跨越式保通橋設(shè)計方法簡析

顏亮　張立明　包孔波

摘 要：為了解決特大、特重型設(shè)備運輸中超重車輛過橋的需求，開發(fā)了一種新型跨越式保通橋設(shè)計方案。結(jié)合昆山再生資源綜合利用項目飛灰填埋場工程中一座舊橋——華德爾橋的加固案例，對跨越式保通橋的具體設(shè)計方案做了詳細的結(jié)構(gòu)驗算，分析了該方案對舊橋上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的影響，驗證了該方案的可行性，以期為今后其他類似項目提供借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：舊橋；超重車輛；跨越式保通橋

中圖分類號：U445.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）11-0007-04

0引言

特大、特重型工業(yè)裝備需經(jīng)由公路或城市道路進行運輸，而國內(nèi)大量現(xiàn)存橋梁由于建造年代久遠，建造時的設(shè)計標準較低，加上年久失修，其承載能力已不能滿足特重型車輛的通行，成為了特重裝備運輸?shù)恼系K。這些橋梁中有相當(dāng)一部分其下部結(jié)構(gòu)（尤以重力式墩臺）承載能力富余量較大，僅上部結(jié)構(gòu)承載能力不足。對于此類橋梁采用跨越式保通橋的設(shè)計方案，利用舊橋的下部結(jié)構(gòu)，在確保上部結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞的情況下，可以使得特重型車輛安全快速地通過舊橋[1]。

1工程案例

案例項目為昆山再生資源綜合利用項目飛灰填埋場工程，該工程廠區(qū)入口有一舊橋華德爾橋。在施工期間，需要通過的重車載重大概為35～40 t，運輸工具擬采用13 m半掛車，其軸重為14 t。而根據(jù)靜載試驗報告，該橋限載僅30 t，故該橋需要加固。為節(jié)約工期，降低工程造價，設(shè)計項目組擬采用跨越式保通橋方案對橋梁進行加固。

2設(shè)計方案

采用跨越式保通橋方案時，要求重載車輛的荷載不作用在舊橋的上部結(jié)構(gòu)，車輛荷載完全由架設(shè)在舊橋墩臺頂部的跨越梁承擔(dān)。本項目中，舊橋為3跨，故需在橋墩處設(shè)置臨時支座（圖1～圖3）?？缭搅鹤鳛樘刂匦蛙囕v跨越過程中的臨時加固結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力按彈性分析確定，其豎向變形量應(yīng)能夠適應(yīng)車輛的通行。

該加固結(jié)構(gòu)為6 m+10 m+6 m長的工字鋼組裝而成，工字鋼型號為32C，工字鋼中心間距0.3 m，延橋梁縱向每隔1 m設(shè)置厚16 mm的橫隔板。在梁端及跨中均在工字鋼底部焊接整體聯(lián)系鋼板（3 800 mm× 300 mm×20 mm）。在工字鋼頂部焊接整體防滑鋼板，防滑板寬3.8 m，厚12 mm。下部采用預(yù)制條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)在支撐位置設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)片。基底設(shè)置1 cm厚的氯丁橡膠。

3理論分析

3.1 上部結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計的荷載組合按照1.2倍的恒載+2.0倍活載（考慮汽車的動載沖擊系數(shù)為2）進行計算。

經(jīng)計算10 m跨鋼結(jié)構(gòu)便橋的最大彎曲正應(yīng)力為141 MPa，最大剪應(yīng)力為45 MPa，均滿足規(guī)范要求，鋼梁最大豎向變形為11 mm，小于10 m鋼結(jié)構(gòu)的容許變形（L/500=20 mm），滿足規(guī)范要求。10 m便橋計算模型如圖4所示。

經(jīng)計算，6 m跨鋼結(jié)構(gòu)便橋的最大彎曲正應(yīng)力為88 MPa，最大剪應(yīng)力為45 MPa，均滿足規(guī)范要求。鋼梁最大豎向變形為2.3 mm，小于6 m鋼結(jié)構(gòu)的容許變形（L/500=12 mm），滿足規(guī)范要求。6 m便橋計算模型如圖5所示。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

3.2.1靜載壓力

計算時，按照輪載接觸的鋼板面積進行混凝土墊塊的強度計算。靜載壓力計算圖示如圖6所示。計算公式如式（1）。

Q=（A×R+ B）/2=（400×1.2+108）/2=294 kN? ? （1）

其中：Q為中墩位置墊塊受到的單側(cè)垂直壓力；A為設(shè)計行車荷載，取400 kN （偏保守計為汽車全部質(zhì)量壓在墊塊上）；R為安全系數(shù)，取1.2；B為鋼梁自重（墊塊分擔(dān)鋼梁自重最大為108 kN）；S為墊塊混凝土承壓面積（即：梁端底鋼板的接觸面積0.8x0.3）。

總承壓面積計算公式如式（2）。

S=0.3×0.8=0.24 m2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

混凝土局部壓力強度計算公式如式（3）。

Q/S=294/0.24=1.225 MPa? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

小于混凝土抗壓強度設(shè)計值16.1 MPa，故C35混凝土墊塊滿足承載要求。

3.2.2動荷載對墊塊混凝土的破壞力

取動荷載為靜載壓力的2.5倍計算墊塊混凝土局部壓力強度，計算公式如式（4）。

Q1=2.5Q=2.5×400/2=500 kN? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

計算結(jié)果為：Q1/S=500/0.24=2.1 MPa，小于混凝土抗壓強度設(shè)計值16.1 MPa。墊塊混凝土滿足動載要求。

3.2.3地基承載力計算

地基承載面積為4.2 m×0.4 m=1.68 m2。偏保守計汽車荷載全部作用在墊塊上，建立模型并分析計算。保通橋基礎(chǔ)平面如圖7所示，墊塊范圍有限元模型如圖8所示。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，墊塊所受最大壓應(yīng)力為860 kPa。本工程墊塊作用于混凝土板面上，設(shè)計時將混凝土條形基礎(chǔ)作用在橋面板板頂，故其抗壓強度小于C30混凝土抗壓強度設(shè)計值13.8 MPa。

3.3 鋼橋?qū)εf橋下部結(jié)構(gòu)的影響

本次設(shè)計按照舊橋活載30 t和增加鋼跨越梁后活載40 t進行中墩頂比較分析（偏于保守，計車輛荷載全部作用在中墩位置，不計蓋梁及欄桿自重等有利影響）。

舊橋恒載質(zhì)量= 空心板質(zhì)量+橋面鋪裝質(zhì)量

= 0.5×[3.31（10 m空心板中板方量）×23×9+1.75（6 m空心板中板方量）×23×9] +0.1×9.5×8×23（鋪裝質(zhì)量）

=0.5×（685.2+362.3）+174.8=698.6 kN

該橋檢測報告建議活載≤300 kN ，慮活載偏載系數(shù)為1.15。

樁基計算力=恒載+1.15活載 =0.5×（698.6+300×1.15）=521.8 kN。

重載車計算力=0.5×[698.6+108（鋼結(jié)構(gòu)分配到墩頂?shù)淖畲筚|(zhì)量）+0.73（混凝土墊塊方量）×24+400×1.15]=642 KN。

計算荷載提高比例=642/521.8=1.23 。

而舊橋樁基抗力系數(shù)為1.25，所以重載汽車對下部基礎(chǔ)不會產(chǎn)生承載力破壞。

根據(jù)JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，舊橋橋臺基礎(chǔ)承載力抗力系數(shù)至少可增大到1.25。

4足尺模型荷載試驗

4.1 試驗荷載

載荷試驗按荷載等效的原則布載，試驗加載車的總重為330 kN。加載車輛的技術(shù)參數(shù)見圖9。試驗前對實際加載車輛的軸重、軸距、輪距等技術(shù)參數(shù)進行量測，軸重稱重誤差控制在±5 kN以內(nèi)。加載車實際載重見表1。

4.2 加載效率

4.2.1測試截面的選擇

根據(jù)跨越梁的結(jié)構(gòu)形式確定了本次橋梁靜載試驗選擇的測試跨位及測試截面，各跨跨中1-1～3-3截面作為最大正彎矩與撓度測試截面，測試截面布置如圖10所示。

4.2.2測試截面的加載效率

靜力試驗荷載采用載重汽車進行等效加載。就某一特定荷載工況，試驗荷載的大小和加載位置的選擇采用靜載試驗效率系數(shù)進行控制，靜力試驗荷載的效率系數(shù)即為試驗施加荷載產(chǎn)生的作用效應(yīng)和設(shè)計荷載作用效應(yīng)（考慮沖擊影響）的比值，一般宜在0.95～1.05[2] 。

本次試驗按公路-Ⅱ級為控制荷載，橋跨控制截面在活載、試驗荷載下的內(nèi)力和試驗效率見表2所示，彎矩單位為kN·m。

工況一：1-1截面最大正彎矩和最大豎向撓度效應(yīng)加載，中載試驗。

工況二：2-2截面最大正彎矩和最大豎向撓度效應(yīng)加載，中載試驗。

工況三：3-3截面最大正彎矩和最大豎向撓度效應(yīng)加載，中載試驗。

測試項目：加載前、加載后及卸載后各截面的應(yīng)變及撓度。

4.3 靜載試驗結(jié)果

4.3.1應(yīng)變結(jié)果

各荷載工況作用下應(yīng)變數(shù)據(jù)分析見表3～5所示，表中應(yīng)變以拉應(yīng)變?yōu)檎?、壓?yīng)變?yōu)樨摗?/p>

4.3.2撓度結(jié)果

各荷載工況作用下相應(yīng)截面的實測撓度與理論值的比較表見表6～8所示，正號表示向上，負號表示向下。

4.4 靜載試驗評價

靜載試驗評價結(jié)果如下：①試驗荷載的效率系數(shù)值在規(guī)定0.95～1.05，符合《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）的要求，本次試驗加載有效。②靜載試驗中，華德爾橋主要控制截面各測點應(yīng)變實測值均小于理論值，應(yīng)變校驗系數(shù)小于1.0，校驗系數(shù)介于0.59～0.80，表明該橋結(jié)構(gòu)強度滿足控制荷載要求。③靜載試驗中，華德爾橋主要控制截面各測點撓度實測值均小于理論值，撓度校驗系數(shù)小于1.0，校驗系數(shù)介于0.64～0.83，表明該橋結(jié)構(gòu)剛度滿足控制荷載要求。④靜載試驗中，華德爾橋各控制測點的相對殘余撓度均小于20％，表明橋梁結(jié)構(gòu)變形在控制荷載作用下能得到有效恢復(fù)，基本處于彈性工作狀態(tài)。

5 結(jié)束語

當(dāng)超重車輛需要通過承載力較低的舊橋時，或者在特定情況下（如地震、戰(zhàn)時破損）橋梁臨時保通時，通過新型保通鋼便橋的方法，采用在原橋上鋪設(shè)臨時性分載梁，通過精心設(shè)計，便能夠安全、經(jīng)濟、快速地保障超重車輛安全通過既有橋梁。

參考文獻

[1] 中億豐建設(shè)集團股份有限公司.一種保通鋼便橋體系[P].中國，CN115679848A.2022.11.23.

[2] 劉江濤，楊光哲.大跨徑斜拉橋靜載試驗研究[J].城市道橋與防洪，2019（11）：118-120.

收稿日期：2023-10-09

作者簡介：顏亮（1981—），男，江蘇鹽城人，本科，高級工程師，從事橋梁設(shè)計工作。