赵晓斌，曹淑上，黄祖林，张由

（1重庆市建筑科学研究院，重庆 400016；2重庆大学 土木工程学院，重庆 400045）

0 引言

钢筋混凝土窄梁，按照我国结构设计一贯的传统和经验，主梁的高度一般取跨度的1/8～1/12，梁的截面高宽比为2.0～2.5。该类型梁配筋经济合理，底部多为2层布筋，配筋较少，这样无论从设计和施工上来说，都是比较完美的。但窄梁应用于桥梁工程时，截面高、宽尺寸均有所减小，主梁的高度一般取跨度的1/13～1/16，主梁的梁肋宽约为梁高的1/4～1/7，一般为160～400mm。加之该类型桥梁为预制组装，整体性差，其设计承载能力仅局限于汽车-10级、汽车-15级。

针对老旧钢筋混凝土窄梁桥加固、提载的需要，目前常用方法[1]：（1）截面增大法：结构自重增加较多，增高截面影响桥下净空，主要用于中小桥；（2）体外预应力法：施工复杂，加固效果难以控制，后期维护成本高，多用于重要桥梁；（3）改变体系加固法施工难度大，措施费用和施工效率较低，主要作为辅佐加固方案；（4）粘贴钢板或碳纤维法施工技术简单可靠，加固效果明显，但不适宜大面积密集使用。

随着桥梁加固理论的深入研究和加固工程经验的积累，近年对于钢筋混凝土窄梁桥，又提出了一种新型加固方法——截面转换法[2]。其基本思想是在原截面受拉区通过新增配筋底板，实现主梁由开口截面转换为闭口箱型截面，利用箱型截面较大的抗弯承载力和抗扭刚度实现桥梁的加固提载。为此，开展了钢筋混凝土窄梁桥长悬臂钢梁拓宽及截面转换加固模型试验研究，依托秀山西门桥加固改造工程，研究分析钢筋混凝土窄梁桥增设底板截面转换受力性能。

1 试验设计

1.1 试验方法

采用缩尺模型进行钢筋混凝土窄梁桥的试验模拟，通过模型试验结果有效地预测原型结构增设底板截面转换后的力学性能。试验加载分两阶段进行，第一阶段加载至等效设计值，第二阶段加载至结构破坏。

缩尺模型试验以相似理论为基础，是将原型结构主要物理量等同或成比例应用于模型结构中，包括几何尺寸、质量荷载、应力应变以及边界条件。窄梁矩形截面表达如下：

上式中Sσ为应力相似常数，对于等强度模型试验，相同材料制作的模型试件，应力相同Sσ=1，则：Sp=，Sw=Sl。

1.2 模型设计

该试验研究模型为等强度缩尺模型[3]，试验模型与原型材料相同，弹性模量相似系数为1，泊松比相似系数为1，几何尺寸相似系数Sl取1/5时，荷载相似常数1/25。

试验前设计制作2组窄梁模型Beam1和Beam2，分别模拟原型窄梁增设底板截面转换前后的桥梁实体结构[4-5]。Beam1为简化为整体T形截面梁，Beam2为经增设底板截面转换后的单箱三室箱梁，Beam2同时增设边梁，混凝土强度等级同原型C30。具体截面布置及配筋情况见图1、图2、图3。

图1 Beam1截面配筋图表（mm）

图2 Beam2截面配筋图表（mm）

图3 空间有限元模型示意图

2 试验结果分析

2.1 应力结果分析

在2组窄梁模型纯弯段跨中位置，矩形截面顶部受压区布设混凝土压应力测点；与混凝土压应力测点相对应，在2组窄梁模型纯弯段跨中位置，矩形截面底部受拉区布设钢筋拉应力测点。

根据两阶段各级试验加载工况下的应变测试值，绘出2组窄梁模型混凝土和钢筋的荷载-应变关系曲线，如图4、图5所示。

图4 跨中截面混凝土压应力荷载-应变曲线

图5 跨中截面钢筋拉应力荷载-应变曲线

由上述图表，经分析可知：

1）各模型试验梁在第一阶段加载过程中荷载-应变关系基本保持线性，第一阶段卸载后增设底板模型梁Beam2混凝土残余压应变为8%、钢筋残余拉应变为12%，弹性性能表现良好；在第二阶段随荷载的继续增加，不再保持线性，应变变化速率加快，曲线整体趋势与适筋梁的应力应变曲线相符。

2）模型梁Beam2的整体强度提高，新增边梁参与承担荷载，新增底板混凝土及板内配筋增强了受拉区的抗拉性能，延缓了中性轴的上移速度，使得Beam2在同级荷载下受压区混凝土的压应变和受拉区钢筋的拉应变大幅度减小。Beam2在加载至等效设计值时混凝土压应变为293.49με，钢筋的拉应变为304.44με，经本构关系近似计算混凝土压应力为8.8MPa，钢筋的拉应力为60.9 MPa，均处于较低的应力水平。在同级荷载作用下，模型梁跨中截面混凝土压应力减小45%～64%，钢筋拉应力减小62%～72%。

3）极限状态下，未增设底板模型梁Beam1钢筋的最大拉应变为2072.23με，钢筋已进入屈服强化阶段，增设底板模型梁Beam2钢筋的最大拉应变为1655.02με，钢筋未屈服，增设底板截面转换对增强受拉区强度效果明显，应力最大幅值减小23%。

2.2 挠度结果分析

在2组窄梁模型纯弯段跨中位置，矩形截面底部布设挠度测点，根据两阶段各级试验加载工况下的挠度测试值，绘出2组窄梁模型的荷载-挠度关系曲线如图6所示。

由上述图表，经分析可知：

1）各模型试验梁在第一阶段加载过程中荷载-挠度关系基本保持线性，第一阶段卸载后增设底板模型梁Beam2卸载残余为6.8%，弹性性能表现良好；在第二阶段随荷载的继续增加，梁体出现裂缝并逐渐延伸发展，结构刚度下降，挠度变化明显增大。

图6 跨中截面荷载-挠度曲线

2）模型梁Beam2的正截面抗弯刚度明显提高，在第一阶段同级荷载下，跨中截面挠度较增设底板模型梁Beam1有明显减小，加载至等效设计值时，Beam2挠度试验值为3.95mm，试验值约为梁计算跨度的1/1370，小于桥梁规范对于简支梁桥挠度限值为L/300的规定；在同级荷载作用下，Beam2跨中挠度减小39%～58%。

3）极限状态下，增设底板模型梁Beam2的跨中挠度试验值为21.75mm，未增设底板模型梁Beam1的跨中挠度试验值为24.17mm，约为L/174，说明设计值偏安全。增设底板截面转换对增强主梁整体刚度效果明显，挠度最大幅值减小10%。

2.4 极限承载力分析

在持续加载过程中，截面受拉区的应力逐渐增大，当受拉区混凝土应力达到极限抗拉强度时，混凝土开裂，产生裂缝，混凝土退出工作，拉应力由钢筋承担。Beam1梁加载全过程中，裂缝出现在纯弯段内受拉区和梁端剪切斜截面，存在弯曲裂缝和剪切裂缝。当荷载达到326.3kN时结构最大裂缝宽度约为1.4mm，高度约为160mm，总体呈典型的受弯破坏裂缝；Beam2梁加载全过程中，裂缝主要集中在纯弯段新增底板受拉区，以弯曲裂缝为主。当荷载达到558.6kN时结构丧失承载力，此时最大裂缝宽度约为0.3mm，高度约为90mm，其余部位未见明显开裂现象。各模型梁裂缝示意如图7、图8所示。

图7 Beam1梁裂缝示意图

图8 Beam2梁裂缝示意图

表1 承载力试验值对比表（kN）

由上述图表，经分析可知：

1）对比2组模型梁的裂缝情况，第一阶段加载，由于Beam2模型梁增设底板及边梁，在加载至等效设计值时，未见可观测裂缝，第二阶段加载达到极限状态时，Beam2梁的最大裂缝宽度、高度均小于Beam1梁。说明新增底板能有效抑制裂缝的形成和发展，增强受拉区的抗拉能力，延缓中性轴的上移速度，提高开裂荷载。同时增加了梁端斜截面的抗剪强度，抑制剪切斜裂缝的产出。

2）对比2组模型梁的开裂荷载和极限荷载，增设底板模型梁承载力明显提高，极限承载力提高70%，加固增强效果显著。

3 结论

1）原窄梁模型增设钢筋混凝土底板后，底板与原窄梁可共同协调工作，共同承担桥面活荷载。

2）从加固前后试验梁的应变、挠度对比分析结果可看出，由于强度、刚度的提高，同级荷载作用下，混凝土压应力可减小45%～64%，钢筋拉应力可减小62%～72%，挠度可减小39%～58%；钢筋拉应力最大幅值可减少23%，挠度最大幅值可减少10%，主梁的力学性能明显大幅得到改善。

3）原窄梁模型增设钢筋混凝土底板后，可明显发挥箱梁抗扭性能，其抗扭刚度可提高6～8倍。

4）原窄梁模型增设钢筋混凝土底板后，原窄梁抗拉性能提高，开裂荷载和极限荷载明显提高，其极限承载能力可提高70%。

责任编辑：刘艳萍

本埠

重庆三个轨道交通建设项目获批

国家发改委近日正式批复了重庆轨道交通第三轮建设规划，到2022年，重庆市将新建成轨道交通70.51公里。

据介绍，重庆市轨道交通第二轮建设规划国家于2012年12月批复，在第一轮建设规划的基础上，新建四号线一期、五号线一期、六号线支线一期和二期、九号线一期和二期、十号线和环线等8个项目，全长约215.04公里。截至目前，我市第二轮轨道交通建设规划的项目已全部开工建设，并建成投运264公里。

为满足日益增长的城市交通需求，缓解城市交通拥堵压力，我市向国家申报了《重庆市城市快速轨道交通第三轮建设规划》。近期，国家发改委正式批复我市轨道交通第三轮建设规划。

根据批复，到2022年，我市将开展轨道交通第三轮建设，包括四号线二期工程、五号线北延伸段工程和五A线工程，线路总里程为70.51公里。其中，四号线二期工程，自唐家沱至石船，线路长32.60公里，设车站14座；五号线北延伸段工程，自园博中心至悦港北路，线路长8.95公里，设车站7座；五A线工程，自富华路至跳磴南，线路长28.96公里，设车站19座。

该规划的实施，将完成重庆市城市轨道交通 “八线一环”的基本网建设，弥补两江新区的东部片区轨道交通无覆盖，有利于促进唐家沱、鱼嘴、龙兴、悦来、大杨石、李家沱、大渡口等外围组团与中心城的联动发展。