大件運(yùn)輸車輛通行拱橋臨時加固方法分析

何小林,宋恒揚(yáng)

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 611130）

0 引言

進(jìn)入“十三五”以來，我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展迅速，裝備制造、石化、能源、冶金等行業(yè)一批重點(diǎn)工程項(xiàng)目紛紛上馬。隨著中部崛起、西部大開發(fā)等區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略的深入實(shí)施，中西部地區(qū)重點(diǎn)建設(shè)工程項(xiàng)目規(guī)模迅速擴(kuò)大，工業(yè)設(shè)備大型化、重型化的趨勢日益明顯，通過公路運(yùn)輸特大、特重型工業(yè)大件設(shè)備（如大型發(fā)電設(shè)備、重型裝備及工程機(jī)械等）已呈現(xiàn)常態(tài)化的趨勢。大件設(shè)備運(yùn)輸車輛的載重往往都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了橋梁的設(shè)計(jì)活載，對公路橋梁安全是一個極大挑戰(zhàn)。隨著我國能源、電力、基建等多個領(lǐng)域重大項(xiàng)目的建設(shè)實(shí)施，重裝大件儀器設(shè)備需運(yùn)抵項(xiàng)目現(xiàn)場或廠址，需借助部分非大件運(yùn)輸通道，早期修建的拱橋荷載標(biāo)準(zhǔn)較低，大件荷載軸重大于運(yùn)營橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)的50%~100%，為了確保運(yùn)輸設(shè)備和橋梁的運(yùn)營安全，需要通過拆除重建，或加固提升來改造該類橋梁，以滿足大件運(yùn)輸要求。拆除重建會造成浪費(fèi)，同時新建費(fèi)用高，建設(shè)周期長，不能滿足重裝設(shè)備大件運(yùn)輸時間的要求。因此，采用原橋加固提高50%~100%承載能力的加固方法，滿足大件運(yùn)輸通行更加科學(xué)而經(jīng)濟(jì)。

1 工程概況

某重裝大件儀器設(shè)備價值昂貴，運(yùn)輸車和設(shè)備總重272.0 t，需通過船舶將設(shè)備從制造廠址運(yùn)輸至樂山碼頭，經(jīng)公路轉(zhuǎn)運(yùn)至項(xiàng)目現(xiàn)場進(jìn)行組裝。大件運(yùn)輸荷載標(biāo)準(zhǔn)已大于公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)，為確保重裝儀器設(shè)備及公路橋梁運(yùn)輸安全[4]，需對運(yùn)輸線路上的橋梁進(jìn)行檢測及驗(yàn)算評估。青竹沱橋是位于公路運(yùn)輸線路上木城鎮(zhèn)鄉(xiāng)道上的一座拱橋，橋長50.6 m，凈跨徑為36 m，上部結(jié)構(gòu)主承構(gòu)件為75~72 cm厚的混凝土板拱，下部結(jié)構(gòu)為重力式混凝土橋臺，設(shè)計(jì)荷載為汽-20，掛-100，建成年限為1993年10月。該橋設(shè)計(jì)及竣工圖缺失，需對該橋進(jìn)行檢測及驗(yàn)算評估，根據(jù)評估結(jié)論確定橋梁是否可以滿足大件運(yùn)輸要求。

大件運(yùn)輸方案：采用法國Nicolas 2縱列[4]10軸線，牽引車軸重分別為6.3 t、6.3 t、11.2 t、11.2 t，10軸Nicolas軸液壓平板車，每軸重均為20.6 t。

2 橋梁檢測及驗(yàn)算評估

2.1 橋梁檢測

以運(yùn)輸線路上某跨徑36 m拱橋?yàn)槔?，因該橋設(shè)計(jì)及竣工圖缺失，需對橋梁檢測，通過結(jié)果對橋梁按上述運(yùn)載方案的實(shí)際荷載承載能力[2]進(jìn)行驗(yàn)算。橋梁檢測主要內(nèi)容：①結(jié)構(gòu)斷面尺寸測量；②主拱圈強(qiáng)度檢測；③拱軸線測量；④主拱圈鋼筋探測，如確定主拱圈材料為鋼筋混凝土，需進(jìn)一步對鋼筋的直徑、數(shù)量、間距等參數(shù)進(jìn)行測量；⑤通過鉆孔取樣對拱上填料進(jìn)行確認(rèn)；⑥對橋梁結(jié)構(gòu)外觀缺損狀況檢查評定[2]。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算評估

采用Midas/Civil計(jì)算軟件建立有限元模型。主要建模參數(shù)列舉如下：

（1）材料參數(shù)：混凝土材料，查閱相關(guān)設(shè)計(jì)和竣工資料，橋跨結(jié)構(gòu)采用《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D61—2005）中C40混凝土進(jìn)行建模。

（2）幾何參數(shù)：依據(jù)測量結(jié)果，得到實(shí)測拱軸線，主拱圈橫截面為7.5 m×0.72 m的矩形截面。

（3）荷載參數(shù)：該橋橋板承受的永久荷載主要包括自身結(jié)構(gòu)重力（包括上部填土及橋面鋪裝等）。基本可變荷載為特種車輛荷載，不考慮整體升溫和降溫的作用以及梁板非線性溫差荷載等。驗(yàn)算大件荷載時，不考慮沖擊作用，也不考慮偏載作用。

（4）結(jié)構(gòu)建模：計(jì)算模型拱圈共計(jì)84個單元，單元編號自左拱腳至右拱腳依次為1~84。

（5）荷載組合說明：考慮到對于拱橋而言，橋梁自重有可能是有利荷載，且該橋外觀尺寸通過現(xiàn)場測量，恒載是確定的，故選擇荷載組合1與2用于承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算。

荷載組合1：1.2×恒載+1.1×活載；

荷載組合2：1.0×恒載+1.1×活載。

從計(jì)算結(jié)果來看：拱腳、1/4和3/4截面抗力不滿足規(guī)范要求，表1給出了控制截面的結(jié)果。

表1 抗力不滿足規(guī)范要求控制截面計(jì)算結(jié)果

3 拱橋加固原理及思路

采用上述運(yùn)載方案的實(shí)際荷載[4]對拱橋進(jìn)行檢算。檢算結(jié)果表明：承載能力不能滿足上述大件運(yùn)輸車輛通行的要求，需對該橋進(jìn)行加固處治。加固思路考慮增大截面[1]高度的加固方式，其在施工過程中增加的截面無法自行承力，需依附于原有結(jié)構(gòu)受力，注定了增大的厚度一般在20~30 cm左右，對拱橋承載能力的提高有限。而調(diào)整拱上建筑恒載[1]受限于原有結(jié)構(gòu)重量，對拱橋承載能力的提高難以超過20%，進(jìn)而考慮采用在原拱圈增設(shè)鋼拱架的方式進(jìn)行加固的方案。在架設(shè)環(huán)節(jié)，既能夠有效承擔(dān)自重，且對薄弱截面拱腳承載力提高明顯，更容易實(shí)現(xiàn)提升原橋梁設(shè)計(jì)荷載等級。同時，結(jié)合橋梁所在地理位置的實(shí)際情況和運(yùn)輸時間的要求，為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的加固方法在加固拱橋時均需中斷交通，且加固施工時間周期較長、對周邊唯一交通通道影響較大、對承載力提升效果不穩(wěn)定等不足，需采用一種無需中斷交通的加固拱橋結(jié)構(gòu)及其施工方法，實(shí)現(xiàn)對拱橋結(jié)構(gòu)的加固。通過采用“橋上橋”[3]的方法原理研究分析，拱橋加固思路采用在原拱圈下方增設(shè)兩鉸拱結(jié)構(gòu)的鋼拱架，鋼拱架兩端設(shè)置新拱座，新增鋼拱架通過壓漿灌注與原拱橋密貼，不承擔(dān)原拱橋自重恒載，對原拱橋結(jié)構(gòu)薄弱截面承載力提高，拱腳處只傳遞力而不傳遞彎矩的臨時加固方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升原橋梁的承載力。采用該加固結(jié)構(gòu)，可克服橋梁周邊唯一交通通道和降低大件運(yùn)輸車輛通過后對橋下行洪能力影響，同時壓漿灌注材料對原拱橋結(jié)構(gòu)有一定的補(bǔ)強(qiáng)效果。

4 拱圈加固后結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

以跨徑36 m的青竹沱拱橋?yàn)槔捎肕idas/Civil計(jì)算軟件對原拱橋結(jié)構(gòu)和新增加固鋼拱架建立有限元模型，計(jì)算時考慮新增鋼拱架通過壓漿灌注與原拱橋密貼，不承擔(dān)原拱橋的自重恒載，既有拱橋與鋼拱架結(jié)構(gòu)剛度不同，鋼拱架有明確的剛度參數(shù)，采用剛度分配共同受力，新舊結(jié)構(gòu)采用剛性連接，釋放彎矩，按上述運(yùn)載方案的實(shí)際荷載進(jìn)行驗(yàn)算，以最大彎矩工況下的拱橋承載能力（軸力）為例，加固前其拱腳承載能力為21 377 kN，拱頂承載能力為31 428 kN。采用本加固結(jié)構(gòu)，拱腳、拱頂承載能力分別提高到45 931 kN和43 292 kN，承載能力分別提高115%和38%，因此該加固結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

5 拱橋大件運(yùn)輸臨時加固方法

該橋采用在原拱圈下方增設(shè)兩鉸拱鋼拱架的方法進(jìn)行加固。增設(shè)鋼拱架設(shè)置新拱座，拱腳處只傳遞力而不傳遞彎矩的加固方法，同時考慮橋下行洪的需求，該橋加固完成后需拆除加固結(jié)構(gòu)，保證橋下足夠的行洪空間要求，故該次大件運(yùn)輸拱橋加固方法為臨時加固方法。

5.1 臨時加固方法

在既有拱橋下方增設(shè)8列鋼拱架[1]，采用橫向連接桿和角鋼橫向連接桿加強(qiáng)鋼拱架的整體剛度。鋼拱架設(shè)置新拱座[1]，鋼拱架兩端均采用鉸支座。鉸支座通過豎向支撐件設(shè)于對應(yīng)的擋墻上，擋墻位于對應(yīng)的既有橋臺的前墻處。鉸支座通過橫向支撐件抵接于對應(yīng)鋼拱架即為兩鉸拱結(jié)構(gòu)。拱腳處只傳遞力而不傳遞彎矩，且相較于三鉸拱，結(jié)構(gòu)剛度更大，結(jié)構(gòu)更簡單，對基礎(chǔ)的要求更低，更利于臨時加固施工[1]。通過豎向支撐件和橫向支撐件共同提供沿所述鋼拱架軸向的支撐力，使鋼拱架能夠有效支撐既有拱圈。鋼拱架的拱腳設(shè)置在擋墻上，而非既有橋臺或既有拱圈上，對拱腳承載力提高明顯，進(jìn)而提升原橋梁設(shè)計(jì)荷載等級的承載力。鋼拱架與原拱圈采用壓漿灌注使新老結(jié)構(gòu)密貼，無需通過植筋等方式連接既有拱圈，從而通過增大截面高度進(jìn)行加固，不會對既有拱橋產(chǎn)生損傷，也無需對既有橋梁兩側(cè)加寬基礎(chǔ)或加寬拱座，從而對既有拱橋基礎(chǔ)及拱圈的力學(xué)性能影響非常小，在拆除時不會降低既有橋梁的原有承載能力。并且，所述鋼拱架能夠單獨(dú)受力，使得在施工該加固結(jié)構(gòu)的時候?qū)扔泄皹驍_動小，因而加固拱橋時無需中斷交通，同時施工工期短，安裝完畢后即可進(jìn)行大件運(yùn)輸工作，另外，鋼拱架還可以方便地拆除，便于在大件運(yùn)輸完成后恢復(fù)橋下空間，降低對行洪或通航的影響。既有拱橋下方增設(shè)鋼拱架加固立面示意圖見圖1。

圖1 既有拱橋下方增設(shè)鋼拱架加固立面示意圖

5.2 施工方法

在既有橋梁側(cè)面吊裝鋼拱架，然后通過預(yù)先設(shè)置的既有拱圈下方沿橫橋向鋪設(shè)所述軌道移動至既有拱圈下方，然后頂升鋼拱架至抵接支撐既有拱圈并固定鋼拱架，形成豎向支撐件和橫向支撐件支撐的狀態(tài)，再通過壓漿填筑鋼拱架頂板與既有拱圈之間的空隙，使增設(shè)鋼拱架與既有拱橋形成密貼，完成加固結(jié)構(gòu)的施工。各環(huán)節(jié)操作難度低，周期短，施工過程中無需與既有結(jié)構(gòu)連成整體，因而無需中斷交通進(jìn)行施工。施工環(huán)節(jié)無需混凝土澆筑，不存在養(yǎng)護(hù)周期，支撐完成即可開始大件運(yùn)輸，進(jìn)一步縮短整個工作周期。

6 結(jié)論

該拱橋結(jié)構(gòu)加固方法無需通過植筋等方式連接既有拱圈，從而通過增大截面高度進(jìn)行加固，不會對既有拱橋產(chǎn)生損傷，也無需對既有橋梁兩側(cè)加寬基礎(chǔ)或加寬拱座，從而對既有拱橋基礎(chǔ)及拱圈的力學(xué)性能影響非常小。在拆除時，不會降低既有橋梁的原有承載能力，并且所述鋼拱架能夠單獨(dú)受力，使得在施工該加固結(jié)構(gòu)的時候?qū)扔泄皹驍_動小，因而加固拱橋時無需中斷交通，同時施工工期短，僅需10~15 d，安裝完畢后即可進(jìn)行大件運(yùn)輸工作。另外，所述鋼拱架還可很方便地被拆除，便于在大件運(yùn)輸完成后恢復(fù)橋下空間，降低對行洪的影響。該結(jié)構(gòu)加固方法廣泛適用于各種材料結(jié)構(gòu)的拱橋。