本文选自核心期刊《现代城市研究》，《现代城市研究》创刊于1986年，本刊为双月刊，南京市建设委员会主管，南京城市科学研究会主办。国内统一刊号：CN：32-1612/TU，国际刊号：ISSN：1009-6000。
摘要：U型梁结构特殊，受力复杂，目前尚无成熟、系统的设计经验可供借鉴。通过对某城市轨道交通1号线U型梁静载及疲劳试验，测试结构在正常使用荷载、开裂荷载、桥道板局部荷载及破坏荷载作用下的受力性能以及在列车重复荷载作用下的抗疲劳性能。试验研究表明，U型梁结构具有良好的强度、刚度和抗裂性能，结构的极限破坏荷载满足规范要求，其抗疲劳性能良好。其试验数据给优化设计提拱了参考，为城市轨道交通U型梁进一步推广运用提供了基础。
关键词：轨道交通,U型梁,静载,疲劳
1概述
在传统的城市轨道交通高架桥梁中，上部结构一般采用上承式箱型梁或T型梁。其缺陷是建筑物的整体高度大、空间利用率低，不仅对城市景观影响较大，对地面人群造成压抑感，而且易对城市居民产生噪音干扰，影响了人们的正常生活。
U型梁是一种具有流线型外观的新颖下承式桥梁结构，具有建筑高度低、隔音效果好、断面空间利用率高、行车安全、外形美观等优点，断面形式如图1所示。从受力特点上来看，U型梁属于一种复杂的空间梁、板组合结构，在荷载作用下，底板不仅会产生双向弯曲和扭转，还会参与腹板共同工作，主梁腹板也会受到法向应力及弯、剪、扭共同作用，受力特点呈现空间性。同时，U型梁仅在纵向张拉预应力钢筋，而在横向取消了预应力钢束，因此U型梁底板的抗裂性能以及横向抗疲劳性能显得尤为关键。
图1城市轨道交通U型梁截面示意图
目前，国内轨道交通工程中U型梁的应用较少，尚无成熟、系统的设计经验可供借鉴，因此，本文通过对一孔跨径30m的U型梁的静载以及疲劳试验，研究了其在静载下的抗弯、抗剪及抗裂等性能以及在重复荷载作用下的抗疲劳性能，为U型梁在城市轨道高架线路中的推广应用提供了试验依据。
2静载试验研究
静载试验加载共分以下几个工况进行：设计荷载下跨中截面最大弯矩的加载(工况一)；设计荷载下支座截面最大剪力的加载(工况二)；开裂荷载下(1.2倍设计荷载)跨中截面最大弯矩的加载(工况三)；跨中桥道板局部加载试验(工况四)；破坏试验(工况五)。静力试验荷载包括二期恒载与活载。二期恒载用250cm×60cm×50cm的混凝土块加载，沿梁长均匀布置；活载采用钢锭块加载，在加载位置处用工字钢支撑来模拟车轴荷载。在破坏试验时，为了防止桥道板局部受力破坏，改用钢锭块沿梁长均布加载。
2.1设计荷载跨中受力
在设计荷载作用下，梁体纵向应力、竖向位移与荷载均呈线性变化，结构在设计荷载水平下处于线弹性受力状态。在满载荷载下，梁体未出现可见裂纹，说明结构在设计荷载作用下抗裂性能良好。表1列出了设计荷载作用下，跨中截面底板最大纵向与横向应力实测值ss和计算值sj，其中应力实测值根据实测的混凝土弹性模量换算得出。表2给出了跨中截面底板竖向位移实测值ds和计算值dj。从表中对比结果可以看出，底板应力与位移实测值与计算值一致性良好。
2.2设计荷载近支座处抗剪
在试验荷载作用下，梁体未出现斜向裂缝，结构抗剪性能满足要求，但梁端部测点剪应力实测值1.38MPa～2.64MPa，端部测点剪应力计算值在1MPa左右，实测值大于计算值。原因认为：①在试验加载过程历经时间较长，局部温度应变变化较大，测试结果不仅反映了结构受力的弹性变形，也包含了温度变形等非弹性应变；②计算模型为空间模型空间六面体八节点实体单元给出的计算应力值为单元区域平均应力，与表面应力有一定差别；③应变花所贴位置在U梁侧面，该面为弧形会引起一定的测量误差。
2.3跨中截面抗裂
该工况在加载到1.2倍设计荷载时，梁体未出现可见裂纹，梁体纵向应力、竖向位移与荷载呈线性变化，结构在仍处于线弹性受力状态。在第二次循环加载时，当将荷载加载至1.315倍设计荷载时，梁体跨中附近首次出现纵向裂缝，裂缝位于桥道板中线附近，裂缝宽度约为0.02mm，长约为5cm；当荷载加载至1.398倍设计荷载时，梁体跨中附近首次出现横向裂缝，裂缝宽度约为0.02mm，长约为3cm。U梁开裂后，顶缘混凝土实测压应力值19.0MPa~20.0MPa，小于理论计算值23.58MPa。
2.4桥道板局部抗裂
在跨中附近采用四个车轴荷载施加局部荷载，间距为2.2m，当试验荷载加载到静活载的1.4倍时，跨中截面底板下缘横向绝对拉应变最大值为103me，下层钢筋在底板中线位置处的横向应变值为87~93me，U梁未发现纵向可见裂缝，表明桥道板局部抗裂性能良好。
2.5极限承载能力
当试验荷载加载到2.7倍设计荷载后，持荷5分钟，梁底竖向变形增量超过1mm，可视为结构已经达到破坏。图2为U肋顶缘纵向应变的实测值与计算值的比较，图3为底板竖向位移测试值与计算值的比较。通过比较可以看出，在1.6倍加载级以前，应变、位移随荷载变化基本呈线性增长，从1.6倍加载级开始逐渐出现非线性，且非线性程度逐渐增加，直至破坏；荷载-应变曲线及荷载-位移曲线计算值和实测值趋势基本一致，各加载级下实测值均小于计算值，表明结构工作性能较好，具有较好的强度与刚度。
图2U肋顶缘纵向应变测试值与计算值比较图3底板竖向位移测试值与计算值比较
3疲劳试验研究
疲劳加载系统采用两个液压伺服作动器，通过分载梁横向传递水平力分载，实现四截面、八加载点同步竖向加载。疲劳加载系统主要由反力架、反力梁、加载设备作动器(MTS液压伺服系统)、分载梁等几部分组成，如图4所示。
图4U型梁疲劳加载图
3.1挠度测试
在各级疲劳循环加载后的最大静荷载作用下，跨中截面底板中心线处竖向位移测值如表3所示。从表中可以看出：①从疲劳循环加载开始，随着疲劳次数的增加，U型梁在最大静荷载作用下竖向位移值有所增大，跨中竖向挠度在历经0~2万次疲劳循环加载后，其值增大5.3%；②后续疲劳循环加载对竖向挠曲变形影响不显著，各级疲劳后的静载挠度值变化不大；③历经600万次疲劳循环加载后，跨中静载挠度比疲劳前静载下的值增大8.0%。
3.2纵向应变测试
在各级疲劳循环加载后的最大静荷载作用下，测值随疲劳级数的变化曲线见图5。从图中可以看出：①随着疲劳次数的增加，U型梁在最大静荷载作用下纵向应变测值总体呈略微增大的趋势，表明在疲劳荷载作用下，梁体纵向刚度存在轻微衰减现象；②在前5万次疲劳循环加载作用下，梁体的纵向应变增量相对较快；在后续疲劳循环加载作用下，应变增量趋于平稳；③100万次疲劳循环加载后，底板下缘应变式混凝土计出现较大波动，和前次测值相比差异较大，表明梁体底缘表面可能已经出现裂缝从而使测值产生一定的偏差；④300万次疲劳级循环加载后，底板下层应变式钢筋计测值出现较大波动，可能是由于裂缝深度扩展至下层钢筋位置，使测试点有较大的应变增量；⑤600万次疲劳循环加载后，随着测点位置的不同，各应变测点的增量从-38~20με不等；U肋顶缘与底板下缘测点应变增量约为疲劳前测值的14%，底板上缘测点应变增量约为疲劳前测值的7%。
图5各级疲劳后最大静荷载作用下跨中截面纵向应变测值-lgN曲线图
3.3横向应变测试结果
在各级疲劳后的最大静荷载作用下，测值随疲劳级数的变化曲线见图6~图7。从图中可以看出：①随着疲劳次数的增加，U型梁在最大静荷载作用下横向应变测值略有增加，表明在各级疲劳作用下，梁体横向刚度有轻微的衰减；②100万次疲劳循环加载后，底板下缘应变式混凝土计出现较大波动，和前次测值相比差异较大，表明梁体底缘表面可能已经出现裂缝从而使测值产生一定的偏差；③跨中截面在200万次疲劳循环加载后、加载点截面在300万次疲劳循环加载后，底板下层应变式钢筋计测值出现较大增量，表明此时裂缝可能已经扩展至横向钢筋位置处、部分底板下缘受拉区混凝土退出工作，这与纵向测点的情况基本一致；④600万次疲劳循环加载结束后，底板受压区测点测值基本与疲劳前测值保持一致；受拉区测点除底板下层应变式钢筋计测值有明显增大外，其余测值增量较小；跨中截面底板下层应变式钢筋计测点应变增加13με、加载点截面底板下层应变式钢筋计测点应变增加9με，应变增量约为0万次测值的25%。
图6各级疲劳后最大静荷载作用下跨中截面底板中心线位置处
横向应变测值-lgN曲线图
图7各级疲劳后最大静荷载作用下加载点截面底板中心线位置处
横向应变测值-lgN曲线图
4结语
通过对预应力混凝土U型简支梁的静载试验和疲劳试验研究，可以认为，U型梁具有良好的强度、刚度、抗裂性能以及承载能力；其疲劳损伤历程基本与其他钢筋混凝土构件相同，即初始增长、中期平稳发展和破坏前加速发展，在城市轨道交通荷载作用下，U型梁具有良好的抗疲劳性能。此次试验加深了我们对城市轨道交通U型梁受力特性的认识和理解，其试验数据给优化设计提拱了参考，为城市轨道交通U型梁进一步推广运用提供了基础。
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