重载交通作用下桥梁加固方案及计算分析

张辉辉

(武汉中远海运集装箱运输有限公司,武汉 430000)

近年来，随着我国工业的发展，一些超大、超重的工业设备被制造出来，如超高反应塔、火箭推进器等设备[1,2]。由于这些工业设备制造地与使用地往往相距一定距离，因此需要将这些设备从生产地运输到使用地。并且由于设备往往是不可拆分运输的，运输件的重量可能非常大，如果运输由海运承担，将不存在运载重量上的制约因素[3]。但目前仍有大量的重载运输工作需要由公路运输完成。而公路等级、沿途桥梁承重能力将成为运输线路选择的重要因素。

一方面由于运输沿途部分桥梁结构的设计荷载低于重载运输的实际运输荷载，另一方面，由于环境长期侵蚀，车辆船只偶然撞击等因素，在役桥梁承载力存在不同程度的下降[4]。因此往往需要对运输沿途的桥梁结构进行承载力加固[5,6]。

该文以一个实际桥梁结构为例，首先从理论上分析了结构的弯矩、剪力承载力，并且根据荷载的具体形式及大小，分析了运输车辆及载件作用下结构的弯矩及剪力响应。然后根据两者的对比分析确定加固材料、加固形式。最后分析加固后的承载能力，对重载运输的通过性进行验算。该文的加固方案技术路线清晰，加固效果优良，可为类似工程提供参考。

1 项目基本概况

1.1 桥梁概况

岩脚高桥位于贵州省遵义市境内，为一孔净跨20.0 m装配式空心板梁桥，桥梁全长26.50 m，其中计算跨径19.3 m。桥梁里程桩号为K0+170.750～ K0+197.250。桥梁设计荷载为汽车-超20级，挂车-120。桥面宽度：0.5 m(防撞墙)+0.62 m(检修道)+净7.0 m+0.62 m(检修道)+0.5 m(防撞墙)=9.24 m。

空心板及桥面铺装为40号砼，栏杆30号砼。预应力筋采用标准强度1 500 MPa的低松弛钢铰线，直径15.24 mm，单根有效截面积140 mm2。预应力采用后张法施工。

桥梁横向划分为7块板，边板悬臂挑出25 cm，如图1所示。

由于该桥为老桥，在常年的维护中，空心板的下沉势必导致桥面铺装层加大，故桥面铺装由原设计的15 cm加厚到30 cm进行计算。

1.2 荷载概况

由于特种运输要求，现需要通过一列挂车，挂车满载407 t。407 t挂车相关数据为：纵向轴距1.6 m；轴重291 kN。纵横向布置如图2所示。

2 桥梁通过性验算

2.1 跨中荷载横向分布系数

空心板横截面及简化截面形式如图3所示，利用Midas中的截面特征计算器可求得中板及边板的截面特性，结果如表1所示。

表1 空心板截面特性

采用铰接板梁法求解空心板跨中横向分布系数，使用计算软件桥梁博士3.20版，计算结果如表2所示。

表2 影响线矩阵

特载通行时，要求挂车结构中心线与桥梁中心线重合，横桥向荷载加载位置固定，根据影响线矩阵及荷载加载位置可求得：2、3号板跨中横向分布系数为0.159，4号板跨中横向分布系数为0.145。

2.2 支点荷载横向分布系数

按杠杆法进行计算，加载位置如图4所示。

挂车荷载支点横向分布系数

荷载横向分布系数顺桥向变化如图5所示。

2.3 特载过桥计算

特载过桥计算利用软件桥梁博士3.20建立单梁模型进行结构验算。全桥共划分为23个节点，22个单元，采用桥梁博士建造结构的三维有限元模型如图6所示。

二期恒载——桥面铺装及防撞栏杆：取容重为26 kN/m3，栏杆截面积为2×0.3 m2，则

gq=(0.1×9.24+0.2×8.24+2×0.3)×26=81.91 kN/m

采用平均分摊的方法，则每块板g=81.91/7=11.7 kN/m

建模计算将支点处(2、22节点)、1/4跨处(7、17节点)、跨中处(12号节点)弯矩、剪力汇总如表3所示。

表3 控制点荷载汇总表

按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)4.1.6条，对荷载进行组合，验算结构承载能力极限状态值[7]，结构重要性系数取值为1.1，汽车荷载效应取值1.4，组合后可知各控制节点荷载状况，如表4所示。根据计算结果，汇总各控制点承载能力如表5所示。

表4 控制点荷载组合表

表5 控制点承载能力表

通过以上计算可知，既有桥梁未进行加固前通行满载407 t的挂车时，抗弯能力不满足要求，但抗剪能力能够满足要求。

3 加固方案及验算

3.1 加固方案

考虑此次重件运输车辆仅有一台(次)通行，由于桥梁结构形式为简支空心板，为了加固时施工方便，节约工期，对岩脚高桥采用增大截面法进行加固[8,9]，及凿除既有铺装层，重新铺装强度更高的C50聚丙烯纤维混凝土作为铺装层，铺装层为15 cm厚聚丙烯纤维混凝土+5 cm厚沥青混凝土，并在聚丙烯纤维混凝土中设置直径14 mm的HRB400钢筋网片，间距10×10 cm。

①C50聚丙烯纤维混凝土：弹性模量Ec=3.45×104MPa，轴心抗压强度标准值32.4 MPa，轴心抗拉强度标准值2.65 MPa，轴心抗压强度设计值22.4 MPa，轴心抗拉强度设计值1.83 MPa。

②水泥：采用普通硅酸盐42.5级以上的水泥，水泥质量须符合国经贸运行[2001]288号《关于实施水泥新标准有关问题的通知》的要求。

③改性聚丙烯纤维：聚丙烯纤维抗拉强度≥350 MPa；拉伸极限27.2%，纤维直径18～20 μm，纤维长度>12 mm，弹性模量≥3 500 MPa。其它技术指标应满足《公路水泥混凝土纤维材料聚丙烯纤维和聚丙腈纤维》(JT/T 525—2004)的要求。

④混凝土E200界面剂：为保证新老混凝土结合面的粘接强度，应使用E200混凝土界面剂。

E200界面剂由主剂、硬化剂和固化剂组成，主剂与固化剂的质量比为4∶1，可用时间在20 ℃时为(40±10)min，根据主剂和固化剂总用量、温度不同而不同。不宜在温度低于5 ℃时使用。

3.2 加固后验算

采用与前面相同的方式计算加固后弯矩的极限承载力，并与荷载产生的弯矩响应值相比较，得到结果如表6所示。

表6 加固效果验算

从表6中可以看出，加固后，关键节点的承载力均得到明显的提升，且均大于重载交通产生的荷载值，加固前结构的跨中承载力小于荷载产生的弯矩值，因此重载车无法通过，而在加固后，承载力能够保证车辆安全通过，证明了加固的有效性。

4 结 论

该文以一个实际桥梁的加固过程为案例，详细分析了重载交通作用下桥梁结构加固的计算分析过程，加固后结构的承载力得到明显增强，重载运输通过的安全性得到提高。可为类似运输途中遇到的加固问题提供参考依据。该文在结构承载力计算、结构荷载响应计算过程中运用理论分析与有限元模型相结合的方式进行，不仅提高了计算的准确度，也为类似结构的多片梁形式的桥梁计算提供参考。