地热供热经济性分析

闫丹丹

摘要：目前常规化石能源日渐短缺，而在总能耗中，民用采暖耗能比例逐年增长。文章介绍了几种常用的地热供热系统，建立了地热供热热价核算的数学模型，对几种地热供热形式进行了经济性分析，并对地热供热系统的选择提出了有效建议。

关键词：地热供热系统；热泵；热价；经济性分析；采暖耗能 文献标识码：A

中图分类号：TM617 文章编号：1009-2374（2016）15-0083-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.15.039

空腹式石拱桥是一种古老的桥型，在我国桥梁建设历程中具有悠久的历史，石拱桥是用天然石料作为主要建筑材料的拱桥，借着类似梯形石块的小单位，将桥身重量和其上的载重轴向传递到两端的桥墩。其利用块石互相推挤，充分发挥了天然石材自身的强度，增加桥体本身强度。同时与梁式桥相比，石拱桥具有造型优美、跨越能力较大、取材方便、造价和养护费用低、承载潜力大、使用寿命长等诸多优点，然而随着大吨位汽车保有量的剧增，对公路安全、快速、重载行驶的要求越来越高。由于交通运输的发展速度比荷载标准更新的速度快，桥梁超负荷现象普遍存在，致使原修建桥梁发生了不同程度的损伤。

1 依托工程概况

依托工程建成于1996年，原桥的设计标准为汽车-20级，挂车-100级，单幅双向两车道，全桥长185m，桥面全宽9.50m，横断面布置见图1。桥梁主桥上部结构主跨为1～80m空腹式石拱桥，拱上建筑采用空腹式拱式结构，主拱圈形式为悬链线，矢跨比1/6，拱轴系数m=2.814，主拱圈全宽9m；腹拱为跨径5m的石拱，拱厚0.35m，腹拱柱采用圬工砌体，宽度为1m。引桥采用3.8m和5m两种跨径板拱，板拱柱采用石砌实体立柱，宽度分别为1m和1.5m。长治方向上跨东长线，边跨采用1～13m简支空心板梁。桥型布置如图2。

由于该桥位于某国道重要运煤通道上，为重型拉煤车辆运行较为密集的通道，特别是2008年以后，平均日交通量也随之剧增，由原来的3500辆增加至7500辆，主要病害情况如下：左右两侧腹拱（三铰拱）变形过大，主拱拱板底面渗水泛白痕迹较多，桥面出现车辙、坑槽等病害。

2 空腹式拱桥主要加固方法

目前广泛采用的钢管混凝土拱桥的加固方法主要有三种：提高拱圈强度法、增大截面法和压浆加固法。

2.1 提高拱圈强度法

提高拱圈强度法是指在不增加恒载的情况下，提高主拱圈的抗拉能力以缓解裂缝扩展。提高拱圈强度法是指采用粘贴高强度材料增大主拱圈的强度，如碳纤维布、钢板等，减小主拱圈在汽车荷载作用下的拉应力，从而提高主拱圈的承载能力。这种方法不影响净空、不中断交通，适用于交通繁忙及桥下净空不宜减小的情况。

2.2 增大截面法

增大截面法是指在石拱桥主拱圈的拱腹或拱背上浇筑或锚喷一层砼，提高拱圈截面面积，从而恢复或提高结构的承载能力。在拱圈受压区的现浇混凝土层，增加了截面的有效高度，增大了构件的抗剪、抗弯承载能力，提高了构件的刚度。

2.3 压浆加固法

压浆加固法是指通过注浆的方法修复主拱圈上的裂缝，提高主拱圈的整体性、刚度和承载能力。压浆加固技术同时可以恢复并提高结构的抗渗性与耐久性。此法特别适用于砌筑块石砂浆不饱满、强度低的主拱圈。

2.4 其他加固方法

除以上方法外还有一些加固方法较少采用，如体外预应力法、改变结构体系法等。这些方法尚未经大量工程实践证明，但针对某些特定病害具有较好的加固效果，有待于进一步的研究拓展。

3 依托工程加固改造措施

3.1 立墙增大截面加固

对主桥两侧三铰拱的立墙采用增大截面法加固，整体外包50cm厚钢筋混凝土，以增大其抗推刚度。

3.2 三铰拱改建为两铰拱

拆除主桥南北两侧三铰腹拱及拱上建筑（含拱上填料、腹拱侧墙、护栏、桥面铺装等），预制两铰拱形式的新腹拱圈，并在两侧立柱预留弧形槽，在腹拱拱脚位置设置油毛毡与立柱弧形槽连接，腹拱圈厚度由原来的40cm增厚至50cm，一孔腹拱共设3道肋板，可有效提高两铰拱拱顶抗弯承载力。

3.3 更换腹拱拱上结构重做桥面铺装

新建两铰拱后，重做钢筋混凝土侧墙并回填整压粉煤灰加气混凝土填料，在混凝土调平层上新建20cm厚钢筋混凝土整体化铺装层，使得与原桥面标高保持一致，然后全桥桥面加铺微表处罩面。

4 有限元模拟分析

4.1 模型及基本参数

依据加固设计图纸，采用有限元结构分析软件MIDAS/CIVIL（V8.2.1）进行空间分析计算，全桥共405个节点、326个单元，主拱圈、腹拱及拱上立柱均采用梁单元进行模拟，考虑拱上填料的自重，采用均布荷载计入模型进行模拟，桥面系、护栏等二期恒载计入计算模型。计算模型见图3所示：

图3 有限元模型图

4.1.1 恒载。主拱圈、腹拱及拱上立柱根据设计截面计算自重（素混凝土容重按25kN/m3计入，钢筋混凝土容重按26kN/m3计），计算模型中各部位的构件按实际尺寸模拟。二期恒载包括护栏及桥面铺装等，按均布荷载考虑作用在主拱圈上。

4.1.2 活载。设计荷载：汽车-20级，挂车-100级。

4.1.3 基础不均匀沉降。主拱为空腹式石拱桥，腹拱为三铰拱改两铰拱，拱纵向为外部超静定体系，桥墩整体的沉降不均会导致结构内力变化，故本桥考虑支座不均匀沉降的影响。

4.1.4 温度荷载。结构整体升降温取±20℃。

4.2 加固过程仿真分析

桥梁的加固施工主要步骤包括两铰拱代替三铰拱、立墙增大截面加固、恢复拱上建筑、重做桥面铺装等，桥梁加固仿真分析过程见表1：

5 加固效果评估

5.1 三铰拱改建两铰拱过程

由图2可知，南北两侧三铰拱拆除后主拱圈拱顶竖向位移变化较小（下挠1.16mm），主拱圈近拱脚处（南北立柱柱底）位移变化0.52mm（上拱）左右，拆除前后荷载变化对主拱圈影响较小。

5.2 温度荷载作用

考虑两侧腹拱由三铰拱改建为两铰拱以及两侧立墙外包50cm厚钢筋混凝土后，加固前后温度荷载作用下腹拱拱圈位移计算值如表3所示。

由表3可知，腹拱拱脚产生的相对水平位移为0.54mm（向主拱跨中方向）+0.12mm（远离主拱跨中方向），拱顶竖向下挠4.05mm；北侧腹拱脚产生的相对水平位移为3.66mm（向主拱跨中方向）+0.05mm（远离主拱跨中方向），拱顶竖向下挠7.56mm。较加固前腹拱在温度荷载作用下的位移值，加固后的两铰拱在温度作用下的位移值明显减小，并且由三铰腹拱改建为两铰腹拱避免了腹拱拱顶不均匀沉降的发生。

5.3 车辆荷载作用

由图4和表5可知，加固后的腹拱两拱脚的水平位移和拱顶的竖向位移量值均减小，说明加固后拱两铰拱的受力得到改善，较原三铰拱刚度增大，在车辆荷载作用下的通行能力也得到改善。

6 结语

本文对重载地区空腹式石拱桥的典型病害进行了描述，并针对病害情况对几种常用加固方法进行了介绍，通过建立有限元模型，对加固施工的全过程进行模拟分析，经计算发现加固后桥梁在自重及温度荷载作用下的受力情况得到改善，立墙的抗推刚度有较大改善，同时在车辆荷载作用下病害较为严重的腹拱位移较小，即通行能力得到提高。

参考文献

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作者简介：韩双（1989-），女，辽宁灯塔人，供职于中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，研究方向：施工技术。

（责任编辑：王 波）