預制過路箱涵通道結構安全性評定分析

■柳林芳

（山西路橋集團榆和高速公路有限公司，左權 032600）

城市地下過路箱涵作為一種安全、高效的通行方式，在人流量較大城區得到了廣泛應用[1-2]；但由于一些過路箱涵年久失修， 存在一定的安全隱患，如何對其結構安全性進行評定成為一項重要的課題[3-4]。 李博[5]對預制裝配式混凝土箱梁施工技術的優點進行分析，并結合某工程實例，對相關施工技術進行了詳細介紹。 徐禪[6]以城市污水箱涵為研究對象，通過超聲波、雷達以及沖擊回波等方法對箱涵腐蝕程度進行了介紹，并基于檢測參數建立了數值模型，分析了其受力特點，為箱涵的加固提供了參考。 路家峰等[7]以某污水箱涵為研究對象，采用規范計算和數值建模的方法，對結構穩定性進行了分析，為評價其結構安全性提供了參考。 本文以某地下裝配式預制箱涵為對象，采用檢測、數值模擬分析和理論計算的方法對其結構安全性進行了評定分析，以期為類似箱涵安全評估和加固提供參考。

1 工程概況

某地下通道為裝配式預制箱涵（按照市政公用工程分類，地下通道屬于城市橋梁工程），凈跨徑和凈高分別為5.1 m、2.9 m，如圖1 所示。 預制箱涵混凝土設計強度為C35。 由于該地下箱涵運營時間較長，為了保障行人安全，需對該地下箱涵進行結構安全性評定分析。

圖1 地下箱涵結構示意圖

2 箱涵通道的檢測分析

2.1 混凝土強度

采用回彈法進行混凝土表面強度和分布特征測試，在箱涵頂板選擇10 個檢測區域，優先選取受力較大的部位和混凝土外觀質量較差的部位；每個測區邊長200 mm×200 mm，在每個測區上采集16 個回彈值， 結合碳化深度測量值修正后計算出各個測區的混凝土強度換算值。采用JGJ/T 23-2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》進行檢測，根據GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》，可知該地下通道的混凝土強度測試結果為良好，具體如表1 所示。

表1 地下通道混凝土強度評定

2.2 鋼筋銹蝕程度的檢測

鋼筋的銹蝕與混凝土的結構及液相成分有關，同時鋼筋銹蝕也是影響結構安全和耐久性的關鍵因素。 對混凝土結構主要構件布設測區檢測鋼筋銹蝕電位，每一測區的測點數不宜少于20 個。 本次檢測所用的儀器為ZBL-C310 鋼筋銹蝕檢測儀，測量系統的連接示意圖如圖2 所示。 各測區的鋼筋銹蝕電位的檢測結果如表2 所示（由于篇幅有限，省略部分數據）。

圖2 鋼筋銹蝕電位測試系統示意

表2 混凝土構件鋼筋銹蝕實測值（單位：mV）

由表2 可見，所有的檢測電位值都處于0～-200 mV，根據JGT/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中銹蝕電位的評判標準，可確定地下通道頂板混凝土的鋼筋銹蝕評定標度為1，即無銹蝕活動性或銹蝕活動性不確定，表明該地下通道混凝土鋼筋銹蝕概率低，鋼筋銹蝕可能性較小。

2.3 混凝土碳化程度的檢測

通過測試混凝土的碳化深度，可評判混凝土碳化對鋼筋銹蝕的影響。 混凝土碳化狀況可采用在混凝土新鮮斷面觀察酸堿指示劑反應厚度的方法，根據測區混凝土碳化深度平均值與實測保護層厚度平均值的比值Kc，表3 是參照JGT/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》規定的混凝土碳化評定標度。

表3 混凝土碳化評定標準

實測得到的混凝土碳化深度平均值為2.5 mm，與實測的鋼筋保護層厚度平均值之比Kc小于0.5。對比表3，可知混凝土碳化程度的評定標度為1，說明該混凝土結構基本未碳化。

3 箱涵變形與受力分析

3.1 地下箱涵上作用的荷載

地下箱涵不僅受到自重和頂部荷載的作用，側面還受到土壓力的作用。 因此，該預制箱涵在彎矩計算和剪力計算時受到的外荷載為：

（1）通道兩側水平向土側壓力

通道頂部荷載集度：q1=32.34 kN/m2； 通道底部荷載集度：q2=72.226 kN/m2。

（2）通道頂部豎向荷載

豎向覆土壓力：qt=66 kN/m2；等效車輛荷載：qt=9.64 kN/m2。

計算彎矩時，通道所受外荷載如圖3 所示。 計算角點剪力時，通道所受外荷載如圖4 所示。

圖3 箱體外荷載示意圖（彎矩計算）

圖4 箱體外荷載示意圖（剪力計算）

3.2 模型變形和受力分析

為了分析該箱涵的結構受力， 采用有限元軟件MIDAS/Civil 建立模型進行有限元模擬分析。 圖5為該地下通道箱體有限元計算模型圖， 表4 為箱涵相關力學參數。

圖5 地下通道箱體有限元計算模型

表4 箱涵力學參數

圖6 為地下箱涵變形云圖，由圖可知，箱涵頂部中心沉降值最大，最大沉降值為3.3 mm。 圖7 為地下通道箱體正應力云圖，由圖可知，地下箱涵頂部箱壁上側受壓，下側受拉，在箱涵頂板兩側內角處出現小范圍應力集中現象。

圖6 地下通道箱體變形云圖

圖7 地下通道箱體應力云圖

對箱涵跨中截面和箱角截面進行承載能力極限狀態下內力驗算，如圖8 所示，承載能力極限狀態組合設計值如下： 組合設計值=1.2×自重+1.2×二期+1.2×土側壓力+1.4×車輛荷載。

圖8 地下通道箱體驗算截面位置示意

表5 為承載能力極限狀態下不同截面的內力計算結果，根據計算得到的數據，在下節中主要對箱涵承載能力極限狀態下的箱涵穩定性進行驗算分析。

表5 不同截面的內力計算結果（單位：kN·m）

4 承載能力極限狀態下的穩定性分析

4.1 主要材料及其參數取值

根據設計圖紙，可知鋼筋采用HRB335，抗拉強度標準值335 MPa，設計值280 MPa，通道混凝土抗壓強度設計值為35 MPa。根據JGT/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》 中提供的鋼筋混凝土橋梁承載能力驗算公式進行承載能力驗算及評價：

式中：γ0是結構的重要性系數，取為1.0；S 是荷載組合作用效應；R(·）是抗力效應函數； fd是材料強度設計值；adc是構件混凝土幾何參數值；ads是構件鋼筋幾何參數值；ξe是承載能力惡化系數，取0.011；Z1是承載能力檢算系數，取1.13；ξc是配筋混凝土結構的截面折減系數， 取1.00；ξs是鋼筋的截面折減系數，取1.00。

4.2 箱涵通道的抗彎驗算

地下通道的頂板跨中、支點截面結構如圖9所示。根據鋼筋布置圖，求中性軸位置x：

圖9 通道頂板跨中、角點截面圖

（1）通道頂板跨中抗彎驗算

由截面上水平方向內力之和為0 的平衡條件，可得到：

則中性軸距上邊緣的距離：

式中， fsd是鋼筋抗拉強度標準值，fsd=335 MPa；fcd是混凝土軸心抗壓強度實測值，fcd=35 MPa；As是受拉鋼筋總面積，As=0007854 m2；是受壓鋼筋總面積，A′s=0.005027 m2；b 為頂板寬度。

那么，該通道的極限抗彎承載力為：

通道頂板跨中抗彎承載力滿足承載能力極限狀態要求，說明正常使用極限狀態工況下也滿足要求，驗算通過。

（2）通道頂板角點抗彎驗算

與跨中截面不同， 角點處承受負彎矩作用，上部受拉而下部受壓。 由截面上水平方向內力之和為0 的平衡條件，可得到：

則中性軸距下邊緣的距離：

其中，fsd是鋼筋抗拉強度標準值，fsd=335 MPa；fcd是混凝土軸心抗壓強度實測值，fcd=35 MPa；As是受壓鋼筋總面積，As=0.007854 m2；是受拉鋼筋總面積，=0.005027 m2。

那么，該通道頂板角點的極限抗彎承載力為：

通道頂板角點抗彎承載力滿足承載能力極限狀態要求，說明正常使用極限狀態工況下也滿足要求，驗算通過。

4.3 箱涵通道的抗剪驗算

根據JTG D62-2004 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中5.2.9 的規定，矩形截面受彎構件其抗剪截面應符合下列要求：

式中，Vd為驗算截面處由作用（或荷載）產生的剪力組合設計值，單位是kN；fcu,k為混凝土立方體抗壓強度標準值，單位是MPa。

則該通道的極限抗剪承載力為：

該通道頂板角點抗剪驗算通過。

綜上可知，該地下裝配式預制箱涵通道結構狀況良好，可正常使用。

5 結論

以某道路地下裝配式預制箱涵為對象，采用檢測、數值模擬分析和理論計算的方法對其結構安全性進行了評定分析，得到以下結論：（1）地下通道的混凝土強度測試狀態評定為良好；地下通道混凝土鋼筋銹蝕概率低，鋼筋銹蝕可能性較小；混凝土碳化程度的評定標度為1，該混凝土結構基本未碳化；（2）地下箱涵在自重、頂部荷載和側面土壓力的作用下，箱涵頂部中心沉降值最大，最大沉降值為3.3 mm。 箱涵頂部箱壁上側受壓、下側受拉，在箱涵頂板兩側內角處出現小范圍應力集中現象；（3）通過對箱涵在承載能力極限狀態下的驗算分析，得出地下箱涵頂板跨中和頂板角點抗彎承載力以及頂板角點抗剪承載力均滿足正常使用要求。