張輝輝

(武漢中遠(yuǎn)海運(yùn)集裝箱運(yùn)輸有限公司,武漢 430000)

近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，一些超大、超重的工業(yè)設(shè)備被制造出來(lái)，如超高反應(yīng)塔、火箭推進(jìn)器等設(shè)備[1,2]。由于這些工業(yè)設(shè)備制造地與使用地往往相距一定距離，因此需要將這些設(shè)備從生產(chǎn)地運(yùn)輸?shù)绞褂玫亍２⑶矣捎谠O(shè)備往往是不可拆分運(yùn)輸?shù)?，運(yùn)輸件的重量可能非常大，如果運(yùn)輸由海運(yùn)承擔(dān)，將不存在運(yùn)載重量上的制約因素[3]。但目前仍有大量的重載運(yùn)輸工作需要由公路運(yùn)輸完成。而公路等級(jí)、沿途橋梁承重能力將成為運(yùn)輸線(xiàn)路選擇的重要因素。

一方面由于運(yùn)輸沿途部分橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載低于重載運(yùn)輸?shù)膶?shí)際運(yùn)輸荷載，另一方面，由于環(huán)境長(zhǎng)期侵蝕，車(chē)輛船只偶然撞擊等因素，在役橋梁承載力存在不同程度的下降[4]。因此往往需要對(duì)運(yùn)輸沿途的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力加固[5,6]。

該文以一個(gè)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)為例，首先從理論上分析了結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力承載力，并且根據(jù)荷載的具體形式及大小，分析了運(yùn)輸車(chē)輛及載件作用下結(jié)構(gòu)的彎矩及剪力響應(yīng)。然后根據(jù)兩者的對(duì)比分析確定加固材料、加固形式。最后分析加固后的承載能力，對(duì)重載運(yùn)輸?shù)耐ㄟ^(guò)性進(jìn)行驗(yàn)算。該文的加固方案技術(shù)路線(xiàn)清晰，加固效果優(yōu)良，可為類(lèi)似工程提供參考。

1 項(xiàng)目基本概況

1.1 橋梁概況

巖腳高橋位于貴州省遵義市境內(nèi)，為一孔凈跨20.0 m裝配式空心板梁橋，橋梁全長(zhǎng)26.50 m，其中計(jì)算跨徑19.3 m。橋梁里程樁號(hào)為K0+170.750～ K0+197.250。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-超20級(jí)，掛車(chē)-120。橋面寬度：0.5 m(防撞墻)+0.62 m(檢修道)+凈7.0 m+0.62 m(檢修道)+0.5 m(防撞墻)=9.24 m。

空心板及橋面鋪裝為40號(hào)砼，欄桿30號(hào)砼。預(yù)應(yīng)力筋采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 500 MPa的低松弛鋼鉸線(xiàn)，直徑15.24 mm，單根有效截面積140 mm2。預(yù)應(yīng)力采用后張法施工。

橋梁橫向劃分為7塊板，邊板懸臂挑出25 cm，如圖1所示。

由于該橋?yàn)槔蠘?，在常年的維護(hù)中，空心板的下沉勢(shì)必導(dǎo)致橋面鋪裝層加大，故橋面鋪裝由原設(shè)計(jì)的15 cm加厚到30 cm進(jìn)行計(jì)算。

1.2 荷載概況

由于特種運(yùn)輸要求，現(xiàn)需要通過(guò)一列掛車(chē)，掛車(chē)滿(mǎn)載407 t。407 t掛車(chē)相關(guān)數(shù)據(jù)為：縱向軸距1.6 m；軸重291 kN?？v橫向布置如圖2所示。

2 橋梁通過(guò)性驗(yàn)算

2.1 跨中荷載橫向分布系數(shù)

空心板橫截面及簡(jiǎn)化截面形式如圖3所示，利用Midas中的截面特征計(jì)算器可求得中板及邊板的截面特性，結(jié)果如表1所示。

表1 空心板截面特性

采用鉸接板梁法求解空心板跨中橫向分布系數(shù)，使用計(jì)算軟件橋梁博士3.20版，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 影響線(xiàn)矩陣

特載通行時(shí)，要求掛車(chē)結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)與橋梁中心線(xiàn)重合，橫橋向荷載加載位置固定，根據(jù)影響線(xiàn)矩陣及荷載加載位置可求得：2、3號(hào)板跨中橫向分布系數(shù)為0.159，4號(hào)板跨中橫向分布系數(shù)為0.145。

2.2 支點(diǎn)荷載橫向分布系數(shù)

按杠桿法進(jìn)行計(jì)算，加載位置如圖4所示。

掛車(chē)荷載支點(diǎn)橫向分布系數(shù)

荷載橫向分布系數(shù)順橋向變化如圖5所示。

2.3 特載過(guò)橋計(jì)算

特載過(guò)橋計(jì)算利用軟件橋梁博士3.20建立單梁模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。全橋共劃分為23個(gè)節(jié)點(diǎn)，22個(gè)單元，采用橋梁博士建造結(jié)構(gòu)的三維有限元模型如圖6所示。

二期恒載——橋面鋪裝及防撞欄桿：取容重為26 kN/m3，欄桿截面積為2×0.3 m2，則

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

采用平均分?jǐn)偟姆椒?，則每塊板g=81.91/7=11.7 kN/m

建模計(jì)算將支點(diǎn)處(2、22節(jié)點(diǎn))、1/4跨處(7、17節(jié)點(diǎn))、跨中處(12號(hào)節(jié)點(diǎn))彎矩、剪力匯總?cè)绫?所示。

表3 控制點(diǎn)荷載匯總表

按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)4.1.6條，對(duì)荷載進(jìn)行組合，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)值[7]，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取值為1.1，汽車(chē)荷載效應(yīng)取值1.4，組合后可知各控制節(jié)點(diǎn)荷載狀況，如表4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，匯總各控制點(diǎn)承載能力如表5所示。

表4 控制點(diǎn)荷載組合表

表5 控制點(diǎn)承載能力表

通過(guò)以上計(jì)算可知，既有橋梁未進(jìn)行加固前通行滿(mǎn)載407 t的掛車(chē)時(shí)，抗彎能力不滿(mǎn)足要求，但抗剪能力能夠滿(mǎn)足要求。

3 加固方案及驗(yàn)算

3.1 加固方案

考慮此次重件運(yùn)輸車(chē)輛僅有一臺(tái)(次)通行，由于橋梁結(jié)構(gòu)形式為簡(jiǎn)支空心板，為了加固時(shí)施工方便，節(jié)約工期，對(duì)巖腳高橋采用增大截面法進(jìn)行加固[8,9]，及鑿除既有鋪裝層，重新鋪裝強(qiáng)度更高的C50聚丙烯纖維混凝土作為鋪裝層，鋪裝層為15 cm厚聚丙烯纖維混凝土+5 cm厚瀝青混凝土，并在聚丙烯纖維混凝土中設(shè)置直徑14 mm的HRB400鋼筋網(wǎng)片，間距10×10 cm。

①C50聚丙烯纖維混凝土：彈性模量Ec=3.45×104MPa，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值32.4 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.65 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值22.4 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.83 MPa。

②水泥：采用普通硅酸鹽42.5級(jí)以上的水泥，水泥質(zhì)量須符合國(guó)經(jīng)貿(mào)運(yùn)行[2001]288號(hào)《關(guān)于實(shí)施水泥新標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)問(wèn)題的通知》的要求。

③改性聚丙烯纖維：聚丙烯纖維抗拉強(qiáng)度≥350 MPa；拉伸極限27.2%，纖維直徑18～20 μm，纖維長(zhǎng)度>12 mm，彈性模量≥3 500 MPa。其它技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足《公路水泥混凝土纖維材料聚丙烯纖維和聚丙腈纖維》(JT/T 525—2004)的要求。

④混凝土E200界面劑：為保證新老混凝土結(jié)合面的粘接強(qiáng)度，應(yīng)使用E200混凝土界面劑。

E200界面劑由主劑、硬化劑和固化劑組成，主劑與固化劑的質(zhì)量比為4∶1，可用時(shí)間在20 ℃時(shí)為(40±10)min，根據(jù)主劑和固化劑總用量、溫度不同而不同。不宜在溫度低于5 ℃時(shí)使用。

3.2 加固后驗(yàn)算

采用與前面相同的方式計(jì)算加固后彎矩的極限承載力，并與荷載產(chǎn)生的彎矩響應(yīng)值相比較，得到結(jié)果如表6所示。

表6 加固效果驗(yàn)算

從表6中可以看出，加固后，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的承載力均得到明顯的提升，且均大于重載交通產(chǎn)生的荷載值，加固前結(jié)構(gòu)的跨中承載力小于荷載產(chǎn)生的彎矩值，因此重載車(chē)無(wú)法通過(guò)，而在加固后，承載力能夠保證車(chē)輛安全通過(guò)，證明了加固的有效性。

4 結(jié) 論

該文以一個(gè)實(shí)際橋梁的加固過(guò)程為案例，詳細(xì)分析了重載交通作用下橋梁結(jié)構(gòu)加固的計(jì)算分析過(guò)程，加固后結(jié)構(gòu)的承載力得到明顯增強(qiáng)，重載運(yùn)輸通過(guò)的安全性得到提高?？蔀轭?lèi)似運(yùn)輸途中遇到的加固問(wèn)題提供參考依據(jù)。該文在結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算、結(jié)構(gòu)荷載響應(yīng)計(jì)算過(guò)程中運(yùn)用理論分析與有限元模型相結(jié)合的方式進(jìn)行，不僅提高了計(jì)算的準(zhǔn)確度，也為類(lèi)似結(jié)構(gòu)的多片梁形式的橋梁計(jì)算提供參考。