0 0 3 0 0 5 既有铁 路跨度 2 4 1 1 1 低 高度部分预应 力 混凝 土简支箱梁试验评估 苏永华 , 马 林 , 胡大新 , 孙宏方 , 侯 云芳 , 高 勋 ( 1 中国铁道科学研究 院 铁道建筑研究所 , 北京1 0 0 0 8 1 ; 2 朔黄铁路发展有 限责任公司 原平分公司 , 山西 原平0 3 4 1 O 0 3 北京铁路局 工务处 , 北京1 0 0 8 6 0 ; 4 内蒙古 自治区国资委 , 内
2、蒙古 呼和浩 特0 1 0 0 5 5 ) 摘 要 : 上世 纪 8 0 、 9 0年 代 , 我 国开展 了不 同跨 度低 高度部 分预 应 力混凝 土梁 的设 计 和试 验 应 用 工作 , 受 各 种条件 的 限制 , 有些 梁在 生产过程 中没 有达到 设计要 求 , 运 营过 程 中 出现 了一些 问题 。本文 以京 九线 店 子干 渠大桥跨 度 2 4 m低 高度部 分预 应 力混凝 土 简支箱 梁为研 究对 象 , 收 集 了梁体 生产 、 运 营过 程 中 的历 次试验 资料 , 并开展 了梁体状 况现 场调查和 试验 测试 工作 , 通过 各 项参 数 的对 比分析 , 掌握
3、 了梁体 的 实际受力 状 态 , 试 验评 估结 果表 明 : 该桥 梁体 受 力状 态已不 满足 设计规 范要 求 , 梁体 刚度 明显下 降 , 梁 部 结构 出现 了进 一步 劣化趋 势 , 存在 安 全 隐患。 关 键词 : 低 高度部分预 应 力 裂缝 刚度试验评 估 中图分 类号 : U 4 4 8 2 1 3 文献标 识码 : A D O I : 1 0 3 9 6 9 - i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 1 1 1 0 铁路跨线地段及平原地区, 使用低高度梁可降低 桥梁的建筑高度和路堤高度 , 经济效益显著 。我国既 有铁路 普 通高度 预应
4、力混凝 土梁 的高跨 比h L ( h为梁 高, 为跨度) 一般为 1 1 11 1 3 , 低高度预应力混凝 土梁的高跨比h L 一般为 1 1 41 1 6 。部分预应力混 凝土 梁按 受力状 态 分 为两 类 : 在 使 用荷 载 作 用 下允 许 出现拉应力但不容许 出现裂缝的为 A类 , 容许 出现规 定 限度 以 内裂缝 的 为 B类 。该 型 梁受 力状 态 介 于钢 筋 混凝 土梁 和全预 应 力混 凝 土 梁 之 间 , 兼 具二 者 的 优 点 , 可以减少预应力钢筋的用量、 改善梁体 的徐变上拱 变形 。上世 纪 8 0年 代 以来 , 我 国铁 路 桥梁 设 计 、 试
5、 验 推广 了几种 部分 预应 力混凝 土梁 。 随着 大吨位锚 具 和 预应 力 新 技 术 的发 展 , 降 低 梁 体高度和采用部分预应力技术在铁路桥梁上具备了应 用条件。上世纪 8 0、 9 0年代, 我 国铁路桥梁开展了不 同跨度低高度部分预应力混凝 土梁 的试验研究工作 , 推动 了桥 梁设计 理 论 的重 大 发 展 。但 是 , 受 当时施 工技术 、 认识水平等因素的限制 , 有些低高度部分预应 力混 凝土 梁在 生产 和运 营过程 中 出现 了不同程 度 的问 题。本文针对京九线店子干渠大桥跨度 2 4 I I l 低高度 部分预应力混凝 土简支箱梁 , 通过资料收集 、
6、现场调 查 、 动 载试验 测试 等方 法 , 对 梁体状 态进 行 了评 估 。 收稿 日期 : 2 0 1 3 0 5 2 6 ; 修 回日期 : 2 0 1 3 0 8 2 1 作者简介 : 苏永华( 1 9 8 0 一 ) , 男, 山东寿光人 , 助理研究员。 1 桥梁概况 京 九线店 子干渠 大桥 位 于河 北 省 文安 县 境 内, 桥 梁 全长 3 3 4 m, 共 1 3孔 , 梁体跨 度均 为 2 4 1 13 , 支座 为摇 轴 钢支 座 , 下 部结构 为 双 柱式 桥 墩 、 钻 孔 桩基 础 , 桥 梁 的上部结 构上 下行 分 离 , 左线 为 下 行 , 右 线
7、 为上 行 , 下 部结构上下行为整体构造 。梁体采用跨度 2 4 m的两 侧拼 接式部 分预应 力 混 凝 土 简支 整 孔 箱梁 ( 图 1 ) , 设 计 图号为 专桥 2 0 9 5 B, 梁高 1 4 5 m, 腹 板 中心距 1 8 m, 梁长 2 4 6 m, 计算 跨 度 2 4 I n , 高 跨 比为 1 1 6 6 。梁体 设计 预应 力度 A= 0 8 1 , 采 用 的设 计 规范 为 铁 路部 分 预应力 混凝土梁设 计及验 收规定 ( T B J l 0 6 9 1 ) 。 主梁 混凝 土强 度等 级 为 5 5 0号 , 翼 板 混 凝 土强 度 等 级 为 4
8、 0 0号。预 应力钢 束采用 7 + 5钢 绞线 , 公称 直径 1 5 2 mm, 强 度 级 别 为 1 8 6 0 MP a 。桥 梁 设 计 速 度 为 1 2 0 k m h, 线 间 距 为 4 0 1 T I 。桥 梁 于 1 9 9 5年 建 成 , 图 1 箱梁跨 中断面 ( 单位 : m m) 线 路 由 心 线 2 0 1 3年第 1 1 期 苏永华 等 : 既有铁路跨度 2 4 m低高度部分 预应 力混 凝土简支箱梁试验评估 3 1 1 9 9 6年投 入使 用 。 该桥 在 我 国铁 路 上首 次采 用 了低 高 度部分 预 应力 混凝 土 ( B类 ) 箱形 梁
9、现 场 拼接 桥 面 翼板 的新 技 术 , 提 高了梁体横 向刚度 , 整体性 好 , 消除 了分片式 T梁 的 一 些 病 害 , 得 到原 铁 道部科 研 支持 , 推动 了铁 路梁 式结 构 的 发 展 。 2梁体 历史资料 该桥 2 4 m简 支箱 梁生 产 、 制造及 架设 过程 中进 行 了一系列的试验研究 , 开通前及运营过程 中进行过 3 次试 验测 试 , 测试 结 果 是本 次 梁 体 试 验 评估 工 作 的重 要 参考 资料 。 1 ) 1 9 9 4年 6月 , 铁科 院铁 建所 在 中铁 三 局 霸 州桥 梁 场进 行 了 0 3 梁 静 载 试 验 , 试 验
10、结 论 为 : “ 梁 体 裂 缝 宽度及挠度符合要求 , 但预应力度偏低 ( 0 6 ) ” 。 2 ) 1 9 9 5年 4月 , 铁 科 院铁 建 所 进 行 了下 行 线 0 3 梁桥位静载试验 , 试验结论为 : “ 梁体内外侧普通钢筋 最大 应 力 增 量 分 别 为 7 2 MP a 、 1 0 6 MP a , 均 小 于 限 值 1 5 0 MP a , 静 活 载挠跨 比为 1 1 4 2 9 ” 。 3 ) 1 9 9 6年 8月 , 铁 科 院铁 建所 进 行 了下 行 线 第 5 孔 ( 0 3 梁) 和上行线第 3孔 ( 2 6 梁 ) 桥位静动载试 验, 试验 结
11、论 为 : “ 第 5孔 、 第 3孔 梁跨 中静 活 载挠 跨 比分 别为 1 1 4 5 3 、 1 1 7 5 2 ; 实 测预应 力度分 别为 0 6 1 3 、 0 7 2 4 , 均 小于 设 计 预应 力 度 ( A=0 8 1 ) , 试 验 荷 载 作 用下 裂缝 宽 度均 0 0 4 m m; 第 5孔 、 第 3孔 梁 竖 向 自 振频 率 分别 为 5 0 8 H z 、 5 1 8 Hz , 横 向 自振频 率分别 为 9 5 7 Hz 、 1 0 6 4 Hz ” 。 4 ) 2 0 0 7年 5月 , 北京铁路局桥检队进行 了上行线 第 3孔 ( 2 6 梁 )
12、桥位 动 载试 验 , 试 验结论 为 : “ 静 活 载挠 跨比为1 1 3 2 6 , 大于 1 9 9 6年测试结果 1 1 7 5 2 ; 竖 向自 振频率为 4 8 8 H z , 比 1 9 9 6年实测值 5 1 8 H z 稍小” 。 5 ) 既有线 提速 以来 , 列 车过桥 速度 由运营初 期 的 8 0 k m h 逐步 提高到 1 6 0 k m h , 列车 过桥时 晃车 严 重 。 根据 2 0 0 6年 至 2 0 0 7年 连 续 5个 月 机 车 车 载 添 乘 仪 记 录 , 、 级 偏 差 超 限 数 据 4 2 0次 , 平 均 每 月 8 4次 , 最
13、 大 竖 向 加 速 度 达 0 2 g, 不 满 足 旅 客 舒 适 度 要 求 。 历 史资 料 显示 , 梁 体 生 产 过程 中存 在 预 应 力度 不 足的问题 , 运营后梁体承载能力有下降趋势。 3梁体使 用状况调查分析 3 1 梁 体裂 缝状 况 检查发现下行线第 5孔一第 7孔梁 , 梁体跨 中下 缘混 凝 土存在 竖 向裂缝 ( 图 2 ) , 梁 端 腹 板存 在斜 向裂 缝 ( 图 3 ) , 详 细检查 结果 如表 1 所 示 。 表 1梁体裂缝检查结果 裂缝部位 检查结果 裂缝宽度 0 0 50 0 8 m m, 长度 5 0 c m左 右 , 囊 裂缝宽度 0 1
14、m m左 右 , 长度 4 0 6 0 c m, 纵 蒿 篓 篓嚣 童 囊 墓 量 l l 、 I 跨 I 由 l I ll I II l J l Il I 裂缝 纵向 距约 为 2 0 0 【 f b ) 纵 刑面 图 2 梁体跨 中典型 竖向裂缝 ( 单位 : ra m) 参照不同时期设计规范, 对梁体 出现裂缝后 的影 响分 析如下 。 1 ) 梁体跨中截面下缘开裂 , 恒载作用下混凝土处 于 消压状 态 , 不满 足现 行 设 计 规范 中部 分 预应 力 混 凝 土梁 ( 允许开裂) 的设计要求: “ 在恒载作用下正截面 混凝 土受拉 区压应力 不应 小 于 1 0 MP a ” ,
15、 也 不满 足 原设计规范中 B类部分预应力混凝土结构的设计要 求 : “ 在恒 载作 用下 正 截 面受 拉 区混凝 土 不得 消 压 , 运 营 阶段拉应 力 已超 过 0 ( f c 为混凝 土 轴 心抗 拉极 限 强度 ) , 应限制裂缝宽度” 。 2 ) 恒载作用下梁体跨中下缘裂缝宽度在 0 0 5 0 0 8 m m之间, 实测客 、 货列车通过时裂缝宽度扩展量 为 0 0 8 0 1 3 m m, 运营荷载组合作用下裂缝宽度达 到 0 2 0 m m 左右 , 不 满 足前述 规 范 的设计 要求 : “ 主力 组合 下裂 缝 宽度 限值 为 0 1 0 mm” 。 3 2 铁道
16、建筑 ( a ) 横断面 I I 1 支 l襄 I 面 I _ l 【 距 梁 端约 3 o ( b ) 纵剖 面 图 3 梁体端部典型斜 向裂缝 3 ) 梁端腹板斜截面出现了 4 5 。 方 向的裂缝 , 运 营 荷载作用下混凝土主拉应力超限。对于梁端斜 向裂 缝 , 原设计规范特别指出: “ 如果在部分预应力混凝土 梁的斜截面中由于运营荷载产生裂缝 , 不但裂缝宽度 较大 , 且在 运 营荷载 移去之 后裂缝 也不 能完全 闭合 , 因 此不 允许 斜截 面 出现 裂缝 ” 。 4 ) 梁体 跨 中和端 部 已出现 裂 缝且 宽 度 超 限 , 梁 体 受力状态不满足现行规范和原设计规范要
17、求 , 结构受 力状态较差 , 承载能力下降。 3 2 梁体 下挠 实 测全 桥左右 线 2 6孔 梁 跨 中下 挠情 况 见 图 4 , 可 见各孔梁均存在不同程度的下挠 , 其中下行线最小 、 最 大下挠 量分 别为 1 0 , 4 2 m m, 上 行 线 最小 、 最 大下 挠 量 分 别为 4 , 3 5 m m。 暑 血I1 L 导 数 图 4 梁体跨中下挠量统计 通 常情况 下 , 由于 铁 路 预应 力 混 凝 土简 支 梁 恒 载 作 用下 截面下 缘混 凝土 的压应 力远 大于 截面上 缘混 凝 土的压应力 , 受混凝土徐变因素的影响 , 梁体运营过程 中常出现上拱现象。本
18、桥梁体跨 中却 出现了异常的下 挠现象 , 主要原因是梁体预应力度偏低 , 恒载作用下截 面下缘 混凝 土 已消 压 , 而 截 面上 缘 混凝 土 仍 处 于受 压 状 态 , 因此梁 体 出现 了徐 变 下挠 。梁体 预 应 力 度偏 低 的情况 可 以从施工 过程 中各 次静载试 验结 果 以及 运 营 过程 中截面 下缘 出现 了竖 向裂 缝等情 况得 到验证 。 3 3 道砟厚 度 实测全 桥左右 线 2 6孔 梁 的道 砟厚 度 见 图 5 , 可见 全 桥道 砟厚 度平均 值 为 3 8 c m, 比设 计值 ( 2 5 c m) 增加 了 1 3 e m, 换算 后相 当于 二
19、期 恒载 增 加 1 0 k N m, 导致 运 营过程 中梁体 预应力 度进 一步降低 。从 各孔 梁的具 体情 况来看 , 跨 中 比梁 端 的道 砟厚度 大 , 这与梁 体下挠 的情 况吻合 。 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 l 2 1 3 孔跨编号 图 5 桥上道砟 厚度测量结果 4梁体动载试验结果分析 根据梁体生产过程中的试验情况和历次桥位试验 情 况 , 选 择进 行过试 验 检测 的下行 线 第 5孔 和第 6孔 梁进行动载试验测试 , 测试 内容包括梁体 自振频率 、 横 向振 幅 、 竖 向挠度 和裂缝 宽度扩 展量 , 见 图 6 。 ( a ) 下行
20、线第5 孔梁 横向 振 幅 :1竖 向 振 幅 ;巾竖向 位移 ; 一 裂 缝宽 度 ( b ) 下行 线第 6 孔梁 图 6 跨 中截面测点布置 如 加 加 O g3 露 蹬 梏捌露 加 =2 O 2 0 1 3年第 1 1 期 苏永华等 : 既有铁路跨度 2 4 m低高度部 分预应力 混凝土简支箱梁试验评估 3 3 4 1梁体 自振 频率 梁体 自振频率采用脉动法 、 余振法进行测试 , 下行 线第 5孔梁竖向、 横向一阶频率分别为 4 7 9, 9 1 8 H z , 下行 线第 6孔 梁 竖 向 、 横 向 一 阶 频 率 分 别 为 4 9 8 , 9 4 8 Hz , 实测 梁体
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- 既有 铁路 跨度 24 高度 部分 预应力 混凝土 简支箱梁 试验 评估
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