戴 巖

(西安交通基本建設工程質量監督站，陜西 西安 710065)

·橋梁·隧道·

市政道路箱涵下穿結構靜動載試驗及承載能力評定

戴 巖

(西安交通基本建設工程質量監督站，陜西 西安 710065)

以某市三跨等高鋼筋混凝土箱涵為典型實例，介紹了該結構靜動載試驗方法，并對該箱涵結構進行了承載力評定，為今后市政道路鋼筋混凝土箱涵結構的靜動載檢測試驗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

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框架結構，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，位于中間及兩側的分隔帶內各設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)。

橋主要技術指標為：設計載荷：汽—超20級，掛車—120，人群—4 kN/m2；設計地震烈度：8度；橋面凈寬：2×(凈12.00 m+9 m+5.75 m),橋梁全貌見圖1。

2 箱涵結構靜力載荷試驗

2.1 靜載荷試驗測試截面及測點分布

為了了解該箱涵結構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分布如圖2～圖4所示。

2.2 試驗工況及靜載效率

靜載試驗工況設計要先確定本次試驗的控制截面，因此首先采用專業橋梁計算軟件繪制出了該箱涵結構在設計標準荷載作用下的彎矩包絡圖，由此可知，對于該箱涵結構來說，邊跨L/2處及中支點處為其控制截面，其控制內力分別為最大正彎矩和最大負彎矩，具體情況如表1所示。

表1 控制截面相關參數

在確定控制截面之后，運用專業橋梁計算軟件繪制出該箱涵結構控制截面的彎矩影響線，根據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。

靜載荷試驗的目的是檢驗結構的承載能力，本箱涵設計取用的計算荷載為城市—A級，驗算荷載為掛車—120，為了保證試驗的有效性，根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中的建議，靜載試驗效率η的取值范圍規定為0.8～1.05。

η=Ssat/(S×δ)。

其中，Ssat為控制截面在試驗荷載作用下的變位或內力的計算值；S為控制截面在設計標準汽車荷載作用下的變位或內力的計算值；δ為動力系數，δ=1+μ。計算汽車荷載效應時，工況A，B的沖擊系數取為：δ=1+μ=1+0.26=1.26，工況C,D的沖擊系數取為：δ=1+μ=1+0.14=1.14。

本次靜力載荷試驗共采用三輛加載車，為便于在結構計算中的分析，取三輛加載車的平均車重為標準車重，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。靜載試驗加載效率結果見表2。

由上可見，靜載試驗效率符合《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中0.8-1.05的規定，表明該箱涵結構靜載荷試驗加載的有效性。

表2 靜載試驗加載效率

2.3 靜載荷試驗結果及理論分析

采用橋梁專業有限元分析軟件MIDAS對該箱涵結構進行理論計算分析，首先建立全結構空間有限元模型，考慮到箱涵的受力特點并結合本箱涵的情況，采用空間板單元進行建模，并將土體對箱涵側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，建立的全結構模型共1 420個節點，1 336個單元，結構有限元模型如圖5所示。

試驗結果包括撓度及應變，將A，B，C，D四種工況下控制截面撓度、應變校驗系數的最大值、最小值及平均值匯總，如表3所示。

表3 校驗系數匯總表

目前，對于箱涵結構校驗系數值的范圍，相關國家規范及《公路橋梁承載能力檢測評定規程》并沒有明確提及，而箱涵結構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系數值范圍比拱橋的校驗系數范圍小，因此，為安全保守起見，箱涵結構采用鋼筋混凝土梁式橋的校驗系數進行評定，由表3可見，各工況下撓度校驗系數平均值范圍為：0.74～0.79，應變校驗系數平均值范圍為0.49～0.72，均沒有超出鋼筋混凝土梁橋的相關校驗系數范圍(撓度：0.50～0.90，應變：0.40～0.80)。說明該箱涵結構在設計汽車荷載作用下處于彈性狀態，剛度滿足設計要求。

3 箱涵結構動力載荷試驗

該箱涵結構動力載荷試驗采用靜力載荷試驗中的加載車進行測試，試驗方法為：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，用傳感器采集動應變、動撓度及加速度，對上述參數進行頻譜分析，進而求得其阻尼比、頻率，根據采集到的最大動撓度值與之前相應的靜撓度相比，可得該箱涵結構的沖擊系數。

結構自由振動時的振型、周期及頻率可以反映結構自振特性，分析結構自振特性的基本方法是分離變量法，將結構坐標變量與時間變量相分離，利用其特征方程有非零解的性質，求解此特征方程，可求得結構的振型及其相對應的自振頻率。

運用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行計算，即可得到該箱涵結構的一階振型及二階振型，如圖6，圖7所示。

通過跑車試驗可以分別得到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行譜分析，即可得到試驗時該結構的實測自振頻率，如圖8～圖11所示。

根據動力載荷試驗結果可以看出，結構的實測一階自振頻率及實測二階自振頻率(f1=12.89 Hz，f2=17.58 Hz)均高于有限元理論計算所得的頻率(f1=8.65 Hz，f2=12.61 Hz)，結果表明，該箱涵結構的動剛度滿足規范設計要求。

4 結語

鋼筋混凝土箱涵作為市政道路工程下穿主線時經常采用的結構形式，其受力形式與連續梁橋類似，承載力評定及荷載試驗方法基本可參照梁式橋的相關經驗，但又有所不同，箱涵常埋于地下，土對側墻的推力作用對荷載試驗準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重要，本文中該三跨箱涵結構的承載能力評定試驗對類似結構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程[S].

[2] JTG D60—2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[3] JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[4] JTG D60—2015，公路橋涵設計通用規范[S].

[5] CJJ 11—2011，城市橋梁設計規范[S].

[6] 劉培文，周 衛.公路小橋涵設計示例[M].北京：人民交通出版社，2005.

[7] 顧克明，蘇清洪.公路橋涵設計手冊——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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