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        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

        2017-03-15 11:05:46
        山西建筑 2017年3期
        關(guān)鍵詞:箱涵校驗(yàn)撓度

        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(gè)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(duì)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(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(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)國家規(guī)范及《公路橋梁承載能力檢測評(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(dòng)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(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

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