橋梁維修加固過程中臨時結構數值分析研究

陸栩梁

摘要 臨時結構作為橋梁維修加固的輔助設施，其影響著維修過程的安全性。文章以實際工程為例，利用有限元軟件對掛籃施工平臺以及橋上施工平臺進行數值分析，通過施加不同的維修工況以此判斷臨時結構的穩定性和強度是否滿足要求，結果表明，不同工況下臨時結構的位移、應力均不同，但均處于規范控制值范圍內，通過該研究可為橋梁維修加固過程中臨時結構的安全性設計提供參考依據。

關鍵詞 橋梁維修;橋梁加固;臨時結構;數值分析

中圖分類號 U445.7 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0104-03

0 引言

隨著我國交通事業的不斷發展，橋梁結構承受著越來越大的荷載壓力，再加上自然條件、地理環境等因素的影響，使得橋梁工程項目在長期應用過程中，易產生結構方面的病害[1]。部分橋梁過早劃分至危橋行列，若發生安全事故，將給社會造成巨大損失。因此，舊橋維修加固已成為橋梁養維護的重要環節[2]。橋梁屬于懸空設施，在維修加固的過程中需要設置臨時結構輔助施工[3]，要求臨時結構具有較強穩定性及強度以保障維修加固過程中的安全。該文以呂山大橋橋梁維修加固工程為例，結合實際工程出現的安全風險問題，利用有限元軟件對臨時結構進行驗算，確保臨時結構的安全穩定。

1 工程概況

呂山大橋位于G318滬聶線長興段，橋梁全長439.16 m，于2011年建成通車。其中，橋跨組合為（6×30 m）+71.76 m+（6×30 m），設計荷載為公路—Ⅰ級。據2020年9月對呂山大橋進行特殊檢測結果顯示，存在橋面板裂縫發展較快、主拱肋混凝土不密實等問題。此外，根據綜合靜載、動試驗結果分析可知，橋梁承載能力不滿足設計荷載（公路-Ⅰ級）要求。

針對呂山大橋出現的問題，維修加固的方法有以下幾點：

（1）新增縱梁。

（2）拱肋加固。

（3）新增2道風撐。

（4）系梁體外索安裝。

（5）更換吊桿。

（6）橋面板裂縫修復。

（7）全橋鋼結構及混凝土防腐涂裝。

（8）引橋缺陷修復。

（9）支座更換。

（10）橋面鋪裝更換。

（11）伸縮縫更換。

為方便上述加固方法實施，項目主要采用的臨時結構設施有掛籃施工平臺以及橋上施工平臺。該文著重開展這兩類臨時結構的數值分析。

2 掛籃臨時結構模型

2.1 掛籃參數

項目中掛籃施工平臺長29.6 m，寬1.5 m，高4.2 m，主要采用Q235鋼材及木板。該施工平臺屬于臨時結構，采用容許應力法作為強度控制，上下弦、腹桿、斜桿等構件控制指標為[σ]≤210 MPa，[τ]≤160 MPa。

2.2 有限元模型

有限元模型如圖1所示，模型考慮的荷載如下：

（1）桁架自重：平臺的主材為Q235，容重7.8 kN/m;防護網荷載為0.1 kN/m。

（2）人群及機具荷載：根據平臺使用需求，考慮三種施工工況：1）工況Ⅰ（涂裝工況）：人群及機具荷載考慮1.0 kN/m的均布荷載;2）工況Ⅱ（吊桿更換工況）：人群及機具荷載考慮掛籃端部3個節段2.0 kN/m的均布荷載;3）工況Ⅲ（縱梁增設工況）：人群及機具荷載考慮掛籃中部3個節段2.5 kN/m的均布荷載。

（3）風荷載：根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）[4]可得迎風面桁架的風載為：1.02 kN/m。

（4）荷載組合：1.2倍自重+1.2倍防護網+1.4倍人群機具荷載+1.4倍風荷載。

2.3 結果分析

不同工況下掛籃結構垂直方向變形以及應力結果如圖2所示。由圖可知，不同工況下的掛籃垂直方向位移不同。其中，在工況Ⅰ下掛籃的結構垂直方向位移最大，數值達48.6 mm，工況Ⅲ下位移次之，數值達47.4 mm，工況Ⅱ下位移最小，數值達22.7 mm，根據《裝配式公路鋼橋.制造》（JT-T 728—2008）規范最大允許撓度為L/300=25 730/300=85.7 mm。因此，通過對比可知三種工況下位移均在控制范圍內。此外，工況Ⅰ最大拉、壓應力（179.7 MPa、152.8 MPa）>工況Ⅲ最大拉、壓應力（167.7 MPa、127.8 MPa）>工況Ⅱ最大拉、壓應力（154.4 MPa、123.9 MPa），根據各構件強度控制指標可以看出，掛籃平臺在設計荷載作用下是安全穩定的。

3 橋上施工平臺模型

3.1 平臺參數

橋上施工平臺支架選用直徑為48 mm壁厚3.5 mm鋼管，材料為Q235，扣件連接，鋼管立桿縱距120～150 cm，橫距120 cm，立桿根部設置掃地桿離地間距不超過200 mm。兩根相鄰縱向水平桿的接頭設置在不同跨內，錯開的距離大于500 mm。

3.2 有限元模型

平臺有限元模型考慮的荷載如下：

（1）支架自重支架主材為Q235，容重7.8 kN/m。

（2）人群及機具荷載。根據此平臺使用需求，人群及機具荷載為：1.5 kN/m2的均布荷載。

（3）風荷載。根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 130—2011）[5]可得迎風面桁架的風載為：0.25 kN/m。

（4）荷載組合：1.2倍自重+1.4倍人群機具荷載+1.4倍風荷載。

3.3 結果分析

有限元模型運行后穩定分析結果如表1所示，根據《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002—2017）[6]規定，其彈性屈曲系數應均不小于4，支架滿足穩定性要求。

此外，施工平臺應力云圖如圖3所示，其中，平臺最大拉應力為190.8 MPa，最大壓應力為180.6 MPa，兩者均小于構件強度控制指標，該項目橋上施工平臺在設計荷載作用下是安全穩定的。

4 結論

綜上所述，橋梁維修加固工況復雜，根據數值分析結果顯示，不同臨時結構、不同工況下的臨時結構應力及位移等數據各不相同。因此，針對橋梁維修加固工程中的臨時結構，充分考慮其可能出現的不同工況特點，保證臨時結構強度及穩定性符合要求，對目前橋梁維修工程的安全具有重要意義。

參考文獻

[1]王美寬， 潘玲瓏， 王榮慶. 論橋梁結構加固與維修技術分析[J]. 工業建筑， 2021（7）：253.

[2]《中國公路學報》編輯部. 中國橋梁工程學術研究綜述·2021[J]. 中國公路學報， 2021（2）：97.

[3]劉孟. 公路橋梁施工中臨時結構強度與穩定性分析[J]. 交通世界， 2020（36）：21-22+43.

[4]公路橋梁抗風設計規范： JTG/T 3360-01——2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司， 2018.

[5]建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范： JGJ 130—2011[S].北京：中國建筑工業出版社， 2011.

[6]鐵路橋涵設計基本規范： TB 10002—2017[S].北京：中國鐵道出版社， 2017.