本文選自核心期刊《現(xiàn)代城市研究》，《現(xiàn)代城市研究》創(chuàng)刊于1986年，本刊為雙月刊，南京市建設(shè)委員會主管，南京城市科學(xué)研究會主辦。國內(nèi)統(tǒng)一刊號：cn：32-1612/TU，國際刊號：ISSN：1009-6000。

　　摘要：U型梁結(jié)構(gòu)特殊，受力復(fù)雜，目前尚無成熟、系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗可供借鑒。通過對某城市軌道交通1號線U型梁靜載及疲勞試驗，測試結(jié)構(gòu)在正常使用荷載、開裂荷載、橋道板局部荷載及破壞荷載作用下的受力性能以及在列車重復(fù)荷載作用下的抗疲勞性能。試驗研究表明，U型梁結(jié)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度、剛度和抗裂性能，結(jié)構(gòu)的極限破壞荷載滿足規(guī)范要求，其抗疲勞性能良好。其試驗數(shù)據(jù)給優(yōu)化設(shè)計提拱了參考，為城市軌道交通U型梁進(jìn)一步推廣運(yùn)用提供了基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：軌道交通,U型梁,靜載,疲勞

　　1概述

　　在傳統(tǒng)的城市軌道交通高架橋梁中，上部結(jié)構(gòu)一般采用上承式箱型梁或T型梁。其缺陷是建筑物的整體高度大、空間利用率低，不僅對城市景觀影響較大，對地面人群造成壓抑感，而且易對城市居民產(chǎn)生噪音干擾，影響了人們的正常生活。

　　U型梁是一種具有流線型外觀的新穎下承式橋梁結(jié)構(gòu)，具有建筑高度低、隔音效果好、斷面空間利用率高、行車安全、外形美觀等優(yōu)點，斷面形式如圖1所示。從受力特點上來看，U型梁屬于一種復(fù)雜的空間梁、板組合結(jié)構(gòu)，在荷載作用下，底板不僅會產(chǎn)生雙向彎曲和扭轉(zhuǎn)，還會參與腹板共同工作，主梁腹板也會受到法向應(yīng)力及彎、剪、扭共同作用，受力特點呈現(xiàn)空間性。同時，U型梁僅在縱向張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，而在橫向取消了預(yù)應(yīng)力鋼束，因此U型梁底板的抗裂性能以及橫向抗疲勞性能顯得尤為關(guān)鍵。

　　圖1城市軌道交通U型梁截面示意圖

　　目前，國內(nèi)軌道交通工程中U型梁的應(yīng)用較少，尚無成熟、系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗可供借鑒，因此，本文通過對一孔跨徑30m的U型梁的靜載以及疲勞試驗，研究了其在靜載下的抗彎、抗剪及抗裂等性能以及在重復(fù)荷載作用下的抗疲勞性能，為U型梁在城市軌道高架線路中的推廣應(yīng)用提供了試驗依據(jù)。

　　2靜載試驗研究

　　靜載試驗加載共分以下幾個工況進(jìn)行：設(shè)計荷載下跨中截面最大彎矩的加載(工況一)；設(shè)計荷載下支座截面最大剪力的加載(工況二)；開裂荷載下(1.2倍設(shè)計荷載)跨中截面最大彎矩的加載(工況三)；跨中橋道板局部加載試驗(工況四)；破壞試驗(工況五)。靜力試驗荷載包括二期恒載與活載。二期恒載用250cm×60cm×50cm的混凝土塊加載，沿梁長均勻布置；活載采用鋼錠塊加載，在加載位置處用工字鋼支撐來模擬車軸荷載。在破壞試驗時，為了防止橋道板局部受力破壞，改用鋼錠塊沿梁長均布加載。

　　2.1設(shè)計荷載跨中受力

　　在設(shè)計荷載作用下，梁體縱向應(yīng)力、豎向位移與荷載均呈線性變化，結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載水平下處于線彈性受力狀態(tài)。在滿載荷載下，梁體未出現(xiàn)可見裂紋，說明結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下抗裂性能良好。表1列出了設(shè)計荷載作用下，跨中截面底板最大縱向與橫向應(yīng)力實測值ss和計算值sj，其中應(yīng)力實測值根據(jù)實測的混凝土彈性模量換算得出。表2給出了跨中截面底板豎向位移實測值ds和計算值dj。從表中對比結(jié)果可以看出，底板應(yīng)力與位移實測值與計算值一致性良好。

　　2.2設(shè)計荷載近支座處抗剪

　　在試驗荷載作用下，梁體未出現(xiàn)斜向裂縫，結(jié)構(gòu)抗剪性能滿足要求，但梁端部測點剪應(yīng)力實測值1.38MPa～2.64MPa，端部測點剪應(yīng)力計算值在1MPa左右，實測值大于計算值。原因認(rèn)為：①在試驗加載過程歷經(jīng)時間較長，局部溫度應(yīng)變變化較大，測試結(jié)果不僅反映了結(jié)構(gòu)受力的彈性變形，也包含了溫度變形等非彈性應(yīng)變；②計算模型為空間模型空間六面體八節(jié)點實體單元給出的計算應(yīng)力值為單元區(qū)域平均應(yīng)力，與表面應(yīng)力有一定差別；③應(yīng)變花所貼位置在U梁側(cè)面，該面為弧形會引起一定的測量誤差。

　　2.3跨中截面抗裂

　　該工況在加載到1.2倍設(shè)計荷載時，梁體未出現(xiàn)可見裂紋，梁體縱向應(yīng)力、豎向位移與荷載呈線性變化，結(jié)構(gòu)在仍處于線彈性受力狀態(tài)。在第二次循環(huán)加載時，當(dāng)將荷載加載至1.315倍設(shè)計荷載時，梁體跨中附近首次出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫位于橋道板中線附近，裂縫寬度約為0.02mm，長約為5cm；當(dāng)荷載加載至1.398倍設(shè)計荷載時，梁體跨中附近首次出現(xiàn)橫向裂縫，裂縫寬度約為0.02mm，長約為3cm。U梁開裂后，頂緣混凝土實測壓應(yīng)力值19.0MPa~20.0MPa，小于理論計算值23.58MPa。

　　2.4橋道板局部抗裂

　　在跨中附近采用四個車軸荷載施加局部荷載，間距為2.2m，當(dāng)試驗荷載加載到靜活載的1.4倍時，跨中截面底板下緣橫向絕對拉應(yīng)變最大值為103me，下層鋼筋在底板中線位置處的橫向應(yīng)變值為87~93me，U梁未發(fā)現(xiàn)縱向可見裂縫，表明橋道板局部抗裂性能良好。

　　2.5極限承載能力

　　當(dāng)試驗荷載加載到2.7倍設(shè)計荷載后，持荷5分鐘，梁底豎向變形增量超過1mm，可視為結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到破壞。圖2為U肋頂緣縱向應(yīng)變的實測值與計算值的比較，圖3為底板豎向位移測試值與計算值的比較。通過比較可以看出，在1.6倍加載級以前，應(yīng)變、位移隨荷載變化基本呈線性增長，從1.6倍加載級開始逐漸出現(xiàn)非線性，且非線性程度逐漸增加，直至破壞；荷載-應(yīng)變曲線及荷載-位移曲線計算值和實測值趨勢基本一致，各加載級下實測值均小于計算值，表明結(jié)構(gòu)工作性能較好，具有較好的強(qiáng)度與剛度。

　　圖2U肋頂緣縱向應(yīng)變測試值與計算值比較圖3底板豎向位移測試值與計算值比較

　　3疲勞試驗研究

　　疲勞加載系統(tǒng)采用兩個液壓伺服作動器，通過分載梁橫向傳遞水平力分載，實現(xiàn)四截面、八加載點同步豎向加載。疲勞加載系統(tǒng)主要由反力架、反力梁、加載設(shè)備作動器(MTS液壓伺服系統(tǒng))、分載梁等幾部分組成，如圖4所示。

　　圖4U型梁疲勞加載圖

　　3.1撓度測試

　　在各級疲勞循環(huán)加載后的最大靜荷載作用下，跨中截面底板中心線處豎向位移測值如表3所示。從表中可以看出：①從疲勞循環(huán)加載開始，隨著疲勞次數(shù)的增加，U型梁在最大靜荷載作用下豎向位移值有所增大，跨中豎向撓度在歷經(jīng)0~2萬次疲勞循環(huán)加載后，其值增大5.3%；②后續(xù)疲勞循環(huán)加載對豎向撓曲變形影響不顯著，各級疲勞后的靜載撓度值變化不大；③歷經(jīng)600萬次疲勞循環(huán)加載后，跨中靜載撓度比疲勞前靜載下的值增大8.0%。

　　3.2縱向應(yīng)變測試

　　在各級疲勞循環(huán)加載后的最大靜荷載作用下，測值隨疲勞級數(shù)的變化曲線見圖5。從圖中可以看出：①隨著疲勞次數(shù)的增加，U型梁在最大靜荷載作用下縱向應(yīng)變測值總體呈略微增大的趨勢，表明在疲勞荷載作用下，梁體縱向剛度存在輕微衰減現(xiàn)象；②在前5萬次疲勞循環(huán)加載作用下，梁體的縱向應(yīng)變增量相對較快；在后續(xù)疲勞循環(huán)加載作用下，應(yīng)變增量趨于平穩(wěn)；③100萬次疲勞循環(huán)加載后，底板下緣應(yīng)變式混凝土計出現(xiàn)較大波動，和前次測值相比差異較大，表明梁體底緣表面可能已經(jīng)出現(xiàn)裂縫從而使測值產(chǎn)生一定的偏差；④300萬次疲勞級循環(huán)加載后，底板下層應(yīng)變式鋼筋計測值出現(xiàn)較大波動，可能是由于裂縫深度擴(kuò)展至下層鋼筋位置，使測試點有較大的應(yīng)變增量；⑤600萬次疲勞循環(huán)加載后，隨著測點位置的不同，各應(yīng)變測點的增量從-38~20με不等；U肋頂緣與底板下緣測點應(yīng)變增量約為疲勞前測值的14%，底板上緣測點應(yīng)變增量約為疲勞前測值的7%。

　　圖5各級疲勞后最大靜荷載作用下跨中截面縱向應(yīng)變測值-lgN曲線圖

　　3.3橫向應(yīng)變測試結(jié)果

　　在各級疲勞后的最大靜荷載作用下，測值隨疲勞級數(shù)的變化曲線見圖6~圖7。從圖中可以看出：①隨著疲勞次數(shù)的增加，U型梁在最大靜荷載作用下橫向應(yīng)變測值略有增加，表明在各級疲勞作用下，梁體橫向剛度有輕微的衰減；②100萬次疲勞循環(huán)加載后，底板下緣應(yīng)變式混凝土計出現(xiàn)較大波動，和前次測值相比差異較大，表明梁體底緣表面可能已經(jīng)出現(xiàn)裂縫從而使測值產(chǎn)生一定的偏差；③跨中截面在200萬次疲勞循環(huán)加載后、加載點截面在300萬次疲勞循環(huán)加載后，底板下層應(yīng)變式鋼筋計測值出現(xiàn)較大增量，表明此時裂縫可能已經(jīng)擴(kuò)展至橫向鋼筋位置處、部分底板下緣受拉區(qū)混凝土退出工作，這與縱向測點的情況基本一致；④600萬次疲勞循環(huán)加載結(jié)束后，底板受壓區(qū)測點測值基本與疲勞前測值保持一致；受拉區(qū)測點除底板下層應(yīng)變式鋼筋計測值有明顯增大外，其余測值增量較小；跨中截面底板下層應(yīng)變式鋼筋計測點應(yīng)變增加13με、加載點截面底板下層應(yīng)變式鋼筋計測點應(yīng)變增加9με，應(yīng)變增量約為0萬次測值的25%。

　　圖6各級疲勞后最大靜荷載作用下跨中截面底板中心線位置處

　　橫向應(yīng)變測值-lgN曲線圖

　　圖7各級疲勞后最大靜荷載作用下加載點截面底板中心線位置處

　　橫向應(yīng)變測值-lgN曲線圖

　　4結(jié)語

　　通過對預(yù)應(yīng)力混凝土U型簡支梁的靜載試驗和疲勞試驗研究，可以認(rèn)為，U型梁具有良好的強(qiáng)度、剛度、抗裂性能以及承載能力；其疲勞損傷歷程基本與其他鋼筋混凝土構(gòu)件相同，即初始增長、中期平穩(wěn)發(fā)展和破壞前加速發(fā)展，在城市軌道交通荷載作用下，U型梁具有良好的抗疲勞性能。此次試驗加深了我們對城市軌道交通U型梁受力特性的認(rèn)識和理解，其試驗數(shù)據(jù)給優(yōu)化設(shè)計提拱了參考，為城市軌道交通U型梁進(jìn)一步推廣運(yùn)用提供了基礎(chǔ)。

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