市政道路箱涵下穿結(jié)構(gòu)靜動載試驗(yàn)及承載能力評定

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)靜動載試驗(yàn)及承載能力評定

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)靜動載試驗(yàn)方法，并對該箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了承載力評定，為今后市政道路鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)的靜動載檢測試驗(yàn)及承載能力評定提供參考。

市政道路，鋼筋混凝土箱涵，承載力，靜動載試驗(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，整個箱涵由南北方向四個單箱組成，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，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)測試截面及測點(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/2三個截面作為測試截面，其具體截面位置及測點(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，對于該箱涵結(jié)構(gòu)來說，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，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評定規(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為動力系數(shù)，δ=1+μ。計(jì)算汽車荷載效應(yīng)時，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評定規(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，并將土體對箱涵側(cè)墻的推力簡化為等效土彈簧，采用M法來確定土彈簧的剛度。最終，建立的全結(jié)構(gòu)模型共1 420個節(jié)點(diǎn)，1 336個單元，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，對于箱涵結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)值的范圍，相關(guān)國家規(guī)范及《公路橋梁承載能力檢測評定規(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)動力載荷試驗(yàn)

該箱涵結(jié)構(gòu)動力載荷試驗(yàn)采用靜力載荷試驗(yàn)中的加載車進(jìn)行測試，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，用傳感器采集動應(yīng)變、動撓度及加速度，對上述參數(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)自由振動時的振型、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速度時的橋面加速度時程曲線，對得到的時程曲線進(jìn)行譜分析，即可得到試驗(yàn)時該結(jié)構(gòu)的實(shí)測自振頻率，如圖8～圖11所示。

根據(jù)動力載荷試驗(yàn)結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)的實(shí)測一階自振頻率及實(shí)測二階自振頻率(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)的動剛度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

鋼筋混凝土箱涵作為市政道路工程下穿主線時經(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，土對側(cè)墻的推力作用對荷載試驗(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其承載力的評定至關(guān)重要，本文中該三跨箱涵結(jié)構(gòu)的承載能力評定試驗(yàn)對類似結(jié)構(gòu)的承載能力評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評定規(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——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

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