跨越式保通桥设计方法简析

颜亮　张立明　包孔波

摘 要：为了解决特大、特重型设备运输中超重车辆过桥的需求，开发了一种新型跨越式保通桥设计方案。结合昆山再生资源综合利用项目飞灰填埋场工程中一座旧桥——华德尔桥的加固案例，对跨越式保通桥的具体设计方案做了详细的结构验算，分析了该方案对旧桥上部结构和下部结构的影响，验证了该方案的可行性，以期为今后其他类似项目提供借鉴经验。

关键词：旧桥；超重车辆；跨越式保通桥

中图分类号：U445.72                                文献标识码：A                              文章编号：2096-6903（2023）11-0007-04

0引言

特大、特重型工业装备需经由公路或城市道路进行运输，而国内大量现存桥梁由于建造年代久远，建造时的设计标准较低，加上年久失修，其承载能力已不能满足特重型车辆的通行，成为了特重装备运输的障碍。这些桥梁中有相当一部分其下部结构（尤以重力式墩台）承载能力富余量较大，仅上部结构承载能力不足。对于此类桥梁采用跨越式保通桥的设计方案，利用旧桥的下部结构，在确保上部结构不发生破坏的情况下，可以使得特重型车辆安全快速地通过旧桥[1]。

1工程案例

案例项目为昆山再生资源综合利用项目飞灰填埋场工程，该工程厂区入口有一旧桥华德尔桥。在施工期间，需要通过的重车载重大概为35～40 t，运输工具拟采用13 m半挂车，其轴重为14 t。而根据静载试验报告，该桥限载仅30 t，故该桥需要加固。为节约工期，降低工程造价，设计项目组拟采用跨越式保通桥方案对桥梁进行加固。

2设计方案

采用跨越式保通桥方案时，要求重载车辆的荷载不作用在旧桥的上部结构，车辆荷载完全由架设在旧桥墩台顶部的跨越梁承担。本项目中，旧桥为3跨，故需在桥墩处设置临时支座（图1～图3）。跨越梁作为特重型车辆跨越过程中的临时加固结构，其结构的构件内力按弹性分析确定，其竖向变形量应能够适应车辆的通行。

该加固结构为6 m+10 m+6 m长的工字钢组装而成，工字钢型号为32C，工字钢中心间距0.3 m，延桥梁纵向每隔1 m设置厚16 mm的横隔板。在梁端及跨中均在工字钢底部焊接整体联系钢板（3 800 mm× 300 mm×20 mm）。在工字钢顶部焊接整体防滑钢板，防滑板宽3.8 m，厚12 mm。下部采用预制条形基础，基础在支撑位置设置防裂钢筋网片。基底设置1 cm厚的氯丁橡胶。

3理论分析

3.1 上部结构

本次设计的荷载组合按照1.2倍的恒载+2.0倍活载（考虑汽车的动载冲击系数为2）进行计算。

经计算10 m跨钢结构便桥的最大弯曲正应力为141 MPa，最大剪应力为45 MPa，均满足规范要求，钢梁最大竖向变形为11 mm，小于10 m钢结构的容许变形（L/500=20 mm），满足规范要求。10 m便桥计算模型如图4所示。

经计算，6 m跨钢结构便桥的最大弯曲正应力为88 MPa，最大剪应力为45 MPa，均滿足规范要求。钢梁最大竖向变形为2.3 mm，小于6 m钢结构的容许变形（L/500=12 mm），满足规范要求。6 m便桥计算模型如图5所示。

3.2 下部结构

3.2.1静载压力

计算时，按照轮载接触的钢板面积进行混凝土垫块的强度计算。静载压力计算图示如图6所示。计算公式如式（1）。

Q=（A×R+ B）/2=（400×1.2+108）/2=294 kN    （1）

其中：Q为中墩位置垫块受到的单侧垂直压力；A为设计行车荷载，取400 kN （偏保守计为汽车全部质量压在垫块上）；R为安全系数，取1.2；B为钢梁自重（垫块分担钢梁自重最大为108 kN）；S为垫块混凝土承压面积（即：梁端底钢板的接触面积0.8x0.3）。

总承压面积计算公式如式（2）。

S=0.3×0.8=0.24 m2                                             （2）

混凝土局部压力强度计算公式如式（3）。

Q/S=294/0.24=1.225 MPa                                   （3）

小于混凝土抗压强度设计值16.1 MPa，故C35混凝土垫块满足承载要求。

3.2.2动荷载对垫块混凝土的破坏力

取动荷载为静载压力的2.5倍计算垫块混凝土局部压力强度，计算公式如式（4）。

Q1=2.5Q=2.5×400/2=500 kN                            （4）

计算结果为：Q1/S=500/0.24=2.1 MPa，小于混凝土抗压强度设计值16.1 MPa。垫块混凝土满足动载要求。

3.2.3地基承载力计算

地基承载面积为4.2 m×0.4 m=1.68 m2。偏保守计汽车荷载全部作用在垫块上，建立模型并分析计算。保通桥基础平面如图7所示，垫块范围有限元模型如图8所示。

根据有限元分析结果，垫块所受最大压应力为860 kPa。本工程垫块作用于混凝土板面上，设计时将混凝土条形基础作用在桥面板板顶，故其抗压强度小于C30混凝土抗压强度设计值13.8 MPa。

3.3 钢桥对旧桥下部结构的影响

本次设计按照旧桥活载30 t和增加钢跨越梁后活载40 t进行中墩顶比较分析（偏于保守，計车辆荷载全部作用在中墩位置，不计盖梁及栏杆自重等有利影响）。

旧桥恒载质量= 空心板质量+桥面铺装质量

= 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（铺装质量）

=0.5×（685.2+362.3）+174.8=698.6 kN

该桥检测报告建议活载≤300 kN ，虑活载偏载系数为1.15。

桩基计算力=恒载+1.15活载 =0.5×（698.6+300×1.15）=521.8 kN。

重载车计算力=0.5×[698.6+108（钢结构分配到墩顶的最大质量）+0.73（混凝土垫块方量）×24+400×1.15]=642 KN。

计算荷载提高比例=642/521.8=1.23 。

而旧桥桩基抗力系数为1.25，所以重载汽车对下部基础不会产生承载力破坏。

根据JTG 3363—2019《公路桥涵地基与基础设计规范》，旧桥桥台基础承载力抗力系数至少可增大到1.25。

4足尺模型荷载试验

4.1 试验荷载

载荷试验按荷载等效的原则布载，试验加载车的总重为330 kN。加载车辆的技术参数见图9。试验前对实际加载车辆的轴重、轴距、轮距等技术参数进行量测，轴重称重误差控制在±5 kN以内。加载车实际载重见表1。

4.2 加载效率

4.2.1测试截面的选择

根据跨越梁的结构形式确定了本次桥梁静载试验选择的测试跨位及测试截面，各跨跨中1-1～3-3截面作为最大正弯矩与挠度测试截面，测试截面布置如图10所示。

4.2.2测试截面的加载效率

静力试验荷载采用载重汽车进行等效加载。就某一特定荷载工况，试验荷载的大小和加载位置的选择采用静载试验效率系数进行控制，静力试验荷载的效率系数即为试验施加荷载产生的作用效应和设计荷载作用效应（考虑冲击影响）的比值，一般宜在0.95～1.05[2] 。

本次试验按公路-Ⅱ级为控制荷载，桥跨控制截面在活载、试验荷载下的内力和试验效率见表2所示，弯矩单位为kN·m。

工况一：1-1截面最大正弯矩和最大竖向挠度效应加载，中载试验。

工况二：2-2截面最大正弯矩和最大竖向挠度效应加载，中载试验。

工况三：3-3截面最大正弯矩和最大竖向挠度效应加载，中载试验。

测试项目：加载前、加载后及卸载后各截面的应变及挠度。

4.3 静载试验结果

4.3.1应变结果

各荷载工况作用下应变数据分析见表3～5所示，表中应变以拉应变为正、压应变为负。

4.3.2挠度结果

各荷载工况作用下相应截面的实测挠度与理论值的比较表见表6～8所示，正号表示向上，负号表示向下。

4.4 静载试验评价

静载试验评价结果如下：①试验荷载的效率系数值在规定0.95～1.05，符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）的要求，本次试验加载有效。②静载试验中，华德尔桥主要控制截面各测点应变实测值均小于理论值，应变校验系数小于1.0，校验系数介于0.59～0.80，表明该桥结构强度满足控制荷载要求。③静载试验中，华德尔桥主要控制截面各测点挠度实测值均小于理论值，挠度校验系数小于1.0，校验系数介于0.64～0.83，表明该桥结构刚度满足控制荷载要求。④静载试验中，华德尔桥各控制测点的相对残余挠度均小于20％，表明桥梁结构变形在控制荷载作用下能得到有效恢复，基本处于弹性工作状态。

5 结束语

当超重车辆需要通过承载力较低的旧桥时，或者在特定情况下（如地震、战时破损）桥梁临时保通时，通过新型保通钢便桥的方法，采用在原桥上铺设临时性分载梁，通过精心设计，便能够安全、经济、快速地保障超重车辆安全通过既有桥梁。

参考文献

[1] 中亿丰建设集团股份有限公司.一种保通钢便桥体系[P].中国，CN115679848A.2022.11.23.

[2] 刘江涛，杨光哲.大跨径斜拉桥静载试验研究[J].城市道桥与防洪，2019（11）：118-120.

收稿日期：2023-10-09

作者简介：颜亮（1981—），男，江苏盐城人，本科，高级工程师，从事桥梁设计工作。