桥梁维修加固过程中临时结构数值分析研究

陆栩梁

摘要 临时结构作为桥梁维修加固的辅助设施，其影响着维修过程的安全性。文章以实际工程为例，利用有限元软件对挂篮施工平台以及桥上施工平台进行数值分析，通过施加不同的维修工况以此判断临时结构的稳定性和强度是否满足要求，结果表明，不同工况下临时结构的位移、应力均不同，但均处于规范控制值范围内，通过该研究可为桥梁维修加固过程中临时结构的安全性设计提供参考依据。

关键词 桥梁维修;桥梁加固;临时结构;数值分析

中图分类号 U445.7 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）10-0104-03

0 引言

随着我国交通事业的不断发展，桥梁结构承受着越来越大的荷载压力，再加上自然条件、地理环境等因素的影响，使得桥梁工程项目在长期应用过程中，易产生结构方面的病害[1]。部分桥梁过早划分至危桥行列，若发生安全事故，将给社会造成巨大损失。因此，旧桥维修加固已成为桥梁养维护的重要环节[2]。桥梁属于悬空设施，在维修加固的过程中需要设置临时结构辅助施工[3]，要求临时结构具有较强稳定性及强度以保障维修加固过程中的安全。该文以吕山大桥桥梁维修加固工程为例，结合实际工程出现的安全风险问题，利用有限元软件对临时结构进行验算，确保临时结构的安全稳定。

1 工程概况

吕山大桥位于G318沪聂线长兴段，桥梁全长439.16 m，于2011年建成通车。其中，桥跨组合为（6×30 m）+71.76 m+（6×30 m），设计荷载为公路—Ⅰ级。据2020年9月对吕山大桥进行特殊检测结果显示，存在桥面板裂缝发展较快、主拱肋混凝土不密实等问题。此外，根据综合静载、动试验结果分析可知，桥梁承载能力不满足设计荷载（公路-Ⅰ级）要求。

针对吕山大桥出现的问题，维修加固的方法有以下几点：

（1）新增纵梁。

（2）拱肋加固。

（3）新增2道风撑。

（4）系梁体外索安装。

（5）更换吊杆。

（6）桥面板裂缝修复。

（7）全桥钢结构及混凝土防腐涂装。

（8）引桥缺陷修复。

（9）支座更换。

（10）桥面铺装更换。

（11）伸缩缝更换。

为方便上述加固方法实施，项目主要采用的临时结构设施有挂篮施工平台以及桥上施工平台。该文着重开展这两类临时结构的数值分析。

2 挂篮临时结构模型

2.1 挂篮参数

项目中挂篮施工平台长29.6 m，宽1.5 m，高4.2 m，主要采用Q235钢材及木板。该施工平台属于临时结构，采用容许应力法作为强度控制，上下弦、腹杆、斜杆等构件控制指标为[σ]≤210 MPa，[τ]≤160 MPa。

2.2 有限元模型

有限元模型如圖1所示，模型考虑的荷载如下：

（1）桁架自重：平台的主材为Q235，容重7.8 kN/m;防护网荷载为0.1 kN/m。

（2）人群及机具荷载：根据平台使用需求，考虑三种施工工况：1）工况Ⅰ（涂装工况）：人群及机具荷载考虑1.0 kN/m的均布荷载;2）工况Ⅱ（吊杆更换工况）：人群及机具荷载考虑挂篮端部3个节段2.0 kN/m的均布荷载;3）工况Ⅲ（纵梁增设工况）：人群及机具荷载考虑挂篮中部3个节段2.5 kN/m的均布荷载。

（3）风荷载：根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）[4]可得迎风面桁架的风载为：1.02 kN/m。

（4）荷载组合：1.2倍自重+1.2倍防护网+1.4倍人群机具荷载+1.4倍风荷载。

2.3 结果分析

不同工况下挂篮结构垂直方向变形以及应力结果如图2所示。由图可知，不同工况下的挂篮垂直方向位移不同。其中，在工况Ⅰ下挂篮的结构垂直方向位移最大，数值达48.6 mm，工况Ⅲ下位移次之，数值达47.4 mm，工况Ⅱ下位移最小，数值达22.7 mm，根据《装配式公路钢桥.制造》（JT-T 728—2008）规范最大允许挠度为L/300=25 730/300=85.7 mm。因此，通过对比可知三种工况下位移均在控制范围内。此外，工况Ⅰ最大拉、压应力（179.7 MPa、152.8 MPa）>工况Ⅲ最大拉、压应力（167.7 MPa、127.8 MPa）>工况Ⅱ最大拉、压应力（154.4 MPa、123.9 MPa），根据各构件强度控制指标可以看出，挂篮平台在设计荷载作用下是安全稳定的。

3 桥上施工平台模型

3.1 平台参数

桥上施工平台支架选用直径为48 mm壁厚3.5 mm钢管，材料为Q235，扣件连接，钢管立杆纵距120～150 cm，横距120 cm，立杆根部设置扫地杆离地间距不超过200 mm。两根相邻纵向水平杆的接头设置在不同跨内，错开的距离大于500 mm。

3.2 有限元模型

平台有限元模型考虑的荷载如下：

（1）支架自重支架主材为Q235，容重7.8 kN/m。

（2）人群及机具荷载。根据此平台使用需求，人群及机具荷载为：1.5 kN/m2的均布荷载。

（3）风荷载。根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130—2011）[5]可得迎风面桁架的风载为：0.25 kN/m。

（4）荷载组合：1.2倍自重+1.4倍人群机具荷载+1.4倍风荷载。

3.3 结果分析

有限元模型运行后稳定分析结果如表1所示，根据《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002—2017）[6]规定，其弹性屈曲系数应均不小于4，支架满足稳定性要求。

此外，施工平台应力云图如图3所示，其中，平台最大拉应力为190.8 MPa，最大压应力为180.6 MPa，两者均小于构件强度控制指标，该项目桥上施工平台在设计荷载作用下是安全稳定的。

4 结论

综上所述，桥梁维修加固工况复杂，根据数值分析结果显示，不同临时结构、不同工况下的临时结构应力及位移等数据各不相同。因此，针对桥梁维修加固工程中的临时结构，充分考虑其可能出现的不同工况特点，保证临时结构强度及稳定性符合要求，对目前桥梁维修工程的安全具有重要意义。

参考文献

[1]王美宽， 潘玲珑， 王荣庆. 论桥梁结构加固与维修技术分析[J]. 工业建筑， 2021（7）：253.

[2]《中国公路学报》编辑部. 中国桥梁工程学术研究综述·2021[J]. 中国公路学报， 2021（2）：97.

[3]刘孟. 公路桥梁施工中临时结构强度与稳定性分析[J]. 交通世界， 2020（36）：21-22+43.

[4]公路桥梁抗风设计规范： JTG/T 3360-01——2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司， 2018.

[5]建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范： JGJ 130—2011[S].北京：中国建筑工业出版社， 2011.

[6]铁路桥涵设计基本规范： TB 10002—2017[S].北京：中国铁道出版社， 2017.