公路鋼橋的承載力分析與改進措施

公路鋼橋的承載力分析與改進措施

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國道路交通運輸?shù)娜丝诤蛦诬囏摵芍亓砍士焖僭鲩L趨勢。此外，我國公路橋梁負荷等級較低的橋梁總數(shù)較大，導致了道路上大部分橋梁的負荷不足，橋梁負荷增加的需求增加。對既有公路鋼橋的承載力狀況監(jiān)測,提高其承載力,是保證橋梁安全運營的有效措施。本文在分析現(xiàn)有公路鋼橋承載力狀況的基礎(chǔ)上,從設(shè)計荷載標準、結(jié)構(gòu)尺寸、材料特性等方面分析了影響鋼橋承載力下降的原因,指出單軸最大車重設(shè)計值偏小、橫梁高度小和鋼桁架預(yù)設(shè)橫梁安裝空間高度不足是影響橋梁橫向連接的主要因素,針對每一因素提出處理措施,并結(jié)合工程實例進行了相關(guān)驗證。結(jié)果表明提出的承載力提高的措施和方法,可以有效地提高公路鋼橋的承載能力,可為現(xiàn)有公路鋼橋的加固提供有效地參考和借鑒。1裝配式公路鋼橋結(jié)構(gòu)形式對原橋的提載能力裝配式公路鋼橋的基本構(gòu)件由工廠預(yù)制,各構(gòu)件連接簡單,架設(shè)方便。大量用于架設(shè)臨時性或半永久性橋梁,在橋梁施工及橋梁加固中也應(yīng)用普遍。目前我國的裝配式公路鋼橋主要有“321”裝配式鋼橋、HD200型裝配式公路鋼橋、ZB-200型裝配式公路鋼橋、六四式鐵路軍用梁等。從這些現(xiàn)有裝配式公路鋼橋的結(jié)構(gòu)形式、提載效果、車輛總重、車輛輪重、車輛寬度等方面對裝配式公路鋼橋?qū)υ瓨虻奶彷d能力進行實地調(diào)查,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有裝配式公路鋼橋承載能力不足,對原橋的提載能力平均為20%。當橋梁結(jié)構(gòu)物無法滿足承載能力要求時,需對橋梁進行必要的加固、拓寬等技術(shù)改造。采用裝配式公路鋼橋進行橋梁承載力提高是一種常見的橋梁加固方法,可不受橋型的限制,標準化的桁片能多點平行施工而施工速度快,鋼材重量輕承載力大而提載作用明顯。目前裝配式公路鋼橋的結(jié)構(gòu)形式均以“321”桁架為基礎(chǔ),主要為桁架式結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)形式較為統(tǒng)一,為了獲取裝配式公路鋼橋的提載效率低的原因,通過結(jié)構(gòu)有限元模擬的方法分析了影響裝配式公路鋼橋提載能力的因素,然后通過逐級加載的方式得到各影響因素的顯著性水平,整理后得到的結(jié)果如表1所示,最后將表1的統(tǒng)計資料加工整理成排列圖,如圖1所示。根據(jù)提載能力提高影響因素分析,橫梁往往最先被破壞,即橫向聯(lián)系剛度顯著不足,因此橫向聯(lián)系剛度不足是影響裝配式公路鋼橋提載能力的問題癥結(jié),只要該問題解決,裝配式公路鋼橋?qū)υ瓨虻奶彷d能力將得到有效提高。2裝配式公路鋼橋橫向聯(lián)系剛度不足原因分析在現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上,從設(shè)計荷載標準、結(jié)構(gòu)尺寸、材料特性等方面對裝配式公路鋼橋橫向聯(lián)系剛度不足的原因進行了認真分析,繪制了“裝配式公路鋼橋橫向聯(lián)系剛度不足的因果分析圖”如圖2。2.1路交通基本特征目前道路上行駛的車輛在數(shù)量和載重量上都不斷增大。主要表現(xiàn)為兩個方面:一是超載現(xiàn)象十分突出,另一方面是公路交通組成中重載車輛比例很高。隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展,我國公路上的貨物流量,平均每年以5%左右的速度增長,橋梁出現(xiàn)病害的概率逐漸變大。裝配式公路鋼橋單軸的最大設(shè)計荷載僅為130kN,如果車輛的單軸重量超過了設(shè)計荷載,裝配式公路鋼橋的局部將出現(xiàn)損傷甚至是破壞,此時局部損傷逐漸累積最終將導致整個橋梁出現(xiàn)病害。2.2荷載導行性指標薄現(xiàn)有的裝配式鋼橋設(shè)計標準均基于89年或更早頒布的橋梁荷載標準,最大使用汽-20作為設(shè)計荷載,相當于04年橋梁荷載標準中的公路Ⅱ級,荷載標準較為陳舊,采用現(xiàn)有的裝配式公路鋼橋加固后的原橋同樣需要采取限載措施,造成提載效果較差。2.3梁的安裝梁腹板和橫板設(shè)置傳統(tǒng)的裝配式公路鋼橋中,橫梁的中部設(shè)有4個卡子,用來固定縱梁,橫梁兩端焊有短柱,用來連接斜撐,橫梁底部兩端各有三個螺栓孔,當安裝橫梁時,將栓釘孔套入桁架下弦桿上橫梁墊板的栓釘,使橫梁在桁架上就位。橫梁腹板兩邊設(shè)有4條加強橫梁腹板穩(wěn)定的豎向加勁肋。從現(xiàn)有裝配式公路鋼橋橫梁的特點可以看出,傳統(tǒng)的裝配式公路鋼橋連接件形式固定,可調(diào)性差,一旦采用非標準桁架或非標準橫梁則難以進行連接,導致結(jié)構(gòu)形式改善難度較大。2.4裝配式公路鋼橋體現(xiàn)了設(shè)計上的不足目前裝配式公路鋼橋的橫梁為28a型工字鋼,橫梁梁高過小導致橫梁的抗彎承載力不足,在重型車輛作用下橫梁易出現(xiàn)破壞,橫向局部受力偏大導致裝配式公路鋼橋整體承載力不足,傳統(tǒng)的裝配式公路鋼橋橋面凈寬僅為3.7m,橋面空間狹窄導致橋梁通行能力不足,在抗震救援或其他特殊情況下無法通過運輸特殊設(shè)備的超寬車輛,限制了裝配式公路鋼橋的適用范圍,降低了裝配式公路鋼橋的通用性和易用性。2.5鋼框架安裝梁的安裝空間不足鋼桁架預(yù)留的橫梁位置位于桁架三角形區(qū)域內(nèi),其允許的最大梁高為27cm,若加大橫梁尺寸,則橫梁難以通過桁架的安裝空間,2.6材料性能不足目前我國的裝配式公路鋼橋大部分采用了15MnVN型鋼材,相當于目前主流的Q345型鋼材,目前高強鋼材的生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)成熟,相比之下目前裝配式鋼橋的材料性能偏低。隨著冶金工業(yè)的發(fā)展,英國和美國的貝雷橋桁架鋼材屈服強度已提高到460MPa,我國由僅提高到345MPa。2.7裝配式鋼橋提載能力在國際上,英國BR90橋梁族,基本構(gòu)件采用了輕質(zhì)高強鋁合金材料,自動架橋車部分采用了碳纖維復合材料,并完全機械化作業(yè),架設(shè)一座32m公路橋梁的時間縮短為30min之內(nèi)。另外在美國、以色列等國聯(lián)合研制的HAB重型沖擊橋中有一個方案采用了碳纖維復合材料和高強度合金鋼,長32m的整個橋跨僅重9.08t。根據(jù)以上分析論證,影響裝配式公路鋼橋提載能力的主要因素如下:(1)單軸最大車重設(shè)計值小;(2)橫梁高度小;(3)預(yù)設(shè)橫梁安裝空間明顯不足。3提高鋼橋承受能力3.1省高速汽車荷載參數(shù)估計針對河南省高速公路當前大型車和重型車的現(xiàn)狀進行調(diào)查,結(jié)合實際在現(xiàn)行橋梁規(guī)范的基礎(chǔ)上,通過在河南省境內(nèi)多條高速公路大量的實地調(diào)研,并對河南省高速公路汽車荷載參數(shù)進行實地調(diào)查,應(yīng)用幾種常見的概率分布模型對軸重和軸距等汽車荷載參數(shù)進行了假設(shè)檢驗,并利用非參數(shù)統(tǒng)計中的核估計法建立了汽車荷載軸重模型,提出了適應(yīng)當前河南省高速公路的車輛軸重置信區(qū)間,和軸重、軸距及車間距的代表值。運用經(jīng)概率統(tǒng)計分析得到的汽車荷載參數(shù)對不同跨徑和結(jié)構(gòu)形式的橋梁進行分析,并與公路-Ⅰ級荷載作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)進行對比,用于提出反映河南省高速公路交通運輸狀況的裝配式公路鋼橋設(shè)計荷載標準。3.2新型裝配式公路鋼橋結(jié)構(gòu)體系針對現(xiàn)有預(yù)制裝配式公路鋼橋的缺陷,開發(fā)出安裝方便、承載力大、通用性高的新型裝配式公路鋼橋結(jié)構(gòu)體系。即通過增大橫梁高度提高橫梁的抗彎承載能力,可不改變現(xiàn)有鋼桁架的形式,最大程度的提高裝配式公路鋼橋利用率,能適用于不同形式的裝配式公路鋼橋。3.3鋼桁架一體化出墻結(jié)構(gòu)經(jīng)過研究,提出在“321”菱形空間中架設(shè)大型橫梁的方式,具體方法為將2片槽鋼設(shè)置于鋼桁架菱形空間底部,采用與桁架上下弦桿相同的槽鋼放置于下弦桿底部可為鋼橫梁提供安裝空間,為了避免槽鋼位置變化,采用兩個螺桿加緊菱形框架進行固定。大橫梁安置于槽鋼上后通過U型螺栓與鋼桁架連成整體,U型螺栓的底部采用夾板結(jié)構(gòu)固定。3.4鋼梁的吊裝施工采用吊裝能力強、施工速度快、易于控制的大型機械化施工工藝,如大型機械配合液壓千斤頂?shù)募茉O(shè)方法,上層裝配式鋼梁的安裝采用單個吊車吊裝或兩個吊車協(xié)作吊裝的方式。4裝配式公路鋼橋提載方案周口市某橋,橋?qū)?4m。上部構(gòu)造為2聯(lián)5孔40m部分預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁,下部構(gòu)造采用單排四柱式墩臺,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。因某次運輸?shù)闹匦蛙囕v總重為696t,超出橋梁設(shè)計荷載數(shù)倍,為保證橋梁和設(shè)備的安全,必須對該大橋進行有效加固。常規(guī)的橋下臨時支撐加固方案無法實施,只能采用“橋上橋”的原橋提載方案,即通過增加裝配式公路鋼橋來提高原橋的承載能力,該方案的原理為:通過在原有橋面上鋪設(shè)超寬裝配式公路鋼橋來分擔大件運輸?shù)能囕v荷載,降低原橋的負擔,保證原橋在大件運輸?shù)能囕v荷載下不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的損傷,保證橋梁的正常使用壽命。裝配式公路鋼橋采用400m的連續(xù)梁方案,通過在橋下設(shè)置12個永久支座將裝配式鋼橋的自重荷載直接傳遞給基礎(chǔ),不會加重原橋的負擔。采用大橫梁結(jié)構(gòu)的裝配式公路鋼橋?qū)χ芸谀炒髽蜻M行加固后,提高了裝配式公路鋼橋應(yīng)用的范圍,對大件運輸車輛通過橋梁時進行了實時監(jiān)控后的結(jié)論為:采用大橫梁結(jié)構(gòu)的裝配式公路鋼橋提載實際效果為80%。保證了大件運輸車輛的安全通行,順利完成了設(shè)定的目標,取得了良好的社會效益、技術(shù)效益和經(jīng)濟效益。5新型裝配式鋼橋加固技術(shù)本研究分析了影響現(xiàn)有公路鋼橋承載力下降的原因,提出相應(yīng)的改進措施,通過對周口某實橋的加固,新型裝配式公路鋼橋?qū)υ瓨虻奶彷d能力由傳統(tǒng)的20%提高至