跨越式保通橋設計方法簡析

顏亮　張立明　包孔波

摘 要：為了解決特大、特重型設備運輸中超重車輛過橋的需求，開發了一種新型跨越式保通橋設計方案。結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計方案做了詳細的結構驗算，分析了該方案對舊橋上部結構和下部結構的影響，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驗。

關鍵詞：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、特重型工業裝備需經由公路或城市道路進行運輸，而國內大量現存橋梁由于建造年代久遠，建造時的設計標準較低，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的障礙。這些橋梁中有相當一部分其下部結構（尤以重力式墩臺）承載能力富余量較大，僅上部結構承載能力不足。對于此類橋梁采用跨越式保通橋的設計方案，利用舊橋的下部結構，在確保上部結構不發生破壞的情況下，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。而根據靜載試驗報告，該橋限載僅30 t，故該橋需要加固。為節約工期，降低工程造價，設計項目組擬采用跨越式保通橋方案對橋梁進行加固。

2設計方案

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構，車輛荷載完全由架設在舊橋墩臺頂部的跨越梁承擔。本項目中，舊橋為3跨，故需在橋墩處設置臨時支座（圖1～圖3）。跨越梁作為特重型車輛跨越過程中的臨時加固結構，其結構的構件內力按彈性分析確定，其豎向變形量應能夠適應車輛的通行。

該加固結構為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。下部采用預制條形基礎，基礎在支撐位置設置防裂鋼筋網片。基底設置1 cm厚的氯丁橡膠。

3理論分析

3.1 上部結構

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

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

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

3.2 下部結構

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垂直壓力；A為設計行車荷載，取400 kN （偏保守計為汽車全部質量壓在墊塊上）；R為安全系數，取1.2；B為鋼梁自重（墊塊分擔鋼梁自重最大為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）

計算結果為：Q1/S=500/0.24=2.1 MPa，小于混凝土抗壓強度設計值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。保通橋基礎平面如圖7所示，墊塊范圍有限元模型如圖8所示。

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

3.3 鋼橋對舊橋下部結構的影響

本次設計按照舊橋活載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）。

舊橋恒載質量= 空心板質量+橋面鋪裝質量

= 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（鋼結構分配到墩頂的最大質量）+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為1.25，所以重載汽車對下部基礎不會產生承載力破壞。

根據JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》，舊橋橋臺基礎承載力抗力系數至少可增大到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。加載車輛的技術參數見圖9。試驗前對實際加載車輛的軸重、軸距、輪距等技術參數進行量測，軸重稱重誤差控制在±5 kN以內。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

根據跨越梁的結構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進行控制，靜力試驗荷載的效率系數即為試驗施加荷載產生的作用效應和設計荷載作用效應（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變及撓度。

4.3 靜載試驗結果

4.3.1應變結果

各荷載工況作用下應變數據分析見表3～5所示，表中應變以拉應變為正、壓應變為負。

4.3.2撓度結果

各荷載工況作用下相應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

靜載試驗評價結果如下：①試驗荷載的效率系數值在規定0.95～1.05，符合《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（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變實測值均小于理論值，應變校驗系數小于1.0，校驗系數介于0.59～0.80，表明該橋結構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，撓度校驗系數小于1.0，校驗系數介于0.64～0.83，表明該橋結構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％，表明橋梁結構變形在控制荷載作用下能得到有效恢復，基本處于彈性工作狀態。

5 結束語

當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，采用在原橋上鋪設臨時性分載梁，通過精心設計，便能夠安全、經濟、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，從事橋梁設計工作。