预制过路箱涵通道结构安全性评定分析

■柳林芳

（山西路桥集团榆和高速公路有限公司，左权 032600）

城市地下过路箱涵作为一种安全、高效的通行方式，在人流量较大城区得到了广泛应用[1-2]；但由于一些过路箱涵年久失修， 存在一定的安全隐患，如何对其结构安全性进行评定成为一项重要的课题[3-4]。 李博[5]对预制装配式混凝土箱梁施工技术的优点进行分析，并结合某工程实例，对相关施工技术进行了详细介绍。 徐禅[6]以城市污水箱涵为研究对象，通过超声波、雷达以及冲击回波等方法对箱涵腐蚀程度进行了介绍，并基于检测参数建立了数值模型，分析了其受力特点，为箱涵的加固提供了参考。 路家峰等[7]以某污水箱涵为研究对象，采用规范计算和数值建模的方法，对结构稳定性进行了分析，为评价其结构安全性提供了参考。 本文以某地下装配式预制箱涵为对象，采用检测、数值模拟分析和理论计算的方法对其结构安全性进行了评定分析，以期为类似箱涵安全评估和加固提供参考。

1 工程概况

某地下通道为装配式预制箱涵（按照市政公用工程分类，地下通道属于城市桥梁工程），净跨径和净高分别为5.1 m、2.9 m，如图1 所示。 预制箱涵混凝土设计强度为C35。 由于该地下箱涵运营时间较长，为了保障行人安全，需对该地下箱涵进行结构安全性评定分析。

图1 地下箱涵结构示意图

2 箱涵通道的检测分析

2.1 混凝土强度

采用回弹法进行混凝土表面强度和分布特征测试，在箱涵顶板选择10 个检测区域，优先选取受力较大的部位和混凝土外观质量较差的部位；每个测区边长200 mm×200 mm，在每个测区上采集16 个回弹值， 结合碳化深度测量值修正后计算出各个测区的混凝土强度换算值。采用JGJ/T 23-2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》进行检测，根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》，可知该地下通道的混凝土强度测试结果为良好，具体如表1 所示。

表1 地下通道混凝土强度评定

2.2 钢筋锈蚀程度的检测

钢筋的锈蚀与混凝土的结构及液相成分有关，同时钢筋锈蚀也是影响结构安全和耐久性的关键因素。 对混凝土结构主要构件布设测区检测钢筋锈蚀电位，每一测区的测点数不宜少于20 个。 本次检测所用的仪器为ZBL-C310 钢筋锈蚀检测仪，测量系统的连接示意图如图2 所示。 各测区的钢筋锈蚀电位的检测结果如表2 所示（由于篇幅有限，省略部分数据）。

图2 钢筋锈蚀电位测试系统示意

表2 混凝土构件钢筋锈蚀实测值（单位：mV）

由表2 可见，所有的检测电位值都处于0～-200 mV，根据JGT/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》中锈蚀电位的评判标准，可确定地下通道顶板混凝土的钢筋锈蚀评定标度为1，即无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定，表明该地下通道混凝土钢筋锈蚀概率低，钢筋锈蚀可能性较小。

2.3 混凝土碳化程度的检测

通过测试混凝土的碳化深度，可评判混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响。 混凝土碳化状况可采用在混凝土新鲜断面观察酸碱指示剂反应厚度的方法，根据测区混凝土碳化深度平均值与实测保护层厚度平均值的比值Kc，表3 是参照JGT/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》规定的混凝土碳化评定标度。

表3 混凝土碳化评定标准

实测得到的混凝土碳化深度平均值为2.5 mm，与实测的钢筋保护层厚度平均值之比Kc小于0.5。对比表3，可知混凝土碳化程度的评定标度为1，说明该混凝土结构基本未碳化。

3 箱涵变形与受力分析

3.1 地下箱涵上作用的荷载

地下箱涵不仅受到自重和顶部荷载的作用，侧面还受到土压力的作用。 因此，该预制箱涵在弯矩计算和剪力计算时受到的外荷载为：

（1）通道两侧水平向土侧压力

通道顶部荷载集度：q1=32.34 kN/m2； 通道底部荷载集度：q2=72.226 kN/m2。

（2）通道顶部竖向荷载

竖向覆土压力：qt=66 kN/m2；等效车辆荷载：qt=9.64 kN/m2。

计算弯矩时，通道所受外荷载如图3 所示。 计算角点剪力时，通道所受外荷载如图4 所示。

图3 箱体外荷载示意图（弯矩计算）

图4 箱体外荷载示意图（剪力计算）

3.2 模型变形和受力分析

为了分析该箱涵的结构受力， 采用有限元软件MIDAS/Civil 建立模型进行有限元模拟分析。 图5为该地下通道箱体有限元计算模型图， 表4 为箱涵相关力学参数。

图5 地下通道箱体有限元计算模型

表4 箱涵力学参数

图6 为地下箱涵变形云图，由图可知，箱涵顶部中心沉降值最大，最大沉降值为3.3 mm。 图7 为地下通道箱体正应力云图，由图可知，地下箱涵顶部箱壁上侧受压，下侧受拉，在箱涵顶板两侧内角处出现小范围应力集中现象。

图6 地下通道箱体变形云图

图7 地下通道箱体应力云图

对箱涵跨中截面和箱角截面进行承载能力极限状态下内力验算，如图8 所示，承载能力极限状态组合设计值如下： 组合设计值=1.2×自重+1.2×二期+1.2×土侧压力+1.4×车辆荷载。

图8 地下通道箱体验算截面位置示意

表5 为承载能力极限状态下不同截面的内力计算结果，根据计算得到的数据，在下节中主要对箱涵承载能力极限状态下的箱涵稳定性进行验算分析。

表5 不同截面的内力计算结果（单位：kN·m）

4 承载能力极限状态下的稳定性分析

4.1 主要材料及其参数取值

根据设计图纸，可知钢筋采用HRB335，抗拉强度标准值335 MPa，设计值280 MPa，通道混凝土抗压强度设计值为35 MPa。根据JGT/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》 中提供的钢筋混凝土桥梁承载能力验算公式进行承载能力验算及评价：

式中：γ0是结构的重要性系数，取为1.0；S 是荷载组合作用效应；R(·）是抗力效应函数； fd是材料强度设计值；adc是构件混凝土几何参数值；ads是构件钢筋几何参数值；ξe是承载能力恶化系数，取0.011；Z1是承载能力检算系数，取1.13；ξc是配筋混凝土结构的截面折减系数， 取1.00；ξs是钢筋的截面折减系数，取1.00。

4.2 箱涵通道的抗弯验算

地下通道的顶板跨中、支点截面结构如图9所示。根据钢筋布置图，求中性轴位置x：

图9 通道顶板跨中、角点截面图

（1）通道顶板跨中抗弯验算

由截面上水平方向内力之和为0 的平衡条件，可得到：

则中性轴距上边缘的距离：

式中， fsd是钢筋抗拉强度标准值，fsd=335 MPa；fcd是混凝土轴心抗压强度实测值，fcd=35 MPa；As是受拉钢筋总面积，As=0007854 m2；是受压钢筋总面积，A′s=0.005027 m2；b 为顶板宽度。

那么，该通道的极限抗弯承载力为：

通道顶板跨中抗弯承载力满足承载能力极限状态要求，说明正常使用极限状态工况下也满足要求，验算通过。

（2）通道顶板角点抗弯验算

与跨中截面不同， 角点处承受负弯矩作用，上部受拉而下部受压。 由截面上水平方向内力之和为0 的平衡条件，可得到：

则中性轴距下边缘的距离：

其中，fsd是钢筋抗拉强度标准值，fsd=335 MPa；fcd是混凝土轴心抗压强度实测值，fcd=35 MPa；As是受压钢筋总面积，As=0.007854 m2；是受拉钢筋总面积，=0.005027 m2。

那么，该通道顶板角点的极限抗弯承载力为：

通道顶板角点抗弯承载力满足承载能力极限状态要求，说明正常使用极限状态工况下也满足要求，验算通过。

4.3 箱涵通道的抗剪验算

根据JTG D62-2004 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中5.2.9 的规定，矩形截面受弯构件其抗剪截面应符合下列要求：

式中，Vd为验算截面处由作用（或荷载）产生的剪力组合设计值，单位是kN；fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值，单位是MPa。

则该通道的极限抗剪承载力为：

该通道顶板角点抗剪验算通过。

综上可知，该地下装配式预制箱涵通道结构状况良好，可正常使用。

5 结论

以某道路地下装配式预制箱涵为对象，采用检测、数值模拟分析和理论计算的方法对其结构安全性进行了评定分析，得到以下结论：（1）地下通道的混凝土强度测试状态评定为良好；地下通道混凝土钢筋锈蚀概率低，钢筋锈蚀可能性较小；混凝土碳化程度的评定标度为1，该混凝土结构基本未碳化；（2）地下箱涵在自重、顶部荷载和侧面土压力的作用下，箱涵顶部中心沉降值最大，最大沉降值为3.3 mm。 箱涵顶部箱壁上侧受压、下侧受拉，在箱涵顶板两侧内角处出现小范围应力集中现象；（3）通过对箱涵在承载能力极限状态下的验算分析，得出地下箱涵顶板跨中和顶板角点抗弯承载力以及顶板角点抗剪承载力均满足正常使用要求。