市政道路箱涵下穿結(jié)構(gòu)靜動(dòng)載試驗(yàn)及承載能力評(píng)定

戴 巖

(西安交通基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，陜西 西安 710065)

·橋梁·隧道·

市政道路箱涵下穿結(jié)構(gòu)靜動(dòng)載試驗(yàn)及承載能力評(píng)定

戴 巖

(西安交通基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，陜西 西安 710065)

以某市三跨等高鋼筋混凝土箱涵為典型實(shí)例，介紹了該結(jié)構(gòu)靜動(dòng)載試驗(yàn)方法，并對(duì)該箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了承載力評(píng)定，為今后市政道路鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)載檢測(cè)試驗(yàn)及承載能力評(píng)定提供參考。

市政道路，鋼筋混凝土箱涵，承載力，靜動(dòng)載試驗(yàn)

1 工程概述

某市三跨等高鋼筋混凝土箱涵采用單箱三室混凝土連續(xù)框架結(jié)構(gòu)，跨徑分布形式為9.7 m+16.7 m+9.7 m，整個(gè)箱涵由南北方向四個(gè)單箱組成，位于中間及兩側(cè)的分隔帶內(nèi)各設(shè)1 cm的沉降縫。該箱涵為南北雙幅橋，單幅橋面布置為：12 m(快車道)+1.5 m(分割帶)+9 m(慢車道)+5.75(人行道)。

橋主要技術(shù)指標(biāo)為：設(shè)計(jì)載荷：汽—超20級(jí)，掛車—120，人群—4 kN/m2；設(shè)計(jì)地震烈度：8度；橋面凈寬：2×(凈12.00 m+9 m+5.75 m),橋梁全貌見圖1。

2 箱涵結(jié)構(gòu)靜力載荷試驗(yàn)

2.1 靜載荷試驗(yàn)測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)分布

為了了解該箱涵結(jié)構(gòu)在靜力載荷作用下的撓度及變形情況，分別選取了邊跨L/4，邊跨L/2以及中跨L/2三個(gè)截面作為測(cè)試截面，其具體截面位置及測(cè)點(diǎn)分布如圖2～圖4所示。

2.2 試驗(yàn)工況及靜載效率

靜載試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)要先確定本次試驗(yàn)的控制截面，因此首先采用專業(yè)橋梁計(jì)算軟件繪制出了該箱涵結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的彎矩包絡(luò)圖，由此可知，對(duì)于該箱涵結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，邊跨L/2處及中支點(diǎn)處為其控制截面，其控制內(nèi)力分別為最大正彎矩和最大負(fù)彎矩，具體情況如表1所示。

表1 控制截面相關(guān)參數(shù)

在確定控制截面之后，運(yùn)用專業(yè)橋梁計(jì)算軟件繪制出該箱涵結(jié)構(gòu)控制截面的彎矩影響線，根據(jù)彎矩影響線確定加載車的布置位置，確定了A，B，C，D四個(gè)加載工況，其中在箱涵縱向：A，B工況按截面1最不利正彎矩位置加載，C，D工況按截面2最不利負(fù)彎矩位置加載；在箱涵橫向：A，C工況為中載加載，B，D工況為偏載加載。

靜載荷試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的承載能力，本箱涵設(shè)計(jì)取用的計(jì)算荷載為城市—A級(jí)，驗(yàn)算荷載為掛車—120，為了保證試驗(yàn)的有效性，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中的建議，靜載試驗(yàn)效率η的取值范圍規(guī)定為0.8～1.05。

η=Ssat/(S×δ)。

其中，Ssat為控制截面在試驗(yàn)荷載作用下的變位或內(nèi)力的計(jì)算值；S為控制截面在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載作用下的變位或內(nèi)力的計(jì)算值；δ為動(dòng)力系數(shù)，δ=1+μ。計(jì)算汽車荷載效應(yīng)時(shí)，工況A，B的沖擊系數(shù)取為：δ=1+μ=1+0.26=1.26，工況C,D的沖擊系數(shù)取為：δ=1+μ=1+0.14=1.14。

本次靜力載荷試驗(yàn)共采用三輛加載車，為便于在結(jié)構(gòu)計(jì)算中的分析，取三輛加載車的平均車重為標(biāo)準(zhǔn)車重，即349.0 kN，每輛車的前軸重69.8 kN，中軸重139.6 kN，后軸重139.6 kN。靜載試驗(yàn)加載效率結(jié)果見表2。

由上可見，靜載試驗(yàn)效率符合《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中0.8-1.05的規(guī)定，表明該箱涵結(jié)構(gòu)靜載荷試驗(yàn)加載的有效性。

表2 靜載試驗(yàn)加載效率

2.3 靜載荷試驗(yàn)結(jié)果及理論分析

采用橋梁專業(yè)有限元分析軟件MIDAS對(duì)該箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算分析，首先建立全結(jié)構(gòu)空間有限元模型，考慮到箱涵的受力特點(diǎn)并結(jié)合本箱涵的情況，采用空間板單元進(jìn)行建模，并將土體對(duì)箱涵側(cè)墻的推力簡(jiǎn)化為等效土彈簧，采用M法來(lái)確定土彈簧的剛度。最終，建立的全結(jié)構(gòu)模型共1 420個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 336個(gè)單元，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果包括撓度及應(yīng)變，將A，B，C，D四種工況下控制截面撓度、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)的最大值、最小值及平均值匯總，如表3所示。

表3 校驗(yàn)系數(shù)匯總表

目前，對(duì)于箱涵結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)值的范圍，相關(guān)國(guó)家規(guī)范及《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》并沒有明確提及，而箱涵結(jié)構(gòu)的受力性能處于梁式橋與拱橋之間，鋼筋混凝土梁式橋的校驗(yàn)系數(shù)值范圍比拱橋的校驗(yàn)系數(shù)范圍小，因此，為安全保守起見，箱涵結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土梁式橋的校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行評(píng)定，由表3可見，各工況下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)平均值范圍為：0.74～0.79，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)平均值范圍為0.49～0.72，均沒有超出鋼筋混凝土梁橋的相關(guān)校驗(yàn)系數(shù)范圍(撓度：0.50～0.90，應(yīng)變：0.40～0.80)。說(shuō)明該箱涵結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)汽車荷載作用下處于彈性狀態(tài)，剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

3 箱涵結(jié)構(gòu)動(dòng)力載荷試驗(yàn)

該箱涵結(jié)構(gòu)動(dòng)力載荷試驗(yàn)采用靜力載荷試驗(yàn)中的加載車進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)方法為：一輛載重車分別以30 km/h,40 km/h及50 km/h的速度駛過箱涵，用傳感器采集動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度及加速度，對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行頻譜分析，進(jìn)而求得其阻尼比、頻率，根據(jù)采集到的最大動(dòng)撓度值與之前相應(yīng)的靜撓度相比，可得該箱涵結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)。

結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)時(shí)的振型、周期及頻率可以反映結(jié)構(gòu)自振特性，分析結(jié)構(gòu)自振特性的基本方法是分離變量法，將結(jié)構(gòu)坐標(biāo)變量與時(shí)間變量相分離，利用其特征方程有非零解的性質(zhì)，求解此特征方程，可求得結(jié)構(gòu)的振型及其相對(duì)應(yīng)的自振頻率。

運(yùn)用MIDAS有限元分析軟件建立空間模型，并采用子空間迭代的方法進(jìn)行計(jì)算，即可得到該箱涵結(jié)構(gòu)的一階振型及二階振型，如圖6，圖7所示。

通過跑車試驗(yàn)可以分別得到30 km/h，40 km/h以及50 km/h速度時(shí)的橋面加速度時(shí)程曲線，對(duì)得到的時(shí)程曲線進(jìn)行譜分析，即可得到試驗(yàn)時(shí)該結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)自振頻率，如圖8～圖11所示。

根據(jù)動(dòng)力載荷試驗(yàn)結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)一階自振頻率及實(shí)測(cè)二階自振頻率(f1=12.89 Hz，f2=17.58 Hz)均高于有限元理論計(jì)算所得的頻率(f1=8.65 Hz，f2=12.61 Hz)，結(jié)果表明，該箱涵結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼筋混凝土箱涵作為市政道路工程下穿主線時(shí)經(jīng)常采用的結(jié)構(gòu)形式，其受力形式與連續(xù)梁橋類似，承載力評(píng)定及荷載試驗(yàn)方法基本可參照梁式橋的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但又有所不同，箱涵常埋于地下，土對(duì)側(cè)墻的推力作用對(duì)荷載試驗(yàn)準(zhǔn)確度有著很明顯的影響，因此在有限元分析中合理的模擬土的推力作用對(duì)其承載力的評(píng)定至關(guān)重要，本文中該三跨箱涵結(jié)構(gòu)的承載能力評(píng)定試驗(yàn)對(duì)類似結(jié)構(gòu)的承載能力評(píng)定有著很好的借鑒作用。

[1] JTG/T J21—2011，公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].

[2] JTG D60—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[4] JTG D60—2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[5] CJJ 11—2011，城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] 劉培文，周 衛(wèi).公路小橋涵設(shè)計(jì)示例[M].北京：人民交通出版社，2005.

[7] 顧克明，蘇清洪.公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)——涵洞[M].北京：人民交通出版社，2001.

Static-dynamic load test and bearing capacity evaluation of municipal road box girder under-passing structure

Dai Yan

(Xi’anTrafficFundamentalConstructionEngineeringQualitySupervisionStation,Xi’an710065,China)

Taking the three-span equivalent-height steel reinforced box girder as typical example, the paper introduces its static-dynamic load testing method, and carries out bearing capacity evaluation of the box girder structure, which has provided some guidance for static-dynamic load test and bearing capacity evaluation of steel reinforced concrete box girder structure of the municipal road in future.

municipal road, steel reinforced concrete box girder, bearing capacity, static-dynamic load test

1009-6825(2017)03-0148-03

2016-11-14

戴 巖(1984- )，男，工程師

U441.2

A