预应力钢筋混凝土U型梁是槽型梁结构发展演化的产物, 不但继承了槽型梁结构的一般力学特征, 还在此基础上展现出其在轨道交通领域独特的实用性:景观效果好, 造型美观。U型梁较箱形梁建筑高度低, 提高了桥梁下方通行通航能力。U型梁两侧腹板作为声屏障, 具有隔声降噪的作用, 且能防止脱轨与翻车事故, 安全性高;其腹板顶面作为疏散平台和检修通道, 功能性强。U型梁具有经济性好、节约材料用量、降低工程造价等优点^[1]。因此, 预应力钢筋混凝土U型梁在我国大中城市轨道交通领域中的应用越来越广泛。

　　 U型梁结构属于一种空间结构, 在列车荷载作用下, 梁体呈现空间受力特性, 传力路线复杂, 各部位受力不明确, 本文依托北京市轨道交通22号线U型梁静载试验项目, 根据U型梁结构特点及力学特征, 研究了三种针对预应力钢筋混凝土U型梁竖向静载弯曲试验加载方案:堆载方案、自平衡反力架方案、抗拔桩门式反力架方案, 并应用加权平均数理统计分析思想, 对三种方案优缺点进行综合分析比选。

　　 北京轨道交通22号线采用U型梁, 该梁由北京市市政工程设计院总院有限公司设计。U型梁结构示意如图1所示, 梁高2 100mm, 支座位置处梁高2 270mm, 上口宽5 570mm, 下口宽4 470mm, 底板厚450mm, 腹板厚280mm, 外侧顶板宽780mm, 内侧顶板宽945mm。U型梁全长29.9m, 设置4个支座和4块防落梁挡块。混凝土强度等级C55, 普通钢筋等级HRB400, 预应力钢筋7ϕ^s 15.20。抗拉强度标准值1 860MPa, 弹性模量195GPa, 采用后张法施工工艺, 张拉控制应力为1 302MPa。U型梁纵向配置12束1 860MPa钢绞线, 每束10根, 沿梁体横向及竖向无预应力钢筋。

　　 本项目拟通过静载弯曲试验实际验证梁体的受力性能, 根据试验数据优化设计参数^[2]。依据《预应力混凝土铁路简支梁静载弯曲试验方法及评定标准》 (TB/T 2092—2003) ^[3], 本次试验预应力混凝土U型梁沿纵向需采用5个断面加载, 加载断面位置示意如图2所示。

　　 本次试验具有测点多、测试参数全、梁体结构复杂的特点, 结合北京市市政工程设计院总院有限公司提供的“北京轨道交通22号线 (徐辛庄～平谷段) 工程施工图设计-试验梁设计图”严格依据《预应力混凝土铁路简支梁静载弯曲试验方法及评定标准》 (TB/T 2092—2003) ^[3]规定, 制订了三种试验加载方案:堆载方案、自平衡反力架方案、抗拔桩门式反力架方案, 并就三套方案进行了力学、安全、经济及应用性方面的对比分析研究。

　　 采用堆载法进行加载, 一般应用于桩基静载试验, 在工期宽松、吊装方便情况也可应用于单梁静载试验。对于预应力钢筋混凝土U型梁竖向弯曲静载试验, 以破坏加载值为控制荷载进行试验方案加载设计, 每个断面的加载力为3 000kN, 为保证试验安全, 设定1.2倍安全系数, 所以压重设定为3 600kN, 选择预制混凝土块进行加载, 预制混凝土块尺寸0.6m×0.6m×1.5m, 单块重13.5kN, 沿梁体纵向布置18块, 横向布置6块, 高度布置13层, 共计需要1 404块。U型梁堆载压重横断面图见图3。

　　 随着钢结构施工技术的不断发展, 已经可以实现大型钢结构现场拼装施工, 根据作用力与反作用力的力学原理, 提出了制作自平衡反力架进行梁体竖向静载弯曲试验加载方案, 自平衡反力架组成主要有:上担梁、主梁、下担梁, 上、下担梁采用精轧螺纹钢连接, 按每个断面加载力为3 000kN设计, 经过计算分析、材料选型, 具体装配图如图4所示。

　　 考虑加载装置的稳固可靠性、现场安装是否方便、材料用量等因素, 通过查阅大量相关文献, 经深入分析和广泛讨论, 以抗拔桩为基础, 在抗拔桩上安装门式反力架, 在梁体支座位置制作混凝土枕梁, 枕梁下布设抗压桩, 形成抗拔桩门式反力架加载体系。

　　 为满足5个断面加载, 沿梁体纵向布置5榀抗拔桩门式反力架, 每榀反力架下设2个加载点, 每个断面加载力为3 000kN, 经过计算分析、材料选型, 抗拔桩门式反力架加载体系示意如图5所示。

　　 针对提出的三种加载方案, 从其力学性能、安全性、经济性及应用性四个指标进行综合对比分析研究。三种加载方案的优劣, 以加权值平均得分进行综合评定, 最终选定得分较高的方案。方案评选指标权重值见表1, 各项评定指标的分值见表2。

　 方案评选指标权重 表1

　　 预应力钢筋混凝土U型梁加载方案, 均以提供加载力为目的, 因此方案的力学性能主要考察其稳固性与传力性, 就这两项指标对三种加载方案进行对比分析, 如表3所示。

　　 加载方案安全性是选择方案重点考虑的因素, 就各加载方案在制作期、安装期、试验期的安全性进行分析, 如表4所示。

　　 加载方案经济性直接关系项目的成本与利润, 经济性是方案比选的主要目的, 主要涉及制作费、运输费和安装费, 就这三项指标对各加载方案进行对比分析, 如表5所示。

　　 加载方案应用性主要考察其安装拆卸是否方便, 对试验场地准备工作是否要求严苛, 以及试验结束后是否可以回收再利用, 就这三项指标对各加载方案进行对比分析, 见表6。

　　 堆载方案加权平均评比得分如下:

　　 $D=\frac{60\times 4+55\times 5+97\times 4+60\times 3}{4+5+4+3}=68$

　　 自平衡反力架方案加权平均评比得分如下:

　　 $D=\frac{55\times 4+70\times 5+54\times 4+55\times 3}{4+5+4+3}=59$

　　 抗拔桩门式反力架方案加权平均评比得分如下:

　　 $D=\frac{80\times 4+80\times 5+86\times 4+85\times 3}{4+5+4+3}=82$

　　 可见, 抗拔桩门式反力架方案得分82分, 为最高分, 所以选定此方案。

　　 北京轨道交通22号线项目开工之初, 设计施工完成3片试验梁的竖向静载弯曲试验, 本次试验采用抗拔桩门式反力架加载方案完成3片试验梁的竖向静载弯曲试验, 试验过程中抗拔桩、门式反力架均无不适于承载的变形, 其节点、焊缝以及销接部位连接牢靠, 抗拔桩、钢结构门式反力架制作施工成本与造价基本一致, 其安装拆卸方便。抗拔桩门式反力架试验工作现场照片及门式反力架吊装现场照片分别见图6、图7。

　　 本文就预应力钢筋混凝土U型梁竖向静载试验的三种加载方案 (堆载方案、自平衡反力架方案、抗拔桩门式反力架方案) 进行了深入分析研究, 分别从力学性能、安全性、经济性、应用性四个方面分析了三种方案的优缺点, 对影响各性能因素进行分析打分, 通过加权平均的方法, 对各方案进行综合评分, 最终选出最优加载方案——抗拔桩门式反力架加载方案。本文的评选方法可供参考。