大件运输车辆通行拱桥临时加固方法分析
时间：2023-06-19 18:15:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
何小林,宋恒扬
（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 611130）
进入“十三五”以来，我国社会主义现代化建设发展迅速，装备制造、石化、能源、冶金等行业一批重点工程项目纷纷上马。随着中部崛起、西部大开发等区域发展战略的深入实施，中西部地区重点建设工程项目规模迅速扩大，工业设备大型化、重型化的趋势日益明显，通过公路运输特大、特重型工业大件设备（如大型发电设备、重型装备及工程机械等）已呈现常态化的趋势。大件设备运输车辆的载重往往都远远超过了桥梁的设计活载，对公路桥梁安全是一个极大挑战。随着我国能源、电力、基建等多个领域重大项目的建设实施，重装大件仪器设备需运抵项目现场或厂址，需借助部分非大件运输通道，早期修建的拱桥荷载标准较低，大件荷载轴重大于运营桥梁荷载标准的50%~100%，为了确保运输设备和桥梁的运营安全，需要通过拆除重建，或加固提升来改造该类桥梁，以满足大件运输要求。拆除重建会造成浪费，同时新建费用高，建设周期长，不能满足重装设备大件运输时间的要求。因此，采用原桥加固提高50%~100%承载能力的加固方法，满足大件运输通行更加科学而经济。
某重装大件仪器设备价值昂贵，运输车和设备总重272.0 t，需通过船舶将设备从制造厂址运输至乐山码头，经公路转运至项目现场进行组装。大件运输荷载标准已大于公路桥梁荷载标准，为确保重装仪器设备及公路桥梁运输安全[4]，需对运输线路上的桥梁进行检测及验算评估。青竹沱桥是位于公路运输线路上木城镇乡道上的一座拱桥，桥长50.6 m，净跨径为36 m，上部结构主承构件为75~72 cm厚的混凝土板拱，下部结构为重力式混凝土桥台，设计荷载为汽-20，挂-100，建成年限为1993年10月。该桥设计及竣工图缺失，需对该桥进行检测及验算评估，根据评估结论确定桥梁是否可以满足大件运输要求。
大件运输方案：采用法国Nicolas 2纵列[4]10轴线，牵引车轴重分别为6.3 t、6.3 t、11.2 t、11.2 t，10轴Nicolas轴液压平板车，每轴重均为20.6 t。
2.1 桥梁检测
以运输线路上某跨径36 m拱桥为例，因该桥设计及竣工图缺失，需对桥梁检测，通过结果对桥梁按上述运载方案的实际荷载承载能力[2]进行验算。桥梁检测主要内容：①结构断面尺寸测量；
②主拱圈强度检测；
③拱轴线测量；
④主拱圈钢筋探测，如确定主拱圈材料为钢筋混凝土，需进一步对钢筋的直径、数量、间距等参数进行测量；
⑤通过钻孔取样对拱上填料进行确认；
⑥对桥梁结构外观缺损状况检查评定[2]。
2.2 桥梁结构承载能力验算评估
采用Midas/Civil计算软件建立有限元模型。主要建模参数列举如下：
（1）材料参数：混凝土材料，查阅相关设计和竣工资料，桥跨结构采用《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61—2005）中C40混凝土进行建模。
（2）几何参数：依据测量结果，得到实测拱轴线，主拱圈横截面为7.5 m×0.72 m的矩形截面。
（3）荷载参数：该桥桥板承受的永久荷载主要包括自身结构重力（包括上部填土及桥面铺装等）。基本可变荷载为特种车辆荷载，不考虑整体升温和降温的作用以及梁板非线性温差荷载等。验算大件荷载时，不考虑冲击作用，也不考虑偏载作用。
（4）结构建模：计算模型拱圈共计84个单元，单元编号自左拱脚至右拱脚依次为1~84。
（5）荷载组合说明：考虑到对于拱桥而言，桥梁自重有可能是有利荷载，且该桥外观尺寸通过现场测量，恒载是确定的，故选择荷载组合1与2用于承载能力极限状态验算。
荷载组合1：1.2×恒载+1.1×活载；
荷载组合2：1.0×恒载+1.1×活载。
从计算结果来看：拱脚、1/4和3/4截面抗力不满足规范要求，表1给出了控制截面的结果。
表1 抗力不满足规范要求控制截面计算结果
采用上述运载方案的实际荷载[4]对拱桥进行检算。检算结果表明：承载能力不能满足上述大件运输车辆通行的要求，需对该桥进行加固处治。加固思路考虑增大截面[1]高度的加固方式，其在施工过程中增加的截面无法自行承力，需依附于原有结构受力，注定了增大的厚度一般在20~30 cm左右，对拱桥承载能力的提高有限。而调整拱上建筑恒载[1]受限于原有结构重量，对拱桥承载能力的提高难以超过20%，进而考虑采用在原拱圈增设钢拱架的方式进行加固的方案。在架设环节，既能够有效承担自重，且对薄弱截面拱脚承载力提高明显，更容易实现提升原桥梁设计荷载等级。同时，结合桥梁所在地理位置的实际情况和运输时间的要求，为了克服现有技术中的加固方法在加固拱桥时均需中断交通，且加固施工时间周期较长、对周边唯一交通通道影响较大、对承载力提升效果不稳定等不足，需采用一种无需中断交通的加固拱桥结构及其施工方法，实现对拱桥结构的加固。通过采用“桥上桥”[3]的方法原理研究分析，拱桥加固思路采用在原拱圈下方增设两铰拱结构的钢拱架，钢拱架两端设置新拱座，新增钢拱架通过压浆灌注与原拱桥密贴，不承担原拱桥自重恒载，对原拱桥结构薄弱截面承载力提高，拱脚处只传递力而不传递弯矩的临时加固方法，进而实现提升原桥梁的承载力。采用该加固结构，可克服桥梁周边唯一交通通道和降低大件运输车辆通过后对桥下行洪能力影响，同时压浆灌注材料对原拱桥结构有一定的补强效果。
以跨径36 m的青竹沱拱桥为例，采用Midas/Civil计算软件对原拱桥结构和新增加固钢拱架建立有限元模型，计算时考虑新增钢拱架通过压浆灌注与原拱桥密贴，不承担原拱桥的自重恒载，既有拱桥与钢拱架结构刚度不同，钢拱架有明确的刚度参数，采用刚度分配共同受力，新旧结构采用刚性连接，释放弯矩，按上述运载方案的实际荷载进行验算，以最大弯矩工况下的拱桥承载能力（轴力）为例，加固前其拱脚承载能力为21 377 kN，拱顶承载能力为31 428 kN。采用本加固结构，拱脚、拱顶承载能力分别提高到45 931 kN和43 292 kN，承载能力分别提高115%和38%，因此该加固结构的强度、刚度和稳定性满足规范要求。
该桥采用在原拱圈下方增设两铰拱钢拱架的方法进行加固。增设钢拱架设置新拱座，拱脚处只传递力而不传递弯矩的加固方法，同时考虑桥下行洪的需求，该桥加固完成后需拆除加固结构，保证桥下足够的行洪空间要求，故该次大件运输拱桥加固方法为临时加固方法。
5.1 临时加固方法
在既有拱桥下方增设8列钢拱架[1]，采用横向连接杆和角钢横向连接杆加强钢拱架的整体刚度。钢拱架设置新拱座[1]，钢拱架两端均采用铰支座。铰支座通过竖向支撑件设于对应的挡墙上，挡墙位于对应的既有桥台的前墙处。铰支座通过横向支撑件抵接于对应钢拱架即为两铰拱结构。拱脚处只传递力而不传递弯矩，且相较于三铰拱，结构刚度更大，结构更简单，对基础的要求更低，更利于临时加固施工[1]。通过竖向支撑件和横向支撑件共同提供沿所述钢拱架轴向的支撑力，使钢拱架能够有效支撑既有拱圈。钢拱架的拱脚设置在挡墙上，而非既有桥台或既有拱圈上，对拱脚承载力提高明显，进而提升原桥梁设计荷载等级的承载力。钢拱架与原拱圈采用压浆灌注使新老结构密贴，无需通过植筋等方式连接既有拱圈，从而通过增大截面高度进行加固，不会对既有拱桥产生损伤，也无需对既有桥梁两侧加宽基础或加宽拱座，从而对既有拱桥基础及拱圈的力学性能影响非常小，在拆除时不会降低既有桥梁的原有承载能力。并且，所述钢拱架能够单独受力，使得在施工该加固结构的时候对既有拱桥扰动小，因而加固拱桥时无需中断交通，同时施工工期短，安装完毕后即可进行大件运输工作，另外，钢拱架还可以方便地拆除，便于在大件运输完成后恢复桥下空间，降低对行洪或通航的影响。既有拱桥下方增设钢拱架加固立面示意图见图1。
图1 既有拱桥下方增设钢拱架加固立面示意图
5.2 施工方法
在既有桥梁侧面吊装钢拱架，然后通过预先设置的既有拱圈下方沿横桥向铺设所述轨道移动至既有拱圈下方，然后顶升钢拱架至抵接支撑既有拱圈并固定钢拱架，形成竖向支撑件和横向支撑件支撑的状态，再通过压浆填筑钢拱架顶板与既有拱圈之间的空隙，使增设钢拱架与既有拱桥形成密贴，完成加固结构的施工。各环节操作难度低，周期短，施工过程中无需与既有结构连成整体，因而无需中断交通进行施工。施工环节无需混凝土浇筑，不存在养护周期，支撑完成即可开始大件运输，进一步缩短整个工作周期。
该拱桥结构加固方法无需通过植筋等方式连接既有拱圈，从而通过增大截面高度进行加固，不会对既有拱桥产生损伤，也无需对既有桥梁两侧加宽基础或加宽拱座，从而对既有拱桥基础及拱圈的力学性能影响非常小。在拆除时，不会降低既有桥梁的原有承载能力，并且所述钢拱架能够单独受力，使得在施工该加固结构的时候对既有拱桥扰动小，因而加固拱桥时无需中断交通，同时施工工期短，仅需10~15 d，安装完毕后即可进行大件运输工作。另外，所述钢拱架还可很方便地被拆除，便于在大件运输完成后恢复桥下空间，降低对行洪的影响。该结构加固方法广泛适用于各种材料结构的拱桥。
猜你喜欢大件拱圈拱桥“南京大件”闯出高质量发展新路子华人时刊(2021年15期)2021-11-27兰香沟管桥拱圈施工技术铁道建筑技术(2020年11期)2020-05-22孔府宴大件——神仙鸭子金桥(2018年7期)2018-09-25水里的“小拱桥”创新作文(1-2年级)(2017年8期)2018-04-16水里的“小拱桥”创新作文(小学版)(2017年22期)2017-04-04复合主拱圈加固技术应用计算分析北方交通(2016年12期)2017-01-15拱圈及拱上施工技术在渡槽施工中的应用水利科技与经济(2016年5期)2016-04-22四川省内大件运输将提速专用汽车(2015年7期)2015-07-08高速公路大件车辆通行管理系统简介中国交通信息化(2015年9期)2015-06-06蛋壳与拱桥学苑创造·A版(2014年11期)2014-10-23
