地下通道荷载试验方法探讨

姚 嘉

(北京交通大学 土木与建筑学院，北京 100044)

长安街是北京市的一条东西轴线，原东起建国门，西至复兴门，天安门及天安门广场坐落于长安街中点的两侧。受有关部门委托对南池子通道、南长街通道、石碑胡同等6条地下通道进行实装荷载试验。

1 工程概况

南池子通道修建于1994年，净宽10.0 m，净高3.2 m，长约53.4 m，采用浅埋暗挖法施工。覆土深度0.8～1.2 m，初期支护为喷厚35 cm的C20混凝土及格栅支护;二次衬砌为厚40 cm的防水钢筋混凝土。设计荷载:汽超—20，挂—120。

2 试验方案

2.1 试验荷载

采用委托方提供的实际装备，即履带装备4台。履带装备荷载图式见图1。

2.2 工况及车辆布置

图1 履带装备荷载图式(单位:m)

地下通道跨径为7～12 m，纵向以一列车布置在各通道跨中，见图2。

图2 荷载车辆布置图式

横向按照装备方阵横向间距布置(工况一)，见图3。

2.3 检测内容

通道荷载试验测试内容有:顶板跨中位移，顶板最大位移点动位移，顶板跨中应力，顶板裂缝开展情况调查，通道上路面沉降，通道自振频率。

2.4 测点布置(见图3)

3 测试结果

3.1 通道的结构计算与力学分析

本次南池子通道工况一结构计算，首先根据《六十周年国庆道路工程组实装荷载试验实施方案》确定车位，考虑荷载车的纵向和横向布置情况，以及横向折减系数及荷载组合后，采用通用有限元程序进行分析。内力分析时相关参数设置有:①有限元单元类型，混凝土结构采用solid concrete 65;②材料特性，C20混凝土，弹性模量2.55×104MPa，泊松比0.2。

南池子通道结构计算模型见图4，第四级荷载作用下结构竖向变形和应力云图见图5。

3.2 结构测点竖向位移(见表1，图6～图10)

图3 履带装备荷载试验测点布置(单位:kN)

图4 南池子通道(工况一)结构计算模型

表1 南池子通道(工况一)结构测点竖向位移 mm

3.3 结构应力(见表2、图11)

表2 不同加载等级的荷载—应力值(工况一)MPa

3.4 自振频率(见图12、图13和表3)

表3 计算频率和实测频率 Hz

图5 第四级荷载(100%)作用下(工况一)结构竖向变形和应力云图

图6 结构测点最大静位移沉降槽曲线(工况一)

图7 各测点竖向荷载—位移关系曲线(工况一)

图8 线性相关图(工况一)

图9 加载过程位移曲线(工况一)

图10 卸载过程位移—时间曲线(工况一)

图11 荷载—应力曲线(工况一)

3.5 地面沉降(见表4、图14)

表4 南池子南侧路面测点高程变化(工况一)

图12 南池子通道(工况一)计算一阶模态

图13 南池子通道(工况一)信号频谱分析

3.6 裂缝观测

试验荷载作用下裂缝宽度不应超过设计标准的许可值，并且卸载后应闭合到小于容许值的1/3。原有的其它裂缝(施工的、收缩的温度裂缝)，受载后也不应超过标准容许宽度。静载试验时对南池子通道宽度较大的裂缝(弯曲裂缝)进行了观测，观测结果见表5。

4 荷载试验结果分析

4.1 加载效率

本次静载试验选择最大正弯矩截面，即跨中截面为控制截面。

表5 各级试验荷载作用下裂缝的开展情况(工况一) mm

式中，ηq为静载试验荷载效率;Ss为静载试验荷载作用下控制截面内力计算值;S为控制荷载作用下控制截面最不利内力计算值;(1+μ)为按规范采用的动力增大系数。本次试验的加载效率为1.02。

4.2 校验系数n的评定

结构校验系数是试验荷载下实测变位S实测(位移或应变)与理论计算变位S计算的比值η，比值越小说明桥梁安全储备越大，一般要求结构校验系数不大于1。

由本次试验挠度(或应变)统计结果和对比分析图线，校验系数见表6、表7。

表6 结构(挠度)校验系数统计(工况一)

表7 结构(应变)校验系数统计(工况一)

4.3 残余变形评定(见表8)

相对残余变形(或应变)定义为:残余变形(或应变)SP/总变形(或应变)Stot。相对残余变形越小说明结构越接近于弹性工作状态，一般要求相对残余变形＞20%，当相对残余变形＞20%时，应查明原因，如确系结构强度不足，应降低结构承载能力。

表8 挠度实测残余值及评定结果

4.4 裂缝评定

试验荷载作用下裂缝宽度不应超过设计标准的许可值，并且卸载后应闭合到小于容许值的1/3。原有的其它裂缝(施工的、收缩的温度裂缝)，受载后也不应超过标准容许宽度。所列裂缝宽度的测试结果表明(见表5)，在各级试验荷载作用下，所测的裂缝均有不同程度的增长，其中裂缝的最大增长量达0.05 mm。

5 结语

根据直观检查评定结构的承载力能力具有很大的主观性，而通过静载和动载试验，可以分析现有结构的实际工作状态，并能进一步准确地评定其承载能力。由于本次检测所用荷载车为军用履带车，发动时带有强烈的振动，且部分通道上方有覆土层，土体的不均匀及不确定性亦会直接影响检测结果。通过在内部试验路上进行多次试验，结合现场勘察，修改计算模型，使其尽量模拟结构真实受力情况。通过本次检测，可为日后同类检测项目总结积累经验，为今后的养护管理提供科学依据。

［1］中华人民共和国交通部.JTJ021—89 公路桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，1989.

［2］中华人民共和国建设部.CJJ69—95 城市人行天桥与人行地道技术规范［S］.北京:建筑工业出版社，1995.

［3］中华人民共和国建设部.GBT50344—2004 建筑结构检测技术标准［S］.北京:建筑工业出版社，2004.