桥隧搭接工程多源损伤及车辆冲击模型试验分析

王场

【摘要】按照现有工程案例，桥隧搭接工程的定义内涵盖桥梁伸入隧道内工程。桥隧搭接工程施工中往往会遇到软弱围岩问题，如IV＼V级围岩，进而导致工程损伤或病害现象的频繁发生，为运营期间造成严重安全隐患。随着我国近年来道路运输车辆超载状况的日渐严重，车辆长期荷载与其冲击作用，将对围岩影响下的桥隧搭接段各位置造成严重危害。基于此，必须深入分析车辆荷载与其冲击作用下的桥隧搭接工程。为此，本文主要对桥隧搭接工程多源损伤及其试验模型建立进行了分析与探究。

【关键词】桥隧搭接工程；多源损伤；车辆荷载；冲击作用；模型；试验；疲劳损伤；V级围岩

一、桥隧搭接工程多源损伤分析

因地形、地势等因素的影响，往往选取桥隧搭接的方式处理桥隧相连位置。如隧道洞口地势陡峭、地基条件差、围岩破碎多裂隙等，进而对施工后期使用情况造成严重影响。桥隧搭接工程中通车过程车辆荷载与其冲击作用是造成桥隧结构、洞口围岩扰动的主要因素，其具体划分如下：作用于隧道结构的为围岩反作用力、桥梁传递荷载；作用于洞口围岩的为开挖隧洞、施工桥梁结构或砌筑扰动等。因此，造成桥隧搭接工程损伤的因素较多，存在显著的多源性与密切联系。

疲劳是指在循环荷载作用下结构构件与其构成材料在静载强度以下性能恶化或失效的情况，属于不可逆过程。为此，桥隧搭接工程其结构产生的损伤都可在疲劳基础上进行分析。其主要原因在于车辆长期重复碾压作用下桥隧搭接结构内桥梁和隧道结构基础、隧道衬砌与隧道路面等，都会造成大小应力交替或循环作用，进而导致疲劳损伤状况的出现。如作用于桥隧搭接位置车辆的荷载较大，即超载、超重车辆多，将造成多种病害产生，如破损局部桥面、损毁伸缩缝等，从而导致桥面、桥头与隧道洞口位置跳车状况频发，并加大桥隧搭接结构疲劳损伤程度。

二、基于相似方法建立试验模型

为延长桥隧工程使用寿命，提高工程质量，要求相关部门必须重视桥隧搭接工程，基于相似方法进行试验模型建立，并选择合理方案，提高施工技术水平，只有这样才能确保桥梁搭接工程的整体质量，才能为交通事业发展提供强有力的保障。

1、相似条件

根据桥隧搭接工程各物理量，遵循量纲分析法，获取相似条件：

CL为试验模型的几何相似比，选取1/50为CL，各物理量相似关系、相似常数如表1所示。

表1 模型试验相似关系与相似常数

2、模型设计

（1）桥梁模型。以简支T梁为原型（30米x40米x50米）分析。选取钢筋微混凝土材料（C50）进行模型桥梁板制作。其中遵循原型桥上部结构进行梁板确定，其为矩形断面，板底纵向需进行钢筋埋设。选取钢筋微混凝土材料进行桥台、桩基础制作，选取大尺寸型钢构件进行桥墩模拟。40厘米为桩基础模型长度，3，6厘米为其直径，并将钢筋埋设于各个桩纵向位置。

（2）隧道衬砌模型。选取钢筋混凝土结构作为桥隧搭接隧道洞口段衬砌。试验中选取微混凝土（型号C30，厚度2厘米）与钢丝网（0.5毫米直径）合理配置的方式作为钢筋混凝土衬砌（C30）的衬砌模型。

3、模型试验

构建试验平台：选取木模板（高强度）、槽钢支架等进行隧道洞口位置试验向加工构建，其尺寸分别为长度200毫米、宽度40毫米、高度150毫米。试验中为便于查看，可选取有机玻璃模板应用于正面中心70x100厘米部分。一般在试验箱中间位置设置隧道模型，其中间位置与模型箱间的距离分别为左右2侧都为100厘米、上下部边界分别为60厘米与85厘米，这就要求在边界影响明显范围，隧道应与模型试验需求相符。此外还需进行围岩内土压力盒设置。

仪器设备：在桥隧搭接工程多源损伤分析的前提下，需重视测量误差值，并将其控制在合理范围内，根据工程建设需求，选取的试验仪器、设备如表2所示。

表2 试验仪器、设备表

试验方式：第一，计算模型桥配重。所有模型桥在试验中都需进行额外配重施加，以此最大限度地对模型试验需求进行满足。根据相似比，模型桥配重=桥梁原型（换算后）—模型桥自身重量。

第二，模拟汽车荷载与其冲击作用。车辆超载问题存在于我国各个地区，针对标准设计汽车荷载与2类超载形式分别进行试验分析，其等级如下：公路I级、超载1、超载2；原型车重则由55、80、110（单位为吨）表示。试验中，通常选取重物堆载与人工激励的方法对汽车荷载与其冲击作用进行模拟，换言之，通过重物对一定等级汽车荷载进行模拟，并在洞口周围堆载，随后在桥梁与洞口相近位置利用激振锤进行一定冲击作用施加。

第三，埋设测试元器件。在梁板端部、跨中截面中间位置、桩基顶端及中间位置、模型钢筋内埋设微应变片，以此对每个点的应变变化进行测量。桥梁端部、跨中梁底位移测定时可选取百分表。洞口边坡、仰坡等位置的裂缝、位移、变形情况可通过侧缝计、直尺进行测定。

第四，衬砌模型与围岩。围岩压力可通过压力盒埋设测量；洞附近位移可选取百分表测量；衬砌内外侧应变可选取微应变片测量。

试验流程：首先，将薄膜铺设于围岩模型箱侧壁，将制作好的围岩类似模拟材料，向围岩模型箱内分层填入。并在预定位置进行土压力传感器、桥台与桩基础埋设，并在预定位置进行铁皮筒埋设，要求铁皮筒润滑油涂抹到其外侧，内部需进行配比、密度相同围岩材料的填筑，以此为开挖模拟隧道提供有利条件。实验前需进行各类测试仪器安装，并对数据采集系统进行调试，完成围岩填筑需进行6小时静置，才能进行试验。其次，开挖模拟隧道时，需小心抽出预先埋设的铁皮筒，以此开挖隧道施工结束。在支护隧道衬砌时，在其预定位置小心放置隧道衬砌模型，以此进行隧洞支护结构模拟。再次，桥隧搭接施工模拟。在桥墩上架设模型梁非搭接端，通过螺栓固定其和隧道衬砌、桥台。利用重物悬挂加载的形式将模型桥额外配重施加到模型梁上，以此结束桥隧搭接施工。汽车荷载与其冲击作用模拟。按照一定顺序进行相应等级、次数汽车荷载与其冲击作用的施加，并采集相应数据、记录仪器读数，以此结束一个工况试验内容。最后，遵循各个工况原有条件与实际情况，反复以上内容，并做好仪器仪表安设工作、准确记录读数，确保各项试验内容的充分完成。试验结论：桥梁与桩基、隧道衬砌各部位位移或应变数值存在大小或正负反复变化，这是车辆荷载与其冲击诱发桥、隧结构各部位疲劳损伤最显著的外在力学行为方式，基于此，可通过疲劳损伤原理分析桥隧搭接工程内桥、隧等结构物的损伤。因长期处于疲劳损伤阶段或出现疲劳累积现象，将造成结构构件性能劣化、承载力降低及耐久性不足，因此必须重视桥隧搭接位置疲劳损伤问题。

三、结束语

综上所述，随着社会经济发展速度的不断提升，为满足车辆安全运行需求，公路桥隧工程施工必须严格按照设计规定进行。为有效解决现阶段桥隧搭接工程病害问题，必须准确分析其影响因素，并在此基础上，选取科学有效的措施进行桥隧搭接工程建设。汽车荷载与其冲击作用作为桥隧搭接工程多源损伤研究的重要内容，为达到桥隧施工目标，实现桥隧交通的社会效益与经济效益，要求相关部门必须根据试验结果，选择行之有效的方案，才能为国民经济可持续发展提供强有力的保障。

参考文献

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