既有一般公路大件运输道路改造加固研究

'密级：公开工学硕士学位论文既有一般公路大件运输道路改造加固研究ResearchonReconstructionandReinforcementofExistingHighwayforLargePartsTransportation培养单位：土木工程学院专业：桥梁与隧道工程研究生：厉天培指导教师：冯卫星教授二○一八年六月 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石家庄铁道大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解石家庄铁道大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国学位论文全文数据库》。本人授权石家庄铁道大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)作者签名：日期：导师签名：日期： 摘要本文以湖南省某风电站运输工程为工程背景，研究了大件运输条件下的既有双曲拱桥的加固和山区道路的改造。主要的研究内容如下：(1)在既有双曲拱桥的加固研究中，通过对双曲拱桥结构特点的深入研究，了解其特点得到了适用于双曲拱桥的检测、承载力评定和加固的方法。然后结合工程实例，通过现场勘察和仪器检测得到双曲拱桥的实际技术资料，从而对桥整体技术状况进行等级评价，并通过结构验算和静载试验，进而得到该拱桥不能满足通行要求；然后结合现场检测和实验的数据提出合理加固方案，即在主拱圈的拱肋下部增加钢筋混凝土板。并通过Midas/Civil有限元软件建立加固前与加固后的模型，进行内力分析，通过下缘应力是否超限的方法验证加固方案的可行性。(2)在山区道路改造研究中，根据大件运输的特点，分析了大件运输在道路上的受限条件、大件荷载和普通汽车荷载的区别；结合工程实例，通过道路勘探清除道路上的受限条件，制定道路运输方案，提出对道路合理的基本要求；根据路勘结果制定道路改造方案，对挡土墙进行稳定验算。研究结果表明，在双曲拱桥的拱肋下部增加钢筋混凝土板加固方案是可行的；在山区道路的改造方案中的挡土墙能满足稳定性要求。关键词：既有双曲拱桥；加固；静载试验；道路改造；Midas/Civil AbstractThispaperresearchedonthereinforcementoftheexistingdoublecurvedarchbridgeandthetransformationofmountainroadsforlargeshipmentbytakingthetransportprojectofawindpowerstationintheprovinceofHunanastheengineeringbackground.Themainworkwasasfollows:(1)Theactualtechnicaldataofthedoublecurvedarchbridgewereobtainedthroughthefieldinvestigationandtheinstrumentdetectioninthereinforcementstudyoftheexistingdoublecurvedarchbridge;Itwasconcludedthatthearchbridgecannotmeetthetransportationconditionsoflargeloadthroughtheevaluationoftheoveralltechnicalstatusofthebridge,structuralcheckingandstaticloadtest;Thenitputforwardareasonablereinforcementprogram,whichwasaddingthereinforcedconcreteslabinthelowerpartofthearchribofthemainarchcircle.Itanalyzedtheinternalforcesandverifiedthefeasibilityofthereinforcementscheme.throughestablishedthepre-reinforcementandpost-consolidationmodelsbytheMidas/Civil.(2)Itanalyzedthedifferencesbetweenthelimitedconditionsoflarge-scaletransportationontheroad,thelarge-sizedloadsandtheordinaryvehicleloadsaccordedtothecharacteristicsoflarge-scaletransportinthemountainroadreconstructionresearch;Itclearedtherestrictedconditionsintheroadthroughroadexploration,formulatedroadtransportationplansandputforwardreasonablebasicrequirementsforroadsthroughcombinedwithengineeringexamples;Itformulatedroadreconstructionplansbasedontheresultsofroadsurveys,andconductedstablecheckingonretainingwalls.Theresultsoftheresearchshowedthatitwasfeasibletoaddthereinforcementschemeofreinforcedconcreteslabsinthelowerpartofarchribsofdouble-curvedarchbridges;theretainingwallinthereconstructionschemeofmountainousroadscanmeetthestabilityrequirements.Keywords:existingdoublecurvedarchbridge,reinforcement,staticloadtest,roadreconstruction,Midas/Civil 目录第一章绪论...........................................................................................................11.1引言...................................................................................................................11.1.1大件运输条件下既有双曲拱桥检测加固的意义...................................11.1.2大件运输条件下山区道路改造的意义...................................................21.2研究现状...........................................................................................................31.2.1国内外桥梁检测加固研究现状...............................................................31.2.2国内外道路改造研究现状.......................................................................41.3本论文的研究内容...........................................................................................51.3.1主要研究内容...........................................................................................51.3.2研究思路...................................................................................................51.3.3研究方法...................................................................................................6第二章既有双曲拱桥检测、承载能力评定与主拱圈的加固方法.......................82.1桥梁检测概述...................................................................................................82.1.1双曲拱桥检测的主要项目.......................................................................82.2双曲拱桥的承载能力评定方法.......................................................................92.2.1双曲拱桥承载能力评定的特点...............................................................92.2.2双曲拱桥常用的承载能力评定方法.......................................................92.3双曲拱桥主拱圈的加固方法.........................................................................142.3.1增大截面法.............................................................................................152.3.2粘贴加固法.............................................................................................152.3.3改变截面形式法.....................................................................................162.4本章小结.........................................................................................................16第三章工程实例-播阳大桥的检测和承载能力的评定.......................................183.1工程概况.........................................................................................................183.2播阳大桥的裂缝检测.....................................................................................203.3播阳大桥材质状况的检测.............................................................................223.3.1播阳大桥混凝土强度检测.....................................................................223.3.2播阳大桥碳化状况检测.........................................................................223.4播阳大桥技术状况等级评定.........................................................................23-I- 3.5播阳大桥结构检算.........................................................................................263.6播阳大桥的静载试验.....................................................................................273.6.1测试项目及方法.....................................................................................283.6.2加载位置与工况.....................................................................................313.6.3应力测试结果与分析.............................................................................323.6.4挠度和水平位移测试结果与分析.........................................................373.6.5试验现象及裂缝观测.............................................................................423.7本章小结.........................................................................................................42第四章播阳大桥加固前后有限元分析.................................................................434.1双曲拱桥加固计算模型中的通用的条件假定.............................................434.2播阳大桥加固计算模型的建立.....................................................................434.3加固前内力计算结果与分析.........................................................................454.3.1加固前内力计算结果.............................................................................454.3.2加固前内力计算结果分析.....................................................................534.4维修加固方案的制定.....................................................................................554.4.1桥梁检测结果.........................................................................................554.4.2维修加固方案.........................................................................................564.5加固后的内力计算.........................................................................................584.5.1加固后模型的建立.................................................................................584.5.2加固后模型的内力计算.........................................................................594.5.3加固后的内力计算结果分析.................................................................674.6加固前与加固后的对比分析.........................................................................694.7本章小结.........................................................................................................73第五章大件运输条件下的山区道路改造方案设计和挡土墙的验算.................755.1大件运输的特点.............................................................................................755.1.1大件运输对象的特殊性.........................................................................755.1.2大件运输的受限条件.............................................................................755.1.3大件荷载与普通荷载的区别.................................................................765.2工程实例道路勘探.........................................................................................765.2.1工程概况.................................................................................................765.2.2主要设备的技术参数.............................................................................785.2.3车辆的要求.............................................................................................785.2.4叶片运输方案.........................................................................................795.2.5对道路的基本要求.................................................................................79-II- 5.3工程实例道路改造方案设计.........................................................................805.3.1改造方案.................................................................................................805.3.2路基、路面的具体改造设计.................................................................825.4挡土墙的验算.................................................................................................835.4.1仰斜式挡土墙稳定性的计算.................................................................835.4.2高度为10m的仰斜式路肩挡土墙的验算..........................................875.4.3高度为8m的仰斜式路肩挡土墙的验算............................................915.5本章小结.........................................................................................................93第六章结论与展望.................................................................................................956.1结论.................................................................................................................956.2展望.................................................................................................................96参考文献.........................................................................................................97致谢.........................................................................................................................99个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文...........................................100-III- 第一章绪论1.1引言改革开放以来，我国的农业，轻工业，重工业发展进程进步迅猛，尤其是重工业的发展更是日新月异，在重工业中设备重型化、大型化、全面化已经成为主要发展的趋势，尤其在石化、电力、冶金这三个方向中设备这种趋势更加明显。因为超重、超大设备在这三个方面发挥着越来越重的作用，而这种超大超重设备都是由厂家在工厂中生产然后运输到使用基地从而发挥其作用，这时运输这种大件的重载运输的重要性就越发的凸显出来。大件运输中的大件一般是指超重、超限的大型物件，一般都是工业企业上的大型设备。由于运输的设备本身的特殊性，致使大件运输的发展方向是向着超重、超长、超宽、超高的方向发展。通过大件本身的长度、宽度、高度、重量四个指标，可以给大件做出如下分类，如表1-1所示[1]。表1-1大件的分类大件级别长度/m宽度/m高度/m重量/t一级大件14～203.5～4.53～3.820～100二级大件20～304.5～5.53.8～4.4100～200三级大件30～405.5～64.4～5200～300四级大件≥40≥6≥5≥300根据大件长、宽、高、重量这四方面的特殊性，那也要求运输这种大件的车辆也是特殊车辆，一般都是利用全挂式平板车、牵引车来完成运输要求。同时在运输过程中对空间和技术的要求一般也很高。大件运输这些特殊性，也对大件运输所通过的的桥梁和道路提出了新的技术要求要求。1.1.1大件运输条件下既有双曲拱桥检测加固的意义大件运输的过程中，在运输道路上的桥梁是大件运输的重中之重。双曲拱桥是我国在二十世纪六七十年代才出现的一种新型桥型，因为这种桥型施工方便，节省材料，维修保养费低则在我国建国之初就得到了广泛的应用，据不完全统计，截止到1975年底，我国就修建了3000余座双曲拱桥，仅湖南一省就-1- 建成了双曲拱桥100余座[2]。但是事情都有两面性，由于双曲拱桥本身整体性和耐久性差，再加上建立之初一般设计荷载都比较低，部分桥梁甚至都已经服役30年，加之我国的飞速发展，交通运输量的加大，特别是大件运输的快速发展，使得这些双曲拱桥不堪重负，出现不同程度的损害，有的甚至变成了危桥，给交通运输带来巨大的隐患。那么就需要对桥梁进行维修加固，而桥梁的检测就是通过特殊的仪器和手段检查出桥梁本身的安全隐患是什么，尤其是那些老旧的双曲拱桥本身隐患原因复杂，只有通过这种切实可行的方法才能真正查出其中的安全隐患，为后续桥梁的加固提供准确的技术资料。通过桥梁检测结果就可以知道桥梁本身的安全隐患之后便可以针对隐患提出切实可行的加固方案，通过加固则可以有效的提高桥梁本身的承载能力同时相应的延长桥梁的寿命，减少安全隐患，提高经济效益。1.1.2大件运输条件下山区道路改造的意义我国初期在山区建造的公路，很多都是根据当时的交通水平和建造水平而建造的。但是现在我国交通运输行业飞速发展，重载运输行业更是在交通运输行业中占据越来越大的比例，那么我国在山区所建造的公路则无法满足这日益增长的交通需求。而我国很多重大工程都建造于山间，如水利发电厂、卫星发射中心、大型天文观测中心这些工程对于民生和国家都很重要，但这些工程的重要部件都是超大物件，一般的运输车辆根本无法承担同时也对运输道路提出新的要求[3]。大件运输是典型的重载运输，大件运输对于运输车辆和运输货物都有着特殊的要求，能够完成重大货物的运输。在道路的选择上，对于是针对道路上的转角，道路的坡度，道路的路面，路边的边坡都有较高的要求。由于大件运输本身车辆的超长，超宽，超重等特点，因此对既有道路提出了新的要求。针对于大件运输中运输时的特点，一般我国现有的山区道路很难满足全部要求，所以在运输前对山区道路进行道路勘察，可以有效的清除道路上的障碍满足大件运输通行的需求，同时也能为道路改造提供依据。-2- 1.2研究现状1.2.1国内外桥梁检测加固研究现状欧美等国家的经济发展较快，基础设施建设较早因此出现损伤的桥梁的时间也早于我国。由于这些国家基础建设较早，那么在工程建设上的重心已经由建设逐渐向维护这个方向转换。由于国家的重视和支持，从而使得这些国家在相关方面取得了不小的成就。(1)英国在二十世纪中叶时发生了大规模的旧桥坍塌的事故，极大地造成了经济和财产的损失，使得英国对于旧桥的维修加固得到了相当的重视。从而通过大量的研究得到了系统的桥梁评估规范和专用桥梁的评估规范，并且提出利用荷载试验的方法进行评定桥梁的承载能力[4-5]。(2)美国的联邦公路管理局于1980年就提出旧桥维护的方向，经过多年的研究，也形成了一套符合美国本土的旧桥维修、加固机制[6-7]。我国对于桥梁检测加固起步较晚，是在二十世纪八十年代左右由于我国早期修建的桥梁不同程度的损坏，严重影响和制约了我国的经济发展，因此我国的交通管理部门和相关高校先后致力于我国桥梁检测加固相关方面的研究。我国从1990年到2011年，经过相关部门和高校的共同参与合作研究下，在检测和鉴定理论方面的快速发展最终形成了适合我国的一系列规范例如《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TJ21-2011)、《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/TH21-2011)、《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/TJ21-01-2015)、《公路桥涵养护规范》(JTGH11-2004)，这些规范给我国的检测鉴定方面提供了标准，让操作更加规范化更加标准化。同时在把理论和实际快速的结合的过程中，使得理论得到了大量的实践，形成了把监测数据和实验数据相结合的方法，这样就减少了对实验的依赖，大大提升了真实性。并且研发了一大批相关的检测仪器，为相关反面提供了大量的支持[8]。不少国内的学者在对双曲拱桥的加固和山区道路的改造上进行了深入的研究，并取得了不小的成果。汤建忠[9]以贵州省孟彦大桥为实例，提出了对拱轴线和混凝土强度的改进检测方法。并且对拱顶正弯矩过大的双曲拱桥做出研究，验证了通过体外预应力加固拱顶能很好提高拱桥的承载能力。-3- 李强[10]通过多座拱桥的加固实例，研究不同加固方法在不同拱桥中的适用性。最后得到对于由于结构特性而造成横向联系比较薄弱的双曲拱桥，主要采用增强双曲拱桥主拱圈横向联系的方法进行加固主拱圈；对于石拱桥、钢筋混凝土箱型拱桥这类桥型主要采用增大截面法加固主拱圈；对于拱顶挠度较大的拱桥，可以采用预应力法加固加固拱顶十分有效。蔡明君[11]通过详细了解双曲拱桥归纳其典型病害，并深度剖析了各种病害产生的根源。在深度剖析双曲拱桥各种病害的基础上提出了关于双曲拱桥的构造评价方法。谢鑫[12]详细了解了双曲拱桥的构造特点和现有的加固理论，进而提出了采用实测拱轴线建立计算模型。并且根据有限元计算分析加固前的桥梁在正常使用状态和承载能力极限状态下的整体性能，最后得出增大截面法为可行的加固方法。1.2.2国内外道路改造研究现状欧美等国家早在1970年就形成了庞大的公路交通网，随着时间的推移和交通工具的快速发展，使得大量的道路病害问题浮出水面，尤其是山区道路。通过大量的研究得到了符合实际的道路改造和养护的方法。道路改造需要考虑到道路所处的环境、地形条件，还需要考虑到经济效益。欧美国家在道路改造这一块针对于日益增加的交通量和不断变大的运输车辆在原先的道路养护管理的系统上还针对于以下几点做出了深入的研究：(1)完善路面状况和使用状况的数据库信息；(2)路况参数的调查和使用性能监测的方法和手段。我国道路的发展是在近代才崛起的，自1980年以来我国加大了对公路基础设施的投资建设力度，加快了公路建设，截至2011年底，公路通车里程已经超过400万公里，其中高速公路通车里程达7.8万千米。全国累计完成路网改建工程58万公里、公路大修工程16.9万公里、公路中修工程37.7万公里。鉴于我国的国情，因此要采用可持续发展战略，对这些老路进行改造具有更重要的现实意义。对于老路的改造，不管是设计还是施工，我国相关的规范、规程都比较缺乏，没有形成一个完整的理论体系，而且可借鉴的经验也不够充分[13]。与此同时，在未来交通量高速发展的过程中，随着区域经济的快速发展从而促使的交通运输量不断上涨，加重了交通严重阻塞的现象，有的甚至还会引起交通事故，因此对旧路改造必须实行。其次，随着科技的不断进步，许多新-4- 型车辆不断出现，尤其是重载车辆，而这些重载车辆的轴载都与以往的旧型车辆不同，那么早期的路面则不能满足其轴载的要求，那么将会从而导致路面病害增加，也致使道路交通运营不顺畅，降低了道路的服务水平，同时也制约了区域经济的发展。因此，为了提高我国的经济发展，我们应该在加强道路改造的同时学习国外的先进技术经验，为我国道路改造工程的实施提供科学的依据。1.3本论文的研究内容1.3.1主要研究内容本文以湖南省某风电站运输工程为例，对大件运输条件下对双曲拱桥承载力的评定、加固和山区道路改造进行深入的研究。本论文的主要研究内容如下：(1)在既有双曲拱桥承载力的评定研究中。结合工程实例通过结构验算、荷载试验两种方法对播阳大桥进行承载力的评定，最后通过这两种方法的结果进行综合的评定，进行该拱桥承载力的评定研究。(2)在既有双曲拱桥的加固研究中。结合工程实例通过有限元软件Midas/Civi建立该双曲拱桥的加固前的模型，通过播阳大桥加固前的仿真模拟和承载能力检测结果，制定加固方案。然后以加固方案为基础建立加固后的模型，通过加固前后模型的下缘应力对比的方法，验证加固方案的可行性，进行双曲拱桥加固的研究。(3)在对山区道路改造研究中。通过对大件运输特点的详细了解和路勘中得到大件运输对道路的要求，再结合本工程实例然后制定道路改造方案并且验证加固方案中的对道路拓宽十分重要的挡土墙的稳定性，进而对山区道路改造进行深入研究。1.3.2研究思路-5- 其次通过对双曲拱桥承载力的评首先通过绪论了解到大件运输条定和加固这两方面的深入研究可件下的双曲拱桥加固和山区道路得到，承载力评定和加固常用的改造的意义。方法。通过对播阳大桥建立模型进行仿真分析得到在主拱圈拱顶和3L/8处下缘应力很大，结合评定结果结合工程实例播阳大桥，通过对制定加固方案，通过在拱肋处增播阳大桥进行结构验算、静力荷加钢筋混凝土板对拱桥进行加固载试验两种方法的综合评定，得并通过仿真模拟验证该加固方案到播阳大桥需要加固。可行。在山区道路的改造中首先了解了大件运输的特点，然后结合工程实例进行路勘，然后制定道路改造方案并且对改造方案中对路基稳定性很重要的挡土墙进行验算其稳定性。图1-1研究思路1.3.3研究方法(1)结合湖南省某风电场工程项目中的双曲拱桥-播阳大桥，依靠我国的相关检测鉴定的规范对播阳大桥进行检测和结构验算。通过相关规范进而规范静力荷载试验的操作过程，同时把静力荷载试验结果和现场检测的结果进行对比，进而保证结果的准确性，从而对播阳大桥承载能力做出准确的评价。(2)通过承载力评定结果，再利用有限元软件Midas/Civil建立播阳大桥加固-6- 前的模型并且计算，然后制定播阳大桥的加固方案。同样利用有限元软件Midas/Civil建立加固后模型进行计算，利用计算结果对比相关规范从而验证加固方案的可行性。(3)在对山区道路改造研究中主要是结合本工程实例，通过对大件运输特点和道路勘探了解到在运输过程中对道路的特殊要求，然后制定山区道路改造方案并且通过对改造方案中的挡土墙的验算进而验证该道路改造方案的可行性。-7- 第二章既有双曲拱桥检测、承载能力评定与主拱圈的加固方法2.1桥梁检测概述桥梁检测是进行加固前必要进行的技术手段，通过桥梁检测能够更加明确清楚的知道桥梁的真正的病害和产生的原因。只有知道桥梁本身真正的病害才可以，对症下药制定准确的加固方案，从而保证了加固后的效果。所以说桥梁检测是桥梁加固的前提和保障。2.1.1双曲拱桥检测的主要项目由于双曲拱桥是我国早期的桥型，由于本身建造的便利性，在我国早期建设中得到了大量的运用。随着运输行业的不断发展，双曲拱桥已经不能满足日益增长的需求，现在所说的双曲拱桥一般都是早期的双曲拱桥，都已经服役数十年之久甚至更久。所以一般双曲拱桥都是带病服役，那么对于双曲拱桥进行检测时都需要认真仔细，以保证准确的评定双曲拱桥承载力，保障车辆的安全通行。一般双曲拱桥经常检测的项目：①桥面系；②拱上建筑；③主拱圈；④基础及墩台；⑤材料，这五部分的检查[14-20]。其中对于材料的检查一般的方法主要有无损和半破损的方法进行检测[21-25]，在拱桥的材料检查中主要指的是针对混凝土和钢筋的检测，为了减少对结构的破坏我们一般采取无损的办法进行检测[26-30]。在混凝土的检测中，为了确定结构混凝土的强度状况，可以通过构件测区的混凝土强度推定值或测区的平均换算强度值利用相关公式进行换算成推定强度均质系数和平均强度均质系数，进而确定混凝土的强度状况[31-33]。所采用的公式为：(1)推定强度均质系数RitK=(2-1)btR式中，-8- K——推定强度均质系数；btR——混凝土强度实测强度推定值；itR——混凝土设计强度等级。(2)平均强度均质系数RK=im(2-2)bmR式中，R——混凝土测区平均换算强度值；imR——混凝土设计强度等级；K——平均强度均质系数。bm利用上述公式进行计算，通过计算结果结合相关规范进行查阅就可以得到该拱桥的混凝土强度状况。2.2双曲拱桥的承载能力评定方法2.2.1双曲拱桥承载能力评定的特点双曲拱桥由于施工方便、建造节省曾经风靡一时。但是在长期服役和现在社会运输车辆载重的不断增加的情况下，致使双曲拱桥结构和设计荷载不足等缺点暴露出来[34]。通过详细了解双曲拱桥的结构特点和承载能力评定现状，可以认为其承载能力评定有以下的几个主要特点：(1)双曲拱桥的主拱圈典型的偏心受压构件，会同时受到轴力、弯矩、剪力的作用，那么其受力情况将会变得复杂，对于双曲拱桥进行受力分析时，带来不小的难度。(2)经过大量的双曲拱桥检测实际经验可得双曲拱桥检测时的最好方法就是采用荷载试验法进行检测。2.2.2双曲拱桥常用的承载能力评定方法2.2.2.1外观调查法即由实践经验丰富的的桥梁技术人员对双曲拱桥的外观进行详细的检查和观测，然后用检查和观测到的病害通过相关规范进行计算进而对双曲拱桥进行-9- 承载力评定。本方法主要是利用《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/TH21—2011)该规范中的公式，通过外观检测到的病害，然后利用参考该规范对号入座，在利用相关公式进行计算得出本结构的技术状况，然后由小见大，进而推出整个桥梁的技术状况[35]。有关技术状况评分的计算公式为：(1)桥梁构件技术状况评分计算公式：kPMCIl(BMCIl或DMCIl)=100−Ux(2-3)x=1当x=1时U=DP1i1当x≥2时DPx−1ijUx=×(100−Uy)(其中j=x)100×xy=1当DP=100时ijPMCI(BMCI或DMCI)=0lll式中，PMCI——上部结构第i类部件l构件的得分；lBMCI——下部结构第i类部件l构件的得分；lDMCI——桥面系中的第i类部件l构件的得分；lk——第i类部件l构件出现扣分的指标的种类数；i——部件类别；j——第i类部件l构件的第j类指标的检测指标；DP——第i类部件l构件的第j类指标的检测指标的扣分值；ijU、x、y——引入的变量。(2)桥梁部件技术状况评分计算公式：(100−PMCI)minPCCI=PMCI−(2-4)it(100−BMCI)min或BCCI=BMCI−it-10- (100−DMCI)min或DCCI=DMCI−it式中，PCCI——上部结构第i部件的得分；iPMCI——上部结构第i部件各构件的得分平均值；BCCI——下部结构第i类部件的得分；iBMCI——下部结构第i部件各构件的得分平均值；DCCI——桥面系第i部件的得分；iDMCI——桥面系第i部件各构件的得分平均值；PMCI——上部结构第i部件中分值最低的构件得分值；minBMCI——下部结构第i部件中分值最低的构件得分值；minDMCI——桥面系第i部件中分值最低的构件得分值；mint——随构件的数量而变的系数。(3)桥梁上部结构、下部结构、桥面系的技术状况评分计算公式：mSPCI(SBCI或BDCI)=PCCIi(BCCIi或DCCIi)×Wi(2-5)i=1式中，SPCI——桥梁上部结构技术状况评分；SBCI——桥梁下部结构技术状况评分；BDCI——桥面系技术状况评分；m——上部结构（下部结构或桥面系）的部件种类数；W——第i部件的权重。i(4)桥梁总体技术状况评分计算公式：D=BDCI×W+SPCI×W+SBCI×W(2-6)rDSPSB式中，BDCI——桥面系的技术状况评分；SPCI——桥梁上部结构技术状况评分；SBCI——桥梁下部结构技术状况；W——桥面系在全桥中的权重；DW——上部结构在全桥中的权重；SP-11- W——下部结构在全桥中的权重；SBD——桥梁总体技术状况评分。r2.2.2.2结构检算法由于双曲拱桥本身横向联系的薄弱，所以一般在对双曲拱桥进行承载力评定时都要进行双曲拱桥的结构检算。结构验算法主要是针对于双曲拱桥主要的控制截面、薄弱位置和出现严重缺损的部位[36]。(1)利用结构验算的方法，主要是通过规范中所给的公式进行结构验算，验算时一般要选取最不利的桥跨最不利的受力截面进行验算，我们在双曲拱桥中经常用到的公式：γN<ϕAf(2-7)0dcd式中：N——轴向力设计值；dA——构件截面面积；f——砌体或混凝土轴心抗压强度设计值；cdϕ——构件轴向力的偏心距e和长细比β对受压构件承载力的影响系数。(2)考虑到桥梁承载能力可能出现不同程度的降低，又因为双曲拱桥一般为配筋混凝土桥，一般会用到配筋混凝土桥梁承载能力极限状态公式：γ0S≤R()fd，ξcadc，ξsadsZ1(1−ξe)(2-8)式中，γ——结构的重要性系数；0S——荷载效应函数；R().——抗力效应函数；f——材料强度设计值；da——构件混凝土几何参数值；dca——构件钢筋几何参数值；dsZ——承载能力检算系数；1ξ——承载能力恶化系数；eξ——配筋混凝土结构的截面折减系数；cξ——钢筋的截面折减系数。s-12- 一般结合这两个公式通过结构验算进行承载力的评定。在上述公式中参数的取值主要是结合相关规范进行取值，对于其中力的取值主要是通过结合桥梁实际状况建立模型，通过模型计算得到相关力的数值，再结合相关参数带入公式进行该桥梁的结构验算。2.2.2.3荷载试验法荷载试验法是评定双曲拱桥承载力最准确最可靠的方法。准确的说荷载试验法能够通过对双曲拱桥加载荷载，最接近真实的模拟出双曲拱桥服役时的运行状况，能够给双曲拱桥承载力的评定做出最准确的判断[37-38]。根据双曲拱桥加载的荷载的不同，可以分为静力荷载试验和动力荷载试验两种。不过本论文中则对双曲拱桥采用静力荷载试验。静荷载试验主要用于分析双曲拱桥结构的受力状态和变形能力，进而能够对双曲拱桥承载力做出判断。静荷载试验的过程一般分为三个阶段：①试验方案的拟定；②加载和数据采集；③测试结果分析及桥梁评定。静力荷载试验的流程一般都很清楚但是在流程中有几项重要内容需要我们了解。(1)荷载等级的确定荷载等级确定会直接影响加载后效果的好坏。所以为了保证加固效果，对于加载的荷载一般通过计算而得到。一般采取静力荷载试验效率来进行荷载等级的控制。静力荷载试验效率的公式：SSη=(2-9)q"()S×1+μ式中，S——静载试验荷载作用下，某一加载项目对应的加载控制截面内力或位S移的最大计算效应值；"S——控制荷载产生的同一加载控制截面内力或位移的最不利的计算效应值；μ——按规范取的冲击系数值；η——静力荷载试验效率。q(2)测试结果分析对测试结果进行分析是对桥梁承载能力评定最重要的过程，对最后数据的的处理十分重要。为了让数据更加能够反映出桥梁的具体实际情况，一般通过-13- 两个参数来评定桥梁承载能力。①主要测点静力荷载试验结构校验系数ζ，公式为：Seζ=(2-10)Ss式中，S——试验荷载作用下主要测点的实测弹性变位或应变值；eS——试验荷载作用下主要测点的理论计算变位或应变值；sζ——静力荷载试验结构校验系数。当ζ值小于1时，则代表桥梁的实际情况要好于理论状况。"②主要测点相对残余变位或相对残余应变S公式：pS"pS=×100%(2-11)pSt式中：S——主要测点的实测残余变位或残余应变；pS——试验荷载作用下主要测点的实测总变位或总应变。t"当S越小，则说明结构越接近弹性工作状况。p(3)测试结果的评定①主要测点静力荷载试验校验系数大于1时；②主要测点相对残余变位或相对残余应变超过20%；只要出现上述情况之一，则可以直接判定桥梁承载能力不满足要求。2.3双曲拱桥主拱圈的加固方法双曲拱桥的主拱圈是主要的承重和传递力的构件，对于双曲拱桥的承载力有着巨大的影响。双曲拱桥的主拱圈是由拱肋、拱波、拱板、横向联系等构建组成。这样的构造使得双曲拱桥无论是在纵向还是在横向都是曲型的。尤其是双曲拱桥主拱圈建造时是通过拼装建造而成，这就从设计上造就了双曲拱桥横向联系差、整体性差的缺点[39]。因此对双曲拱桥主拱圈的加固也是针对这个结构缺点而制定的。-14- 2.3.1增大截面法增大截面法主要是针对于主拱圈，通过在主拱圈喷射混凝土来增加主拱圈的截面面积从而提高构件的强度、刚度、稳定性和抗裂性。采用增大截面法时应当注意新增加的截面存在滞后效应，因此在进行施工增加新截面时最好是卸去拱上的自重然后在进行施工。由于增加截面后主拱圈是个组合结构，那么结合面则是个薄弱区，那么新增截面发挥作用的大小取决于施工时的质量和结合面的构造处理[40]。图2-1增大截面加固拱桥2.3.2粘贴加固法粘贴加固法是根据主拱圈的受力特点，在主拱圈受拉部位粘贴将钢板、碳纤维布等高强材料。当主拱圈受力时，和主拱圈粘贴到一起的高强材料便能和主拱圈上的混凝土共同受力，从而使高强材料充分发挥较高的强度，从而使构件的承载能力得到较大的提升。在使用粘贴加固时要尽可能的避免混凝土截面产生应力集中。这种方法方法虽然用于桥梁加固的时间不长，但发展迅速将会越来越广泛[41]。-15- 图2-2粘贴钢板加固拱桥2.3.3改变截面形式法改变截面形式的方法主要是在拱肋的下部增加钢筋混凝土底板，把拱肋连接为一个整体，从而使双曲拱桥在结构上变为箱型截面拱。这种方法不仅通过改变横截面形式不仅提高了主拱圈的抗力水平，而且增加了受力结构的横向整体性[42]。图2-3改变主拱圈截面形式加固拱桥2.4本章小结由上文我们可得以下结论：(1)了解到对双曲拱桥常用的检测方法和双曲拱桥经常检查的项目。在检查项目中了解到其中对于材料的检查一般的方法主要有无损和半破损的方法进行检测，在拱桥的材料检查中主要指的是混凝土和钢筋的检测，为了减少对结构的破坏我们一般采取无损的办法进行检测。-16- (2)在双曲拱桥承载能力评定中，了解到双曲拱桥评定的特点和双曲拱桥常用的评定方法。其中在双曲拱桥承载能力评定中了解到静力荷载试验是对双曲拱桥这种受力复杂的桥型进行承载力评定最好的办法。其中本节中还对静力荷载实验中的控制参数进行了相关叙述，进而保证荷载试验的效果。(3)在双曲拱桥的加固方法中，主要介绍了主拱圈的加固方法。主拱圈是双曲拱桥主要的承重和传递力的构件。还知道改变截面形式的方法能够有效的增强双曲拱桥的横向联系还能够提升主拱圈的抗力水平。-17- 第三章工程实例-播阳大桥的检测和承载能力的评定3.1工程概况湖南省某风电场工程建设地点在湖南省怀化市通道侗族自治县。终期建设规模总装机容量为200MW。2MW风机及附件总重约为118t，机舱长宽高分别为10311×3967×3904mm，运输次数为100次，运输周期为3年。初步拟定运输路线为：大件运输车由G65包茂高速靖州出口下，向西经高速连接线进入G209国道通道方向，南行至县溪镇转入X086县道播阳方向，行至播阳镇转入X085县道独坡方向，行至风电场。其中运输路线如图3-1，运输的设备的参数如表3-1~3-3所示。G209X086X085图3-1运输路线-18- 表3-12MW主机主要设备参数表序号设备名称规格（长×宽×高）设备净重/t/mm1机舱10311×3967×390490.02轮毂装配体4697×4167×336821.03随机配件5000×2000×15002.04变频柜2300×600×20002.85塔基控制柜800×600×20000.86变压器900×550×8600.57机舱、轮毂防护罩随主体尺寸0.2注：合计总重为117.3t表3-22MW50.5米叶片规格参考序号名称规格/m重量/t1风力发电机叶片50.5×3.8×3.610.02随机附件0.6×0.4×0.20.23随机文件A4装订—4雷击卡8×6×1/cm—表3-32MW54米叶片规格参考序号名称规格/m重量/t1风力发电机叶片54×3.93×3.611.52随机附件0.8×0.5×0.30.43随机文件A4装订—4雷击卡8×6×1/cm—由于沿途需要经过播阳大桥，为了保证风机等相关大件设备能偶顺利到达目的地，所以将以播阳大桥作为研究对象进行桥梁检测和承载能力的评定。播阳大桥位于通道县S341上，中心桩号为K33+506。播阳大桥上部结构为6-20m的双曲拱桥，主拱圈是整体浇筑而成且为五肋四波两悬半波，矢跨比1:5，拱圈宽9m，厚0.7m。腹拱圈净跨2.2m，矢高0.7m，厚0.3m，横墙宽0.4m。桥台为U型重力式桥台，桥墩为重力式墩，墩台均为整体扩大基础。设计荷载汽车-20、挂车-100级。桥梁建成于1991年11月。该桥曾进行过桥面铺装及拱上结构改造，原桥面宽净7+2×1.5m，现桥面宽净8+2×0.5m。播阳大桥如图3-2所示。-19- 图3-2播阳大桥3.2播阳大桥的裂缝检测(1)现场检测主拱圈的裂缝，根据裂缝的分布情况、裂缝平均长度和裂缝平均宽度，收集各孔的裂缝相关数据绘制表格3-4~3-9。表3-4主拱圈裂缝统计（第一孔）部位长度/cm宽度/mm间距/cm横向裂缝200.140跨中截面拱肋横向裂缝250.128拱脚截面拱肋横向裂缝200.127表3-5主拱圈裂缝统计（第二孔）部位长度/cm宽度/mm间距/cm横向裂缝130.1550跨中截面拱肋横向裂缝150.1028拱脚截面拱肋横向裂缝100.1527表3-6主拱圈裂缝统计（第三孔）部位长度/cm宽度/mm间距/cm横向裂缝18.50.0950跨中截面拱肋横向裂缝220.1032-20- 续表部位长度/cm宽度/mm间距/cm拱脚截面拱肋横向裂缝210.1838表3-7主拱圈裂缝统计（第四孔）部位长度/cm宽度/mm间距/cm横向裂缝250.127跨中截面拱肋横向裂缝340.128拱脚截面拱肋横向裂缝200.127表3-8主拱圈裂缝统计（第五孔）部位长度/cm宽度/mm间距/cm横向裂缝350.1830跨中截面拱肋横向裂缝380.2028拱脚截面拱肋横向裂缝300.2027表3-9主拱圈裂缝统计（第六孔）部位长度/cm宽度/mm间距/cm横向裂缝260.140跨中截面拱肋横向裂缝250.128拱脚截面拱肋横向裂缝240.127由于1-3#拱肋3/4处拱腰横向裂缝最宽处W=1.16mm，宽度超过规范要求需要对其进行深度检测，检测数据如表3-10所示。表3-10裂缝深度检测列表序号不跨缝测距不垮缝声时ti跨缝测距垮缝声时ti/cm/μs/cm/μs11026.21042.522053.32079.633076.83098.744099.640118.4检测可得裂缝最宽处裂缝深度为120.3mm，裂缝宽度超限，对结构钢筋的耐久性有一定的影响，同时也会加速混凝土的老化。-21- 3.3播阳大桥材质状况的检测对桥梁的材质的进行强度检测时一般都会选用无损的检测方法进行材质强度的检测，因为这样可以对结构构件的破坏还能检测出材质的强度。3.3.1播阳大桥混凝土强度检测这里选取5-2#拱肋、1#腹拱立墙进行混凝土强度检测，这里采用超声回弹综合法，进行检测。超声回弹仪如图3-3所示，超声回弹法所测的数据如表3-11所示。图3-3超声回弹仪表3-11超声回弹综合法检测混凝土强度结果汇总表编号构件位置Rit/MPaKbtKbm设计值评定/MPa标度15-2#拱肋37.81.261.3338.1121#腹拱立墙20.51.021.1420.71从上表可以得出：所测构件推定强度匀质系数K均大于0.95，平均强度匀bt质系数K均大于1，由此可得播阳大桥的混凝土状况良好。bm3.3.2播阳大桥碳化状况检测碳化深度的检测选取了5-4#拱肋、1#腹拱立墙进行了测试，具体检测结果如表3-12所示。-22- 表3-12混凝土碳化深度检测结果表编号构件位置混凝土碳化深度平均值/mm15-4#拱肋2.021#腹拱立墙6.0从上表可以可出，拱肋碳化深度较浅，腹拱立墙碳化深度较深。3.4播阳大桥技术状况等级评定(1)桥面系技术状况评分对桥面系进行打分主要包括三部分，分别是桥面铺装、栏杆和排水三部分。①桥面铺装这是水泥混凝土桥面铺装，其损坏主要有磨光、错台、剥落、拱起、坑洞、裂缝。其中磨光、错台、剥落、拱起、坑洞其评定指标均属于1类，裂缝的评定标准指标为2类。则其扣分值分别为DP=0DP=0DP=0DP=011121314DP=0DP=0，则可得U=0U=0U=0U=0U=0U6=9.1，151612345则可得DCCI=90.9，所以可得桥面铺装技术状况为1类。1②栏杆栏杆在撞坏和破损这两方面的评定指标都是1类，即是完好的状态。所以可得栏杆的技术状况为1类。③防排水系统该拱桥的防排水系统出现了排水不畅，但泄水管、引水槽并未出现问题。排水不畅其评定标准为2类，则DP=20则U=20则由以上可得DCCI=80，1112则可得防排水系统技术状况为2类。④桥面系技术状况得分该拱桥并无人行道和照明设施，根据部件权重系数调整的方法得到桥面铺装、栏杆和防排水系统调整后的权重值W分别为0.66、0.17、0.17。可得桥面系i技术状况得分由公式(2-5)得BDCI=93.994，所以可知桥面系技术状况为1类。(2)上部结构技术状况评分拱桥的上部结构主要包括主拱圈及拱上结构两部分。-23- ①主拱圈对于主拱圈的技术评分主要是通过主拱圈变形、渗水、主拱圈裂缝和拱脚位移四个方面进行检查和评定。检查可得主拱圈并无变形是完好的。拱脚位移并未出现变化。检查主拱圈渗水可得DP=20，主拱圈裂缝DP=25，则U=20，11121U=16.7，可得由公式(2-4)得DCCI=63.3，则得主拱圈技术状况为3类。21②拱上结构对于拱上结构主要是对拱上结构的裂缝、缺陷和填料三方面的检查，其中拱上填料检查结果为完好，则检查裂缝可得DP=20，检查缺陷可得DP=25，1112则可得U=20、U=16.7，则拱上结构的技术状况的评分可由公式(2-4)得12DCCI=63.3，则可得拱上结构技术为3类。1③上部结构的技术评分根据部件权重系数调整的方法得到桥面铺装、主拱圈和拱上结构调整后的权重值W分别为0.75、0.25，通过计算公式(2-5)可得SPCI=63.3，所以可得上i部结构技术状况为3类。(3)下部结构的的技术评分下部结构的检查主要是针对锥坡、护坡、桥墩、墩台基、河床、桥台。其中锥坡、护坡、墩台基础、桥墩、河床都是完好的即是技术状况为1类，针对桥台主要是检查剥落、空洞、裂缝、台背排水这四方面。可由计算公式(2-5)可得SBCI=81.42，所以可知下部结构技术状况为2类。(4)桥梁总体技术状况播阳大桥的总体技术状况评分可由公式(2-6)进行计算可得，利用前文中的数值可得D=76.6868，由公式计算可得播阳大桥总体技术状况评分为3类桥。r综上所述，通过计算可得该拱桥总体和部件的技术状况等级如表3-13所示。表3-13桥梁外观总体及部件技术状况等级名称技术状况等级桥梁总体3类上部结构3类下部结构2类桥面系1类主拱圈3类拱上结构3类桥面板—-24- 翼墙、耳墙—锥坡、护坡1类桥墩1类续表名称技术状况等级桥台1类墩台基础1类河床1类调治构造物—桥面铺装1类伸缩装置—人行道—栏杆、护栏1类排水系统2类照明、标志—结合规范《公路桥梁技术状况评定标准》(TG/TH21-2011)知该拱桥的总技术状况为第3类。现场检测时拍摄的该拱桥的病害照片，如图3-4所示。图3-4-1拱肋U形缝图3-4-2拱肋U形缝图3-4-3拱肋U形缝图3-4-4拱肋U形缝-25- 图3-4-5蜂窝面图3-4-6拱肋空洞图3-4-7蜂窝麻面图3-4-8腹拱横缝图3-4播阳大桥的病害3.5播阳大桥结构检算采用通用结构有限元分析软件Midas/Civil建立播阳大桥的分析模型。播阳大桥有6跨而且每跨都为20m混凝土双曲拱桥。在建立模型中，该模型共划分710个单元，753个节点，计算模型如图3-12所示。图3-5播阳大桥有限元模型图播阳大桥原始设计资料不全，检算时参考2009年《通道县S341播阳大桥一阶段施工图设计》。因为播阳大桥为混凝土双曲拱桥，因此受压偏心距限值范-26- 围内的承载力应按下列公式(2-7)计算。通过计算得出在恒载作用下轴向力N=1958.4kN，在大件运输荷载作用下1轴向力N=1522.1kN。考虑到播阳大桥双曲拱桥为5片拱肋，考虑横向分布后2按最不利拱肋进行计算，横向分布系数取0.4。则可得最不利拱肋在恒载和活载作用下N=1392.2kN，通过查询相关设计规范可得出ϕ=0.530、f=11.73MPa。dcd播阳大桥为钢筋混凝土双曲拱桥，所以其承载能力极限状态进行计算评定应按公式(2-8)计算。结构的重要性系数取值为1，桥梁主拱圈为偏心受压构件，承载能力检算评定标度D=3，为了保证安全，所以考虑承载能力检算系数Z取值为1，同时承载1能力恶化系数取值为0.05。原截面高度h=0.7m，考虑折减系数ξ后取截面高度ch=0.6m，那么拱圈面积A=0.24m2。根据ϕAf=1492.1kN，可以知道γN<ϕAf。cd0dcd根据R()f，ξa，ξaZ(1−ξ)=1417.5kN，可以知道考虑折减后桥梁的dcdcsds1e极限承载能力R()f，ξa，ξaZ(1−ξ)>γN。dcdcsds1e0d那么经过结构检算可得，播阳大桥的极限承载力能满足大件运输车辆通行的要求。由通过计算可得安全储备为1.02，虽然播阳大桥的极限承载能力满足大件运输车辆的通行要求，但安全储备低。因此建议对播阳大桥进行静载试验。3.6播阳大桥的静载试验播阳大桥原设计荷载等级为汽车-20级、挂车-100，通过计算大件运输荷载产生的效应值小于汽车-20级、挂车-100产生的效应值，但考虑到该拱桥为双曲拱桥桥型特殊，且建成年代较早，因此本次荷载试验控制荷载采用大件运输等效荷载。本次试验采用三轴载重汽车进行试验加载，通过调整车辆总重从而满足静力荷载试验效率的要求。静载试验所用的加载车辆的相关参数如表3-14所示。播阳大桥静力荷载试验效率的数据如表3-15所示。表3-14试验荷载加载车辆轴距、轮距及实际载重表车号前中轴距中后轴距横向轮距前轴重中轴重后轴重总重/cm/cm/cm/kN/kN/kN/kN0135014018056.0112.0112.0280.00235014018056.0112.0112.0280.0-27- 表3-15播阳大桥静力荷载试验效率结构形式试验孔跨试验荷载效检算荷载效效率系数ηq加载车数/辆应值/(kN·m)应值/(kN·m)6×20米混凝第5孔拱顶截126.1123.91.022土双曲拱桥面最大正弯矩6×20米混凝第5孔拱脚截-92.6-95.10.972土双曲拱桥面最大负弯矩根据桥梁荷载试验的要求，播阳大桥试验孔为通道S577（头所—播阳方向）第5孔。播阳大桥试验孔桥型布置，如图3-6所示。纵断面纵断面头所头所试验孔试验孔播阳播阳20002000台台0#台6#台墩墩4#墩5#墩桥面横断面桥面横断面700图3-6播阳大桥试验孔桥型布置图(单位尺寸：cm)桥位平面布置示意图(尺寸单位：cm)3.6.1测试项目及方法此次静力荷载试验确定的测试项目主要有：(1)应力第5孔L/2断面各拱肋底应力；第5孔3#拱肋拱脚处应力。具体测点布置如图3-8。应变测量的传感器采用的是武汉岩海工程技术有限公司生产的数码静态应变传感器。如图3-7所示。-28- 图3-7数码静态应变传感器纵断面头所应变测试位置播阳20002000应变测试位置0#台6#台4#墩5#墩桥面横断面50507001#2#3#4#5#图3-8播阳大桥试验孔应变测点示意图（单位尺寸：cm）(2)挠度(沉降)第5孔拱肋底4#墩顶、L/4、L/2、3L/4、5#墩顶断面的挠度；5#墩5孔侧支点的沉降。具体测点布置见图3-10。5#墩5孔侧支点处的沉降测试所用仪器为北京光机电研究所生产的桥梁挠度检测仪BJQN-4B，如图3-9所示。-29- 图3-9桥梁挠度检测仪BJQN-4B(3)水平位移5#墩5孔侧墩顶中部的水平位移。具体测点布置如图3-18所示。水平位移测试所用仪器为北京光机电研究所生产的桥梁挠度检测仪BJQN-4B。纵断面头所播阳挠度测试断面200020000#台6#台4#墩5#墩桥面横断面50507001#2#3#4#5#图3-10播阳大桥试验孔挠度及位移测点示意图（尺寸单位：cm）(4)试验现象及裂缝观测在试验加载过程中，观察全桥结构是否出现异常现象，试验孔裂缝是否发展，是否产生新裂缝。-30- 3.6.2加载位置与工况(1)静载试验加载位置本次静力加载试验确立的加载位置有2种：①加载车辆横桥向对称布载，纵向布置在第5孔拱顶截面最大正弯矩工况位置。②加载车辆横桥向对称布载，纵向布置在第5孔拱脚截面最大负弯矩工况位置。播阳大桥静载试验工况如表3-16所示，播阳大桥试验布载如图3-11和图3-12所示。表3-16播阳大桥静载试验工况表工况号荷载位置主要测试内容01零荷载相关测试项目的初始值1第5孔拱顶最大正弯矩对称测试第5孔拱肋4#墩顶、L/4、L/2、加载工况3L/4、5#墩顶断面的挠度，5#墩5孔侧支点处的沉降、水平位移，拱肋L/2断面、拱脚断面应变02零荷载相关测试项目的卸载值2第5孔拱脚最大负弯矩对称测试第5孔拱肋4#墩顶、L/4、L/2、加载工况3L/4、5#墩顶断面的挠度，5#墩5孔侧支点处的沉降、水平位移，拱肋L/2断面、拱脚断面应变03零荷载相关测试项目的卸载值-31- 纵断面纵断面头所播阳头所试验孔试验孔播阳20002000台台0#台6#台墩墩4#墩5#墩桥面横断面桥面横断面105180130180105图3-11播阳大桥第5孔拱顶最大正弯矩加载车辆布置示意图第5孔拱顶最大正弯矩对称加载车辆布置示意图(尺寸单位：cm)（尺寸单位：cm）纵断面纵断面头所播阳试验孔播阳头所试验孔4002000台台0#台6#台墩墩4#墩5#墩桥面横断面桥面横断面180105130180105图3-12播阳大桥第5孔拱顶最大负弯矩加载车辆布置示意图第5孔拱脚最大负弯矩对称加载车辆布置示意图(尺寸单位：cm)（尺寸单位：cm）3.6.3应力测试结果与分析跨中断面拱肋底应变测点面向大桩号方向从左向右依次编号为1-5#，3#拱-32- 肋底拱脚断面处应变测点小桩号侧为1#测点，大桩号侧为2#测点。3.6.3.1第5孔跨中断面各拱肋底应力由表3-17、3-18和图3-13、3-14可得到以下结论：在第5孔拱顶最大正弯矩对称加载作用下，第5跨跨中断面各拱肋底应力校验系数在0.55~0.70之间，均小于1.0；在第5孔拱脚截面最大负弯矩对称加载作用下，第5跨跨中断面各拱肋底应力校验系数在0.64~0.82之间，均小于1.0，表明结构在试验荷载作用下，桥梁的强度能满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TJ21-2011)的要求。表3-17第5孔跨中断面各拱肋底应力值表（第5孔拱顶最大正弯矩对称加载）测试点实测值/MPa理论值/MPa校验系数1#0.510.870.592#0.550.870.633#0.610.870.704#0.490.870.565#0.480.870.55实测值理论值1.00.9/MPa0.80.7应力值0.60.50123456测点图3-13第5孔跨中断面各拱肋底应力值（第5孔拱顶最大正弯矩对称加载）表3-18第5孔跨中断面各拱肋底应力值表（第5孔拱脚最大负弯矩对称加载）测试点实测值/MPa理论值/MPa校验系数1#-0.07-0.110.642#-0.09-0.110.823#-0.09-0.110.824#-0.08-0.110.735#-0.08-0.110.73-33- 实测值-0.06理论值-0.07-0.08/MPa-0.09-0.10应力值-0.11-0.120123456测点图3-14第5孔跨中断面各拱肋底应力值（第5孔拱脚最大负弯矩对称加载）3.6.3.2第5孔拱脚断面3#拱肋底应力值由表3-19、3-20和图3-15、3-16可得到以下结论：在第5孔拱顶最大正弯矩对称加载作用下，第5跨拱脚断面3#拱肋底应力校验系数为0.90、0.92，均小于1.0；在第5孔拱脚截面最大负弯矩对称加载作用下，第5跨拱脚断面3#拱肋底应力校验系数为0.67、0.95，均小于1.0，表明桥梁的强度能满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TJ21-2011)的要求。表3-19第5孔拱脚断面3#拱肋底应力值表（第5孔拱顶最大正弯矩对称加载）测试点实测值/MPa理论值/MPa校验系数1#-0.35-0.390.902#-0.36-0.390.92实测值-0.34理论值-0.35-0.36-0.37/MPa-0.38应力值-0.39-0.4012测点图3-15第5孔拱脚断面3#拱肋底应力值（第5孔拱顶最大正弯矩对称加载）-34- 表3-20第5孔拱脚断面3#拱肋底应力值表（第5孔拱脚最大负弯矩对称加载）测试点实测值/MPa理论值/MPa校验系数1#-0.57-0.600.952#0.04-0.600.67实测值0.2理论值0.0/MPa-0.2-0.4应力值-0.612测点图3-16第5孔拱脚断面3#拱肋底应力值（第5孔拱脚最大负弯矩对称加载）3.6.3.3第5孔跨中断面各拱肋底残余应力和第5孔拱脚断面3#拱肋底残余应力由表3-21、表3-22和图3-17、3-18、3-19、3-20可得到以下结论：在试验荷载作用下，量测的第5跨拱肋底相对残余应力（残余应力值与量测的总应力值的比值）最大值为拱脚3#拱肋1#测点的11.88%，满足规范规定α≤20%的要求。表3-21第5孔跨中断面各拱肋底残余应力对照表测试点残余应力/MPa最大应力/MPa相对残余应力/%1#0.010.521.922#0.020.573.513#0.030.644.694#0.010.502.005#0.010.492.04-35- 残余应力最大应力0.80.6/MPa0.40.20.0应力值-0.20123456测点图3-17第5孔跨中断面各拱肋底残余应力与最大应力对比6相对残余应力543百分比210123456测点编号图3-18第5孔跨中断面各拱肋底相对残余应力对比表3-22第5孔拱脚断面3#拱肋底残余应力对照表测试点残余应力/MPa最大应力/MPa相对残余应力/%1#-0.03-0.605.002#-0.01-0.372.70残余应力0.15最大应力0.00-0.15/MPa-0.30-0.45应力值-0.6012测点编号-36- 图3-19第5孔拱脚断面3#拱肋底残余应力与最大应力对比7相对残余应力6543百分比2112测点编号图3-20第5孔拱脚断面3#拱肋测点相对残余应力对比3.6.4挠度和水平位移测试结果与分析3.6.4.1第5孔试验加载时3#拱肋各测试断面挠度由表3-23、3-24和图3-21、3-22可得到以下结论：在第5孔拱顶截面最大正弯矩试验荷载对称作用下，第5孔3#拱肋各测试断面测点挠度校验系数在0.82~1.07之间，部分测点已大于1.0；在拱脚截面最大负弯矩试验荷载对称作用下，第5孔3#拱肋各测试断面测点挠度校验系数为1.35、1.38，均大于1.0，表明结构在试验荷载下，测试断面刚度已不能满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TJ21-2011)的要求。注：折线图中横坐标中的1、2、3、4、5分别代表4#墩、L/4、L/2、3L/4、5#墩表3-23第5孔试验加载时3#拱肋各测试断面挠度对比表（第5孔拱顶最大正弯矩对称加载工况）加载位置实测值/mm理论值/mm校验系数4#墩0.0000.000/L/40.0900.1100.82L/20.6080.6091.003L/40.1180.1101.075#墩0.000.000/-37- 0.7实测值0.6理论值0.50.4/mm0.30.2挠度0.10.0-0.10123456工况加载位置图3-21第5孔试验加载时3#拱肋各测试断面挠度对比（第5孔拱顶最大正弯矩对称加载）表3-24第5孔试验加载时3#拱肋各测试断面挠度对比表（第5孔拱脚最大负弯矩对称加载）加载位置实测值/mm理论值/mm校验系数4#墩0.0000.000—L/40.000-0.002—L/20.0800.0541.483L/40.1200.0891.355#墩0.0000.000—0.15实测值0.12理论值0.09/mm0.060.03挠度0.00-0.030123456工况加载位置图3-22第5孔试验加载时3#拱肋各测试断面挠度对比（第5孔拱脚最大负弯矩对称加载）3.6.4.2第5孔试验加载时跨中断面各拱肋测点挠度由表3-25、3-26和图3-23、3-24可得到以下结论：在第5孔拱顶截面最大正弯矩试验荷载对称作用下，第5孔跨中测试断面1-5#拱肋测点挠度校验系数在0.93~1.00之间，均小于1.0，但校验系数较大，已无安全储备；在拱脚截面-38- 最大负弯矩试验荷载对称作用下，第5孔跨中测试断面1-5#拱肋测点挠度校验系数在1.30~1.67之间，均大于1.0，表明结构在试验荷载下，测试断面刚度已不能满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TJ21-2011)的要求。注：折线图图中横坐标1、2、3、4、5分别代表1#拱肋、2#拱肋、3#拱肋、4#拱肋、5#拱肋表3-25第5孔试验加载时跨中断面各拱肋测点挠度对比表（第5孔拱顶最大正弯矩对称加载）加载位置实测值/mm理论值/mm校验系数1#拱肋0.5680.6090.932#拱肋0.5980.6090.983#拱肋0.6080.6091.004#拱肋0.6080.6091.005#拱肋0.5700.6090.93实测值0.62理论值0.610.600.59/mm0.58挠度0.570.560.550123456加载位置图3-23第5孔试验加载时跨中断面各拱肋测点挠度对比（第5孔拱顶最大正弯矩对称加载）表3-26第5孔试验加载时跨中断面各拱肋测点挠度对比表（第5孔拱脚最大负弯矩对称加载）加载位置实测值/mm理论值/mm校验系数1#拱肋0.0700.0541.302#拱肋0.0900.0541.673#拱肋0.0900.0541.674#拱肋0.0800.0541.485#拱肋0.0800.0541.48-39- 实测值0.10理论值0.090.08/mm0.07挠度0.060.050.040123456加载位置图3-24第5孔试验加载时跨中断面各拱肋测点挠度对比（第5孔拱脚最大负弯矩对称加载）3.6.4.3第5#墩墩顶中部的水平位移由表3-27可得出以下结论：在试验加载过程中，5#墩墩顶中部的水平位移最大值为0.303mm，残余变位为0.002mm，说明试验加载过程中桥墩产生了水平位移，但位移值较小，且卸载后基本恢复，说明结构基础基本处于正常工作状态。表3-275#墩墩顶中部的水平位移测试值表初始值/mm2辆车拱顶截面最大2辆车拱脚截面最大恢复值/mm正弯矩加载/mm负弯矩加载/mm00.3030.1420.0023.6.4.4第5#桥墩的沉降由表3-28可得出以下结论：在试验加载过程中，5#桥墩的沉降最大值为0.472mm，残余变位为0.002mm，说明试验加载过程中桥墩基础产生了沉降，但沉降值较小，且卸载后基本恢复，说明结构基础基本处于正常工作状态。表3-285#桥墩的沉降测试值表初始值/mm2辆车拱顶截面最大2辆车拱脚截面最大恢复值/mm正弯矩加载/mm负弯矩加载/mm00.4720.4600.0023.6.4.5试验孔各测试断面残余变形由表3-29和图3-25、3-26可以看出，在试验荷载作用下，各测试断面的相-40- 对残余变形（残余变形与相应的最大变形值的比值）最大值为11.88%，满足规范规定的小于20%的要求。注：折线图中横坐标中的1、2、3、4、5、6、7分别代表3#拱肋L/4、1#拱肋L/2、2#拱肋L/2、3#拱肋L/2、4#拱肋L/2、5#拱肋L/2、3#拱肋3L/4。表3-29试验孔各测试断面残余变形对比表（第5孔）测试点残余变形/mm最大变位/mm相对残余变形/%3#拱肋L/40.0050.0955.261#拱肋L/20.0450.6137.342#拱肋L/20.0700.66810.483#拱肋L/20.0820.69011.884#拱肋L/20.0760.68411.115#拱肋L/20.0520.6208.393#拱肋3L/40.0110.1318.40残余变形0.8最大变位0.60.4/mm0.2单位0.0012345678测点位置图3-25试验孔各测试断面残余变形和最大变位相对残余变形12.010.59.07.5百分比6.04.5012345678加载位置图3-26试验孔各测试断面相对残余变形-41- 3.6.5试验现象及裂缝观测在试验加载过程中，通过现场观察，全桥结构未出现异常现象。试验加载过程中，原有裂缝有发展，卸载后恢复，未出现新裂缝。3.7本章小结(1)结合播阳大桥的工程实例，通过规范《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/TH21-2011)中的桥梁技术状况评定方法，对播阳大桥进行了桥梁技术状况的评定，最后得出播阳大桥为3类拱桥。(2)结合播阳大桥的工程实例，通过建立模型和承载能力极限状态下的公式(2-8)对播阳大桥进行承载能力的评定，最后得出在承载能力极限状态下，播阳大桥的极限承载力能满足大件运输车辆通行的要求。但通过计算安全储备为1.02可知，虽然播阳大桥的极限承载能力满足大件运输车辆的通行要求，但安全储备低。考虑到实际中的各种因素的影响，因此建议对播阳大桥进行静载试验。(3)结合工程实例，对播阳大桥进行静载试验，选取播阳大桥的第五孔作为实验孔，采用三轴载重汽车进行试验加载，最后得出由表3-23、3-24可得到以下结论：在第5孔拱顶截面最大正弯矩试验荷载对称作用下，第5孔3#拱肋各测试断面测点挠度校验系数在0.82~1.07之间，部分测点已大于1.0；在拱脚截面最大负弯矩试验荷载对称作用下，第5孔3#拱肋各测试断面测点挠度校验系数为1.35、1.38，均大于1.0，表明结构在试验荷载下，测试断面刚度已不能满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TJ21-2011)的要求。(4)综上所述，播阳大桥试验孔的承载能力已不能满足大件运输车辆的正常通行，需要对该桥梁进行加固。-42- 第四章播阳大桥加固前后有限元分析4.1双曲拱桥加固计算模型中的通用的条件假定在桥梁方面，通过有限元软件Midas/Civil建立模型进行计算研究，是现在我国现在最通用的办法。在该有限元软件中可以进行桥梁重要参数的调控，通过对比可以得到桥梁在各种实际工况下的具体情况，但是由于软件本身自我的限制使得在进行工况模拟前必须进行结构假定。由于空间模型的受力情况十分的复杂，要对空间结构进行内力和位移的精确计算将会十分的困难。因此我们为了简化计算都会提前对计算进行假定，这样方便建模计算。针对本结构进行的如下假定：(1)我们假定拱桥的拱脚和其拱座是理想的固结；(2)我们假定拱桥上的腹拱圈与拱脚间也是理想的固结；(3)我们假定拱桥最外侧的两个腹拱圈的拱脚与其拱座之间是理想固结；(4)并且我们假定拱桥的的组成材料都是均匀连续，各项同性；(5)一般我们都会考虑拱桥上部结构的联合作用。以上这些假定都是针对于拱桥通用的假定，对于在有限软软件中进行计算起到了简化作用，大大简化了计算。4.2播阳大桥加固计算模型的建立播阳大桥的上部结构为6-20m双曲拱桥，主拱圈为五肋四波两悬半波，矢跨比1:5，拱圈宽9m，厚0.7m。腹拱圈净跨2.2m，矢高0.7m，厚0.3m，横墙宽0.4m。桥台为U型重力式桥台，桥墩为重力式墩，墩台均为整体扩大基础。由于播阳大桥的主拱圈并非是拼装而成，而是直接整体浇筑而成。所以播阳大桥的计算模型在利用有限元软件Midas/Civil进行进行建立时，为了更好的符合实际情况，使得建立出的模型更加贴近实际情况，对播阳大桥的模型进行如下建立:(1)对于主拱圈、腹拱圈、拱上立墙、桥面板均采用梁单元进行建立。-43- (2)对于主拱圈、腹拱圈、拱上立柱、桥墩均采用均质材料，特性如下：①拱肋、拱板、拱波：采用C20混凝土，E=2.55×104MPa,泊松比为0.2。②腹拱圈和拱上立墙：采用C20混凝土，E=2.55×104MPa,泊松比为0.2。③桥面板：采用C40混凝土，E=3.25×104MPa,泊松比为0.2。(3)约束和加载首先各个主拱与桥面板、腹拱与桥面板都采用弹性连接中的刚性连接，拱上立柱和桥墩顶部采用刚性连接，主拱圈和桥墩顶部采用刚性连接。拱上填料和桥面系荷载作为均布荷载作用于相应的位置。现在结构施加荷载如下：①结构恒载：对于拱上填料采取的容重为23kN/m3。②对于汽车荷载和大件荷载：采用的是公路-I级，并且是2车道。③对于人群荷载：在本计算模型中暂不考虑人群荷载，即人群荷载取0。④对于温度荷载：根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)可知气温变化应从桥梁合拢时算起，但是由于资料的缺失，所以这里我们就假定温度荷载均匀升高15℃,均匀降低15℃。⑤根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)进行在承载能力极限状态下的荷载组合。(4)计算模型的建立采用通用结构有限元分析软件Midas/Civil建立混凝土双曲拱桥的分析模型，在模型整体坐标系中，X方向与顺桥向平行，Y方向与横桥向平行，Z为竖向。播阳大桥为6跨20m混凝土双曲拱桥，采用Midas/Civil软件对播阳大桥建立模型，全桥共划分710个单元，753个节点，如图4-1所示。图4-1计算模型-44- 4.3加固前内力计算结果与分析4.3.1加固前内力计算结果由于主拱圈在拱桥中承担主要的承重和传导力的作用，因此主拱圈是否满足规范要求对于拱桥自身承载力有着决定性作用。本节将用以上模型结合如表4-1所示的四种荷载组合进而模拟主拱圈的受力情况。下面将会在表格中陈列出主拱圈上各个截面上的内力，首先对其中的内力做出如下说明：(1)对于内力正负号的规定：规定轴力是拉为正，压为负。对于弯矩则规定使得截面上翼缘受压，下翼缘受拉为正反之则为负。对于轴应力则规定拉为正压为负。(2)计算出的混凝土的拉应力只是名义上的拉应力，但是有的混凝土的拉应力已经超过了他本身的极限拉应力，混凝土本身已经出现了开裂。表4-1主拱圈上的荷载组合荷载工况组合类型工况一恒载+汽车荷载工况二恒载+大件荷载工况三恒载+大件+升温工况四恒载+大件+降温注：本表中的恒载的含义是指自重+二期恒载+拱上填料的和。各个工况下的计算结果如表4-2~4-25所示。表4-2工况一（第一跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3761.65-150.82-1.670.81-1.272L/8-3594.86240.95-1.42-0.82-0.283L/8-3318.57328.43-1.38-0.670.61拱顶-3099.52677.42-1.23-0.251.083L/8-3347.73469.31-1.34-0.370.622L/8-3566.11184.81-1.45-0.58-0.15拱脚-3630.33-220.22-1.611.03-1.07-45- 表4-3工况一（第二跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3762.75-149.58-1.660.76-1.192L/8-3596.78236.75-1.44-0.86-0.303L/8-3317.86335.77-1.32-0.630.67拱顶-3086.73679.76-1.29-0.291.033L/8-3352.78464.38-1.36-0.400.652L/8-3568.25187.56-1.47-0.54-0.16拱脚-3745.66-226.78-1.631.12-0.98表4-4工况一（第三跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3778.82-149.75-1.650.85-1.222L/8-3556.55245.69-1.46-0.85-0.263L/8-3389.32325.43-1.38-0.670.61拱顶-3099.52672.33-1.19-0.621.063L/8-3379.55465.31-1.36-0.270.622L/8-3523.78188.32-1.47-0.50-0.19拱脚-3687.69-223.89-1.531.02-1.09表4-5工况一（第四跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3757.23-157.23-1.690.84-1.222L/8-3555.23245.12-1.45-0.86-0.213L/8-3316.57326.43-1.22-0.610.66拱顶-3021.45676.22-1.18-0.201.073L/8-3344.73464.23-1.32-0.320.612L/8-3578.96188.23-1.42-0.65-0.13拱脚-3752.32-228.56-1.520.98-1.07表4-6工况一（第五跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3724.22-152.78-1.610.86-1.222L/8-3578.23238.56-1.45-0.87-0.21-46- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa3L/8-3321.33327.44-1.22-0.630.67拱顶-3026.78672.14-1.20-0.291.013L/8-3338.73469.31-1.37-0.320.642L/8-3570.11184.81-1.40-0.52-0.15拱脚-3748.33-227.89-1.550.91-1.05表4-7工况一（第六跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3708.77-154.75-1.660.86-1.242L/8-3568.72247.56-1.45-0.86-0.253L/8-3305.75322.14-1.21-0.610.67拱顶-3023.14676.12-1.11-0.221.023L/8-3345.22464.12-1.37-0.310.692L/8-3556.12182.32-1.52-0.60-0.19拱脚-3712.01-222.47-1.571.08-1.03表4-8工况二（第一跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4009.57-100.01-1.780.91-1.212L/8-3769.32129.01-1.66-0.67-0.223L/8-3560.33321.03-1.41-0.421.05拱顶-3256.24466.22-1.37-0.251.773L/8-3513.25322.21-1.48-0.0.230.982L/8-3741.66183.11-1.63-0.64-0.11拱脚-3999.87-155.23-1.770.87-1.02表4-9工况二（第二跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4062.75-109.58-1.760.96-1.292L/8-3796.78126.75-1.64-0.66-0.203L/8-3517.86325.77-1.42-0.471.05拱顶-3286.73469.76-1.29-0.291.73-47- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa3L/8-3552.78324.38-1.46-0.200.952L/8-3768.25187.56-1.67-0.56-0.16拱脚-3945.66-156.78-1.730.82-0.98表4-10工况二（第三跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4078.82-105.75-1.710.95-1.282L/8-3756.55125.69-1.60-0.66-0.263L/8-3589.32328.43-1.48-0.471.01拱顶-3299.52462.33-1.33-0.221.763L/8-3579.55329.31-1.44-0.270.922L/8-3723.78188.32-1.67-0.68-0.15拱脚-3987.69-150.89-1.750.82-1.01表4-11工况二（第四跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4057.23-107.23-1.721.02-1.232L/8-3755.23125.12-1.62-0.76-0.283L/8-3518.57328.43-1.48-0.471.01拱顶-3221.45466.22-1.32-0.291.763L/8-3547.73324.23-1.42-0.271.022L/8-3778.96188.23-1.62-0.65-0.15拱脚-3952.32-158.56-1.700.88-1.05表4-12工况二（第五跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4024.22-102.78-1.710.96-1.252L/8-3778.23123.56-1.69-0.67-0.213L/8-3521.33327.44-1.49-0.470.97拱顶-3226.78462.14-1.28-0.291.713L/8-3547.73329.31-1.49-0.220.942L/8-3766.11184.81-1.65-0.68-0.15-48- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3930.33-157.89-1.790.81-0.95表4-13工况二（第六跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4008.77-104.75-1.760.93-1.242L/8-3768.72127.56-1.62-0.62-0.253L/8-3505.75322.14-1.49-0.471.08拱顶-3223.14468.12-1.31-0.251.763L/8-3545.22324.12-1.40-0.271.022L/8-3756.12188.32-1.63-0.68-0.09拱脚-3912.01-152.47-1.770.80-1.05表4-14工况三（第一跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3982.67-156.86-1.780.78-1.152L/8-3723.08128.65-1.61-0.69-0.353L/8-3593.81317.01-1.52-0.521.15拱顶-3371.76371.33-1.45-0.271.193L/8-3592.95359.52-1.53-0.481.092L/8-3720.36132.95-1.64-0.79-0.32拱脚-3912.01-201.56-1.770.82-1.17表4-15工况三（第二跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3962.75-159.58-1.760.76-1.192L/8-3796.78130.28-1.64-0.66-0.403L/8-3593.25325.77-1.52-0.570.85拱顶-3356.41379.76-1.49-0.291.133L/8-3556.23354.38-1.56-0.400.952L/8-3768.25137.56-1.67-0.74-0.36拱脚-3923.56-206.78-1.730.81-0.98-49- 表4-16工况三（第三跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3978.82-155.75-1.710.75-1.082L/8-3756.55125.69-1.66-0.65-0.263L/8-3589.32318.43-1.58-0.570.91拱顶-3399.52372.33-1.49-0.321.203L/8-3579.55352.31-1.54-0.470.912L/8-3723.78138.32-1.67-0.78-0.35拱脚-3987.69-200.89-1.730.88-1.01表4-17工况三（第四跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3957.23-157.23-1.750.72-1.112L/8-3755.23121.12-1.65-0.66-0.283L/8-3518.57318.43-1.58-0.510.90拱顶-3321.45376.22-1.48-0.201.163L/8-3547.73354.23-1.52-0.471.022L/8-3778.96138.23-1.62-0.75-0.35拱脚-3999.32-198.56-1.720.88-1.05表4-18工况三（第五跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3924.22-152.78-1.750.76-1.052L/8-3778.23128.56-1.62-0.67-0.253L/8-3521.33317.44-1.58-0.570.87拱顶-3326.78372.14-1.43-0.291.113L/8-3547.73359.31-1.50-0.420.942L/8-3766.11134.81-1.65-0.78-0.35拱脚-3930.33-207.89-1.750.91-0.95表4-19工况三（第六跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3908.77-154.75-1.750.81-1.142L/8-3768.72127.56-1.65-0.63-0.35-50- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa3L/8-3595.75312.14-1.55-0.470.95拱顶-3323.14376.12-1.41-0.251.123L/8-3545.22354.12-1.57-0.471.092L/8-3756.12132.32-1.62-0.78-0.39拱脚-3912.01-212.47-1.710.93-1.05表4-20工况四（第一跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3982.67-116.86-1.781.48-1.552L/8-3523.08128.65-1.51-0.59-0.353L/8-3393.81337.01-1.321.381.45拱顶-3171.76703.33-1.23-0.873.593L/8-3392.95359.52-1.391.221.292L/8-3520.36152.95-1.54-0.36-0.32拱脚-3912.01-131.56-1.771.57-1.27表4-21工况四（第二跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3962.75-119.58-1.761.46-1.592L/8-3596.78130.28-1.54-0.56-0.403L/8-3393.25335.77-1.361.331.45拱顶-3156.41703.78-1.25-0.893.553L/8-3356.23364.38-1.341.261.252L/8-3568.25157.56-1.57-0.34-0.26拱脚-3923.56-136.78-1.731.52-1.28表4-22工况四（第三跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3978.82-115.75-1.751.45-1.582L/8-3556.55125.69-1.56-0.55-0.363L/8-3389.32332.43-1.381.351.41拱顶-3199.52704.11-1.29-0.823.55-51- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa3L/8-3379.55363.31-1.341.271.222L/8-3523.78152.32-1.57-0.38-0.25拱脚-3987.69-131.89-1.721.52-1.21表4-23工况四（第四跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3957.23-117.23-1.751.42-1.452L/8-3555.23135.12-1.55-0.56-0.383L/8-3318.57328.43-1.381.571.41拱顶-3121.45703.22-1.22-0.893.563L/8-3347.73364.23-1.321.371.122L/8-3578.96148.23-1.52-0.35-0.35拱脚-3952.32-138.56-1.721.58-1.25表4-24工况四（第五跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3924.22-112.78-1.751.40-1.552L/8-3578.23128.56-1.52-0.57-0.353L/8-3321.33337.44-1.331.371.47拱顶-3126.78703.14-1.25-0.893.553L/8-3347.73369.31-1.381.221.242L/8-3566.11154.81-1.55-0.38-0.25拱脚-3930.33-137.89-1.781.51-1.25表4-25工况四（第六跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3908.77-114.75-1.751.41-1.542L/8-3568.72127.56-1.55-0.53-0.353L/8-3395.75332.14-1.361.371.45拱顶-3123.14706.12-1.21-0.853.323L/8-3345.22364.12-1.371.271.392L/8-3556.12152.32-1.52-0.38-0.29-52- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-3912.01-132.47-1.711.53-1.254.3.2加固前内力计算结果分析(1)四个工况下各自的桥跨间的下缘应力的对比由图4-9~4-11可知在工况一、工况二、工况三、工况四这四种工况下，其各跨间的下缘应力在拱脚、2L/8、3L/8、拱顶、3L/8、2L/8、拱脚这七个位置处的应力值的对比，可知在各自工况下各跨在主拱圈七个位置出的应力值浮动不大。注：下列各图横向坐标中的1、2、3、4、5、6、7这七个数值分别代表主拱圈的拱脚、2L/8、3L/8、拱顶、3L/8、2L/8、拱脚这七个位置。第一跨1.2第二跨0.8第三跨第四跨0.4/MPa第五跨0.0第六跨-0.4-0.8下翼缘应力值-1.2012345678下翼缘应力发生位置图4-2拱桥各跨间下缘应力值的对比(工况一)第一跨3第二跨2第三跨第四跨/MPa1第五跨第六跨0-1下缘应力值-2012345678下缘应力发生的位置图4-3拱桥各跨间下缘应力值的对比(工况二)-53- 第一跨1.5第二跨1.0第三跨第四跨0.5第五跨/MPa第六跨0.0-0.5下缘应力值-1.0-1.5012345678下缘应力发生位置图4-4拱桥各跨间下缘应力值的对比(工况三)第一跨5第二跨4第三跨3第四跨第五跨/MPa2第六跨10-1下缘应力值-2-3012345678下缘应力发生的位置图4-5拱桥各跨间下缘应力值的对比(工况四)(2)拱桥在各自工况间下缘应力的对比(如图4-6所示)①由图4-6可得四种工况下的下缘应力都呈现先增加后减少的趋势，并却在拱顶处达到拉应力的最大，在拱脚处达到压应力的最大。②主拱圈的建造材料用的是C20混凝土，由设计规范可知其设计拉应力为1.1MPa，在四种工况下，其中在工况二、工况四下，在它们3L/8和拱顶处三个位置处均超出了该混凝土的设计拉应力。尤其是工况四恒载+大件+降温下，其拱顶处的下缘应力达到了3.59MPa，远远超过了设计拉应力。③由下图可知，在四种工况下拱桥的下缘应力普遍偏大。分析原因应该是当初设计荷载偏小，拱桥建设时的原因再加上多年的使用致使现在桥梁的承载能力下降，现在桥梁的现状并不适合通过大件荷载，若想通过大件荷载则需要对桥梁进行加固。④综上所述，在大件荷载和汽车荷载下拱桥在拱顶和3L/8处出现较大下缘拉应力，为了提高桥梁的承载力，应该对播阳大桥的主拱圈进行加固。-54- 注：①由于拱桥在各自工况下，在拱脚、2L/8、3L/8、拱顶、3L/8、2L/8、拱脚这七个位置处的数值浮动很小，因此选取在四种工况的第一跨进行对比。②下列图中横向坐标中的1、2、3、4、5、6、7这七个数值分别代表主拱圈的拱脚、2L/8、3L/8、拱顶、3L/8、2L/8、拱脚这七个位置。4.5工况一工况二3.0工况三/MPa工况四1.50.0-1.5下翼缘应力值-3.0012345678下翼缘应力发生位置图4-6四种工况下第一跨下缘应力的对比4.4维修加固方案的制定4.4.1桥梁检测结果(1)根据播阳大桥的现场检测可知该双曲拱桥目前的技术状况等级：全桥为3类，上部结构为3类。典型病害：①拱肋：各拱肋多条竖缝、横缝，部分裂缝宽度大于1mm；拱波纵缝；拱肋、拱波蜂窝麻面。②腹拱：拱圈横缝、渗水。腹拱拱脚处老化，开裂。(2)根据播阳大桥的静力荷载试验可知试验孔(第5孔)的承载能力已不能满足大件运输车辆的正常通行。报告主要检测结果如下：①在第5孔拱顶最大正弯矩对称加载作用下，第5跨跨中断面各拱肋底应力校验系数在0.55~0.70之间，均小于1.0；在第5孔拱脚截面最大负弯矩对称加载作用下，第5跨跨中断面各拱肋底应力校验系数在0.64~0.82之间，均小于1.0。在第5孔拱顶最大正弯矩对称加载作用下，第5跨拱脚断面3#拱肋底应力校验系数为0.90、0.92，均小于1.0；在第5孔拱脚截面最大负弯矩对称加载作用下，第5跨拱脚断面3#拱肋底应力校验系数为0.67、0.95，均小于1.0。在试验荷载作用下，各测试断面的相对残余应力满足规范规定的小于20%的要求。-55- 表明结构在试验荷载作用下，桥梁的强度能满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TJ21-2011)的要求。②在第5孔拱顶截面最大正弯矩试验荷载对称作用下，第5孔3#拱肋各测试断面测点校验系数在0.82~1.07之间，部分测点已大于1.0；在拱脚截面最大负弯矩试验荷载对称作用下，第5孔3#拱肋各测试断面测点挠度校验系数为1.35、1.38，均大于1.0。在第5孔拱顶截面最大正弯矩试验荷载对称作用下，第5孔跨中测试断面1-5#拱肋测点挠度校验系数在0.93~1.00之间，均小于1.0，但校验系数较大，已无安全储备；在拱脚截面最大负弯矩试验荷载对称作用下，第5孔跨中测试断面1-5#拱肋测点挠度校验系数1.30~1.67之间，均大于1.0。在试验荷载作用下，各测试断面的相对残余变形满足规范规定的小于20%的要求。表明结构在试验荷载下，测试断面刚度已不能满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TJ21-2011)的要求。③在试验加载过程中，5#墩墩顶中部的水平位移最大值为0.303mm，残余变位为0.002mm，说明试验加载过程中桥墩产生了水平位移，但位移值较小，且卸载后基本恢复。5#桥墩的沉降最大值为0.472mm，残余变位为0.002mm，说明试验加载过程中桥墩基础产生了沉降，但沉降值较小，且卸载后基本恢复，说明结构基础基本处于正常工作状态。④在试验加载过程中，通过现场观察，全桥结构未出现异常现象。试验加载过程中，原有裂缝有发展，卸载后恢复，未出现新裂缝。4.4.2维修加固方案根据现场检测和荷载试验的结果，综合考虑大件荷载的运输频率(3年100次)和桥梁现状模拟，所得到的结果是要对播阳大桥进行维修加固。加固设计方案为：主拱圈拱肋增设钢筋混凝土底板，使得原结构变为箱型截面拱；腹拱圈和立墙增大截面加固。4.4.2.1主拱圈的加固在播阳大桥的原模型上通过对原模型的内力分析可以知道主拱圈降温时会在其拱顶处出现加大的拉应力因此需要对主拱圈进行加固，为了提高主拱圈的承载力，在主拱圈拱肋增设钢筋混凝土底板，底板下缘与主拱肋底面齐平，底板厚度为20cm。增设底板采用C40微膨胀自流平混凝土。具体如图4-7和4-8-56- 所示。212313肋间底板图4-7桥梁加固立面图原拱波C40自流平混凝土4-8主拱圈加固（1-1断面图）4.4.2.2腹拱圈和立墙的加固腹拱拱腹和立墙采用增大截面法加固，加厚层均为15cm。腹拱采用C40喷射混凝土。具体如图4-9和4-10所示。原腹拱圈腹拱加厚层图4-9腹拱圈加固（2-2断面）-57- 立墙加厚层原腹拱立墙立墙加厚层图4-10腹拱立墙加固（3-3断面）4.5加固后的内力计算4.5.1加固后模型的建立为了方便加固模型的建立，依然采用梁单元进行加固模型的建立，因此对于主拱圈则采用箱型拱截面代替原截面，完成加固。虽然加固方案中采用C40混凝土进行加固，但是为了加固后更加方便对比内力则主拱圈材料依然采用C20混凝土。加固后的模型图4-11所示。加固前的主拱圈和加固后的主拱圈如图4-12和4-13所示。图4-11加固后的播阳大桥模型-58- 图4-12加固前的主拱圈图4-13加固后的主拱圈4.5.2加固后模型的内力计算(1)加固后结构施加的荷载组合如下表4-26所示。表4-26主拱圈上的荷载组合荷载工况组合类型工况一恒载+汽车荷载工况二恒载+大件荷载工况三恒载+大件+升温工况四恒载+大件+降温注：恒载=自重+二期恒载+拱上填料。-59- 表4-27工况一（第一跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4982.67-199.86-1.28-0.28-1.352L/8-4723.08128.65-1.11-0.49-0.543L/8-4593.81497.01-1.02-0.580.15拱顶-4271.76673.33-0.83-0.570.323L/8-4592.95529.52-1.09-0.420.192L/8-4720.36142.95-1.14-0.36-0.52拱脚-4912.01-181.56-1.21-0.18-0.97表4-28工况一（第二跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4962.75-199.58-1.26-0.25-1.192L/8-4796.78130.28-1.14-0.46-0.503L/8-4593.25495.77-1.06-0.530.15拱顶-4256.41673.78-0.85-0.590.353L/8-4556.23524.38-1.04-0.460.142L/8-4768.25147.56-1.17-0.34-0.56拱脚-4923.56-186.78-1.23-0.12-0.98表4-29工况一（第三跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4978.82-195.75-1.25-0.25-1.182L/8-4756.55125.69-1.16-0.45-0.563L/8-4589.32492.43-1.08-0.550.14拱顶-4299.52674.11-0.89-0.520.333L/8-4579.55523.31-1.04-0.470.122L/8-4723.78142.32-1.17-0.38-0.52拱脚-4987.69-181.89-1.23-0.12-0.91表4-30工况一（第四跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4957.23-197.23-1.25-0.22-1.152L/8-4755.23125.12-1.15-0.46-0.58-60- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa3L/8-4518.57498.43-1.08-0.570.15拱顶-4221.45663.22-0.89-0.590.363L/8-4547.73514.23-1.02-0.470.122L/8-4778.96148.23-1.12-0.35-0.55拱脚-4952.32-178.56-1.22--0.20-1.05表4-31工况一（第五跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4924.22-192.78-1.25-0.20-1.152L/8-4778.23128.56-1.12-0.47-0.543L/8-4521.33497.44-1.08-0.570.17拱顶-4226.78673.14-0.82-0.590.353L/8-4547.73529.31-1.08-0.420.142L/8-4766.11144.81-1.15-0.38-0.55拱脚-4930.33-187.89-1.27-0.21-1.05表4-32工况一（第六跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-4908.77-194.75-1.25-0.21-1.142L/8-4768.72127.56-1.15-0.43-0.553L/8-4595.75482.14-1.05-0.570.15拱顶-4223.14676.12-0.81-0.550.323L/8-4545.22524.12-1.07-0.470.192L/8-4756.12143.32-1.12-0.38-0.59拱脚-4912.01-182.47-1.21-0.13-1.05表4-33工况二（第一跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5282.67-186.86-1.38-0.38-1.252L/8-4923.08128.65-1.11-0.49-0.553L/8-4393.81497.01-1.02-0.580.05拱顶-4271.76663.33-0.93-0.570.39-61- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa3L/8-4392.95489.52-1.09-0.520.092L/8-4920.36142.95-1.14-0.46-0.52拱脚-5212.01-131.56-1.37-0.37-1.17表4-34工况二（第二跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5262.75-119.58-1.36-0.36-1.292L/8-4996.78130.28-1.14-0.46-0.503L/8-4393.25335.77-1.06-0.530.05拱顶-4256.41703.78-0.95-0.590.323L/8-4356.23364.38-1.04-0.560.062L/8-4968.25157.56-1.17-0.44-0.56拱脚-5223.56-136.78-1.33-0.32-1.18表4-35工况二（第三跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5278.82-185.75-1.35-0.33-1.282L/8-4956.55125.69-1.16-0.45-0.563L/8-4389.32492.43-1.08-0.550.01拱顶-4299.52664.11-0.99-0.520.383L/8-4379.55493.31-1.04-0.570.022L/8-4923.78142.32-1.17-0.48-0.55拱脚-5287.69-131.89-1.32-0.33-1.1表4-36工况二（第四跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5257.23-187.23-1.35-0.32-1.252L/8-4955.23125.12-1.15-0.46-0.583L/8-4318.57498.43-1.07-0.570.01拱顶-4221.45663.22-0.98-0.590.363L/8-4247.73494.23-1.02-0.470.062L/8-4978.96148.23-1.12-0.45-0.56-62- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5252.32-138.56-1.32-0.38-1.15表4-37工况二（第五跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5224.22-182.78-1.38-0.34-1.282L/8-4978.23128.56-1.12-0.47-0.553L/8-4321.33497.44-1.08-0.570.07拱顶-4226.78663.14-0.96-0.590.373L/8-4347.73489.31-1.08-0.520.042L/8-4966.11144.81-1.15-0.48-0.55拱脚-5230.33-137.89-1.35-0.31-1.15表4-38工况二（第六跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5208.77-184.75-1.35-0.31-1.242L/8-4968.72127.56-1.15-0.43-0.553L/8-4395.75492.14-1.05-0.570.05拱顶-4223.14666.12-0.91-0.550.323L/8-4345.22494.12-1.07-0.560.092L/8-4956.12142.32-1.12-0.48-0.59拱脚-5212.01-137.47-1.31-0.33-1.15表4-39工况三（第一跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5082.67-106.86-1.28-0.48-0.952L/8-4523.08148.65-1.11-0.69-0.553L/8-4393.81517.01-1.02-0.88-0.15拱顶-3971.76413.33-0.93-0.37-0.393L/8-4392.95609.52-1.09-0.52-0.292L/8-4520.36152.95-1.14-0.66-0.52拱脚-5012.01-61.56-1.27-0.37-0.87-63- 表4-40工况三（第二跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5062.75-109.58-1.26-0.46-0.992L/8-4596.78140.28-1.14-0.66-0.543L/8-4393.25515.77-1.06-0.83-0.15拱顶-3956.41413.78-0.95-0.39-0.353L/8-4356.23604.38-1.04-0.56-0.252L/8-4568.25157.56-1.17-0.64-0.56拱脚-5023.56-66.78-1.23-0.32-0.88表4-41工况三（第三跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5078.82-105.75-1.25-0.45-0.982L/8-4556.55145.69-1.16-0.65-0.563L/8-4389.32512.43-1.08-0.85-0.11拱顶-3999.52414.11-0.96-0.32-0.353L/8-4379.55603.31-1.04-0.57-0.222L/8-4523.78152.32-1.17-0.68-0.55拱脚-5087.69-61.89-1.23-0.33--0.81表4-42工况三（第四跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5057.23-107.23-1.25-0.44-0.952L/8-4555.23145.12-1.15-0.66-0.583L/8-4318.57518.43-1.08-0.87-0.11拱顶-3921.45413.22-0.98-0.39-0.363L/8-4347.73604.23-1.01-0.56-0.222L/8-4578.96158.23-1.12-0.65-0.58拱脚-5052.32-68.56-1.22-0.38-0.85表4-43工况三（第五跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5024.22-102.78-1.24-0.40-0.952L/8-4578.23148.56-1.12-0.67-0.55-64- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa3L/8-4321.33517.44-1.08-0.87-0.17拱顶-3926.78413.14-0.90-0.39-0.353L/8-4347.73609.31-1.08-0.52-0.242L/8-4566.11156.81-1.15-0.68-0.53拱脚-5030.33-67.89-1.25-0.31-0.85表4-44工况三(第六跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5008.77-104.75-1.26-0.41-0.942L/8-4568.72141.56-1.15-0.63-0.553L/8-4395.75512.14-1.05-0.87-0.15拱顶-3923.14410.12-0.91-0.35-0.323L/8-4345.22604.12-1.07-0.57-0.292L/8-4556.12152.32-1.12-0.68-0.59拱脚-5012.01-60.47-1.20-0.33-0.85表4-45工况四（第一跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5182.67-236.86-1.28-0.18-1.352L/8-4523.08108.65-1.11-0.29-0.653L/8-4393.81507.01-1.02-0.480.22拱顶-4071.76793.33-0.93-0.670.693L/8-4392.95529.52-1.09-0.320.192L/8-4520.36142.95-1.14-0.46-0.52拱脚-5112.01-161.56-1.27-0.24-1.27表4-46工况四（第二跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5162.75-229.58-1.26-0.16-1.392L/8-4596.78100.28-1.14-0.26-0.683L/8-4393.25505.77-1.06-0.430.21拱顶-4056.41793.78-0.95-0.690.66-65- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa3L/8-4356.23524.38-1.04-0.360.202L/8-4568.25147.56-1.17-0.44-0.56拱脚-5123.56-166.78-1.23-0.25-1.28表4-47工况四（第三跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5178.82-235.75-1.26-0.20-1.382L/8-4556.55105.69-1.16-0.25-0.633L/8-4389.32502.43-1.07-0.450.21拱顶-4099.52794.11-0.99-0.620.703L/8-4379.55523.31-1.04-0.370.122L/8-4523.78146.32-1.12-0.48-0.59拱脚-5187.69-170.89-1.23-0.22-1.21表4-48工况四（第四跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5157.23-237.23-1.23-0.12-1.352L/8-4555.23105.12-1.15-0.26-0.683L/8-4318.57508.43-1.08-0.470.21拱顶-4021.45793.22-0.98-0.690.663L/8-4347.73524.23-1.02-0.370.122L/8-4578.96148.23-1.12-0.45-0.59拱脚-5152.32-168.56-1.22-0.28-1.25表4-49工况四（第五跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5124.22-232.78-1.22-0.14-1.352L/8-4578.23108.56-1.10-0.27-0.663L/8-4321.33507.44-1.03-0.470.24拱顶-4026.78793.14-0.94-0.690.613L/8-4347.73529.31-1.09--0.320.142L/8-4566.11144.81-1.15-0.48-0.53-66- 续表单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5130.33-167.89-1.27-0.19-1.23表4-50工况四(第六跨）单元轴力弯矩(y)轴向应力上缘应力下缘应力/kN/(kN·m)/MPa/MPa/MPa拱脚-5108.77-230.75-1.27-0.11-1.342L/8-4568.72110.56-1.11-0.23-0.653L/8-4395.75506.14-1.04-0.470.30拱顶-4023.14796.12-0.90-0.620.683L/8-4345.22524.12-1.07-0.340.232L/8-4556.12146.32-1.12-0.48-0.59拱脚-5112.01-162.47-1.28-0.23-1.294.5.3加固后的内力计算结果分析(1)四个工况下各自的桥跨间的下缘应力的对比由图4-14~4-17可得，加固后的拱桥各桥跨间在不同工况下，在所选的界面处的应力数值浮动很小。注：上面各图横向坐标中的1、2、3、4、5、6、7这七个数值分别代表主拱圈的拱脚、2L/8、3L/8、拱顶、3L/8、2L/8、拱脚这七个位置。第一跨0.5第二跨第三跨0.0第四跨第五跨/MPa-0.5第六跨-1.0下缘应力值-1.5012345678下缘应力发生的位置图4-14各跨间的下缘应力的对比（工况一）-67- 第一跨0.5第二跨第三跨0.0第四跨/MPa第五跨-0.5第六跨-1.0下缘应力值-1.5012345678下缘应力发生的位置图4-15各跨间的下缘应力的对比（工况二）第一跨0.0第二跨第三跨-0.3第四跨第五跨/MPa第六跨-0.6-0.9下缘应力值-1.2012345678下缘应力发生的位置图4-16各跨间的下缘应力的对比（工况三）第一跨1.0第二跨第三跨0.5第四跨第五跨/MPa0.0第六跨-0.5-1.0下缘应力值-1.5012345678下缘应力发生的位置图4-17各跨间的下缘应力的对比（工况四）(2)拱桥在不同工况下的下缘应力的对比(如图4-24所示)①由图4-18可得在四种工况下，拱顶处的最大下缘拉应力不超过1MPa，而加固后的主拱圈采用的是C20的混凝土，其设计拉应力为1.1MPa,所以在四-68- 种工况下其下缘应力均满足设计要求。实际施工增加钢筋混凝土底板时，混凝土采用的C40的混凝土，那么由计算结果可知利用C20混凝土就可以满足加固的要求，那么采用C40混凝土对该拱桥进行加固后则会更加安全。②终上所述，在主拱圈拱肋处增加钢筋混凝土板，增大拱上立柱和腹拱的面积这种加固方法提高了播阳大桥的承载力。注：①由于拱桥在各自工况下，在拱脚、2L/8、3L/8、拱顶、3L/8、2L/8、拱脚这七个位置处的数值浮动很小，因此选取在四种工况的第一跨进行对比。②下列众表横向坐标中的1、2、3、4、5、6、7这七个数值分别代表主拱圈的拱脚、2L/8、3L/8、拱顶、3L/8、2L/8、拱脚这七个位置。工况一1.0工况二工况三0.5工况四/MPa0.0-0.5-1.0下缘应力值-1.5012345678下缘应力发生的位置图4-18各工况下第一跨的下缘应力的对比4.6加固前与加固后的对比分析(1)工况一荷载作用下加固前和加固后的下缘应力对比（如图4-19所示）加固前后的工况一的对比，是为了验证该拱桥在平常使用时其承载力能否满足要求。通过在工况一下的主拱圈截面下缘应力的对比可知，加固前在拱顶处的下缘应力为1.08MPa,虽然没有超过规范设计值但很接近规范值，这对于该拱桥在实际使用过程中极有可能造成安全隐患。加固后拱顶处的下缘应力为0.32MPa，其下缘应力得到了明显的降低，明显提高了该拱桥的承载力，减少了在正常使用中的安全隐患。注：①由于拱桥在各自工况下，在拱脚、2L/8、3L/8、拱顶、3L/8、2L/8、拱脚这七个位置处的数值浮动很小，因此选取在四种工况的第一跨进行对比。-69- ②下列众图横向坐标中的1、2、3、4、5、6、7这七个数值分别代表主拱圈的拱脚、2L/8、3L/8、拱顶、3L/8、2L/8、拱脚这七个位置。1.5加固前1.0加固后0.5/MPa0.0-0.5-1.0下缘应力值-1.5-2.0012345678下缘应力发生位置图4-19加固前后下缘应力对比(工况一)(2)工况二、工况三、工况四荷载作用下加固前和加固后的下缘应力对比（如图4-20~4-22）工况二、工况三、工况四是为了验证该拱桥在运输风力发电机等重要设备中，其承载力能否满足需求而制定的荷载组合。通过加固前与加固后的的主拱圈截面的下缘应力的对比可知，该加固方案通过的增加该拱桥的整体刚度，使拱桥的横向分配有了明显的改善，从而主拱圈的下缘应力达到了设计要求，保障了大件的运输。加固前2.0加固后1.51.0/MPa0.50.0-0.5下缘应力值-1.0-1.5012345678下缘应力发生位置图4-20加固前后下缘应力对比(工况二)-70- 加固前1.5加固后1.00.50.0/MPa-0.5-1.0-1.5下缘应力-2.0-2.5012345678下缘应力发生位置图4-21加固前后下缘应力对比(工况三)加固前4加固后32/MPa10下缘应力值-1-2012345678下缘应力发生位置图4-22加固前后下缘应力对比(工况四)(3)选取工况三下的内力和应力，如图4-23~4-28所示图4-23轴力图-71- 图4-24最大弯矩图图4-25最小弯矩图图4-26轴应力图-72- 图4-27上缘应力图4-28下缘应力4.7本章小结(1)首先了解了在建立拱桥模型时，常用的假设条件。通过这些假设条件可以大大简化建模的过程。结合工程实例播阳大桥，通过收集的有关该拱桥数据和资料，再结合规范的规定，然后确定建模所需要的参数。通过有限元软件Midas/Civil建立该拱桥的模型。然后经过软件计算，在计算结果中选取该双曲拱桥加的特定截面处的轴力、弯矩、轴向应力、截面上缘应力和下缘应力进行分析，可知在拱桥主拱圈上的3L/8截面和拱顶处截面的下缘拉应力过大，超过规范设计值使得桥梁的承载力不满足要求。(2)结合现场检测和荷载试验的结果，综合考虑大件荷载的运输频率(3年100次)和桥梁现状模拟，所得到的结果是要对播阳大桥进行维修加固。加固设计方-73- 案为：主拱圈拱肋增设钢筋混凝土底板；腹拱圈和立墙增大截面加固。(3)为了方便加固模型的建立，依然采用梁单元进行加固模型的建立，因此对于主拱圈则采用箱型拱截面代替原截面，完成加固。虽然加固方案中采用C40混凝土进行加固，但是为了加固后更加方便对比内力则主拱圈材料依然采用C20混凝土。在加固后的模型建立后，然后经过软件计算，在计算结果中选取该双曲拱桥加的特定截面处的轴力、弯矩、轴向应力、截面上缘应力和下缘应力进行分析，可知在拱桥主拱圈上特定截面处下缘应力值完全满足设计要求，最后通过加固前后的下缘应力值的对比，可知该加固方案确实能提高播阳大桥的承载力，并且达到设计要求。-74- 第五章大件运输条件下的山区道路改造方案设计和挡土墙的验算我国的重载运输行业运输的货物的发展趋势是向着高、重、宽、长四个方向发展，尤其是针对于大件运输而言更加明显，因此以前所修建的道路很大情况下已经不能满足现在大件运输的需求，尤其是山区道路。但由经济方面出发，不可能全部重新修建，因此道路改造则体现出了其重要性。5.1大件运输的特点5.1.1大件运输对象的特殊性对象的特殊性主要体现在两个方面：一方面是货物其外表所表现出来尺寸上的特性性；另一方面就是运输的货物本身的特殊性，即该货物在用途方面上的特殊性。(1)大件运输中货物表现出的在外形方面的特性，就是在尺寸和重量上远超过普通货物，并且这种大件运输中的货物都是一般无法分割，拆卸的。如果为了运输方便自行拆卸极有可能会损坏该货物的本身的作用。如果采用专门的拆卸人员进行拆卸那么一般会给运输带来额外的费用。(2)大件运输中的货物本身的特殊性，主要表现在一般这样的货物都是大型工程机械的重要组成部分。例如水利发电站中的发电机、火力发电站中的发电机、风力发电中的发电机等等，这些都是国家重点工程中的重要组成部分，对于改变民生有着很重要的意义。因此在运输时间上就有着严格的要求，不可延迟时间。5.1.2大件运输的受限条件大件运输属于超限运输，对于道路本身有着很高的要求，对于运输大件的运输车辆有着很高的技术要求。在运输车辆上一般都是特殊车辆进行运输，一-75- 般都是把大件放在全挂式平板车上，然后利用牵引车进行牵引。在道路上对道路本身的宽度，道路上空的障碍物，对于道路的转弯半径都有着明确的要求。而且对于运输车辆的选择，对运输路线的选定都是在运输大件之前完成，在运输途中进行更换会很麻烦，甚至会造成交通堵塞。因此，一定要提前完成对运输车辆和道路的选择。5.1.3大件荷载与普通荷载的区别我国的经济的快速发展带动了民生，为了满足人民对物质文化的需求，国家致力于民生发展。自然而然交通在其中扮演着重要的角色，尤其各种大型的工厂，发电站的建立给人民带来实实在在优惠。为了促进大型工厂的建立，一种新型的运输产业应运而生，即大件运输行业。大件运输可以使大型设备安全完成运输，进而促进我国的民生建设。大件运输车辆与普通车辆有着很大的不同。表5-1列出了5种大件运输车辆和普通运输车辆的参数[43]。5-1大件运输车辆和普通运输车辆参数对比表车辆类型总重/t（最大）轴重/t轴数/个轴距/m长度/m挂车-12012030.0041.2-4-1.26.40大件运输车辆20015.25121.6017.60大件运输车辆23042.90101.5513.95大件运输车辆37624.00101.5013.50大件运输车辆21036.00161.5022.50大件运输车辆43664.0071.5010.50从表5-1中可以看出，大件运输车辆与普通车辆的区别一般体现如下几个明显的地方：(1)首先由重量上而言，大件运输车辆普遍要重于普通车辆，那么对于道路地基承载力的要求更高。(2)其次从车长上可知，大件运输车辆的长度要比普通车辆长出很多，自然对转弯半径提出更高的要求。(3)大件运输车辆的最大轴重和轴的个数普遍偏多。5.2工程实例道路勘探5.2.1工程概况湖南省某风电场工程建设地点在湖南省怀化市通道侗族自治县。该风电场-76- 终期建设规模总装机容量为200MW。2MW风机及附件总重约为118t，机舱长宽高分别为10311×3967×3904mm，运输次数为100次，运输周期为3年。初步拟定运输路线：大件运输车由G65包茂高速靖州出口下，向西经高速连接线进入G209国道通道方向，南行至县溪镇转入X086县道播阳方向，行至播阳镇转入X085县道独坡方向，行至风电场。其中G65包茂高速靖州出口至风电场是主要路段。大件运输车途径路线图如图5-1所示。G209X086X085图5-1运输路线-77- 5.2.2主要设备的技术参数运输的设备的主要技术参数如表(5-2~5-4)。表5-22MW主机主要设备参数表序号设备名称规格（长×宽×高）设备净重/t/mm1机舱10311×3967×390490.02轮毂装配体4697×4167×336821.03随机配件5000×2000×15002.04变频柜2300×600×20002.85塔基控制柜800×600×20000.86变压器900×550×8600.57机舱、轮毂防护罩随主体尺寸0.2注：合计总重为117.3t。表5-32MW50.5米叶片规格参考序号名称规格/m重量/t1风力发电机叶片50.5×3.8×3.610.02随机附件0.6×0.4×0.20.23随机文件A4装订—4雷击卡8×6×1/cm—表5-42MW54米叶片规格参考序号名称规格/m重量/t1风力发电机叶片54×3.93×3.611.52随机附件0.8×0.5×0.30.43随机文件A4装订—4雷击卡8×6×1/cm—5.2.3车辆的要求(1)主机车辆采用重型凹型低板车，6轴凹型平台半挂车，装载机舱平板高度为0.8m，斯太尔牵引头，6*4驱动，牵引功率400~460匹马力。由于机舱自身的特殊构造，与车板接触面相对较少，因此，运输选用的车辆应有足够的动力运输。(2)叶片车辆采用特种抽拉式车辆，双桥，运输车辆车板要求：2MW可拉-78- 长至32~45.5m，叶片牵引车马力至少在350马力以上。(3)叶片山地倒运运输车辆要求5轴或以上的卡车，一辆运输车辆装载一片叶片，用运输工装固定好，然后在叶片尾部装好信号灯。山地倒运车辆车板长度为15~16m，轴距为10~11m，设备在倒运前需要对道路中的电力线缆，及通信电缆进行处理对于横跨道路的线缆给予撤除。特别是转弯处前后的100m的电线电缆。直行路段不需要拆除，但是所有的电线电缆的高度不得低于5m。5.2.4叶片运输方案采用专用的运输车辆及液压举升装置运输方案：风电设备的运输难点主要是解决山地风场长超叶片的运输问题，根据在国内山地风场叶片运输及道路改造积累的工程经验，结合运输道路的实际情况，设计制造出举升—旋转—液压后轮转向运输车辆，可以减少叶片的扫尾面积，同时大大降低了道路的改造工程量，缩短了道路改造的工期，在一定程度上满足转弯半径不足、避让高山峭壁、建筑群、电线杆等障碍物。5.2.5对道路的基本要求(1)针对于2.0MW主机的运输道路场外道路的要求：①路面承载能力不低于120t；②路面平整压实，路面宽度不低于5m；③道路上方限高不小于5m；00④道路坡度不大于8；⑤转弯路面坡度不大于6；⑥最小转弯半径不小于17m；⑦转弯处根据转弯角度情况加宽，最少不低于8m，具体加宽视转弯角度而定。(2)针对于2.0MW主机的运输道路场内道路的要求：①路面宽度不小于5m；0②路面承载力不小于120t；③道路边坡坡度不小于8；④最小转弯半径不小于017m；⑤转弯路面坡度不大于6；⑥转弯处根据转弯角度进行加宽，最少不低于8m，具体加宽视转弯角度而定。注：主机运输的运输车辆为6轴17.5m凹型半挂重型拖板车，全车约长23m。(3)叶片运输特殊车辆的运输时的道路要求：①路面直行道路宽度不小于5.5m，高度不低于5m；②弯道对角长度不低于车辆的转弯半径25m；③对于横跨道路的线缆予以撤除，特别是转弯处前后的100m的电缆，直行道路则不需要撤除，但是电缆电线的高度不小于5m；④道路的S型转弯处的两个方向有不少于40m的直线路段。-79- 5.3工程实例道路改造方案设计5.3.1改造方案本项目为怀化市通道侗族自治县风电机组的设备进场道路，路线部分主要涉及到小半径弯道处的路基加宽和挡墙设计。本项目按照周转站位置的不同，分为三个设计方案。在周转站之前采用大型卡车运输最小转弯半径为35m，在较小的半径处转弯时涉及到悬空的扇叶尾部在转动时是否会受弯道外侧的建筑物、山体等的影响。在周转站之后采用专业运输车辆，最小转弯半径为25m。小半径弯道路基加宽13处。如图5-2~5-5所示。由图5-2~5-5可以清楚地知道小半径弯道处路基加宽的具体位置主要是在拨湘、牌楼、寨兰三个地方。由图上可知各个地方路基加宽的大约外形状况。其中图上的黑线所代表的是路肩式或路堑式挡土墙的位置和外形。拨湘F拨湘E拨湘G拨湘H图5-2道路改造-80- 拨湘I牌楼A寨兰A牌楼B图5-3道路改造寨兰C寨兰B寨兰D寨兰E图5-4道路改造寨兰F图5-5道路改造-81- 5.3.2路基、路面的具体改造设计(1)路基横断面本项目是道路改造工程，对于道路改造首先是路基加宽。由图5-6可知路基加宽中具体的设计。路基加宽中最主要的就是新旧路基的搭接，由图5-6可知本项目中新旧路基的搭接主要是采用波纤土工格栅进行搭接，使得新旧路基的整体性得到有效的提高，提高了行车的安全性。波纤土工格栅水泥混凝土泥结碎石水泥稳定碎石水泥稳定天然砂砾天然砂砾天然砂砾图5-6新旧路基搭接处理(2)路基边坡设计在图5-7和5-8所示的图中给出了填方段和挖方段路基横断面的具体设计。①填方段（如图5-7所示）新旧路基搭接旧路面新建路面1.5%1.5%1.5%1:1.5旧路基新路基原路面20cm泥结碎石旧路中心线18cm水泥稳定天然砂砾15cm天然砂砾图5-7该工程填方段路基横断面设计②挖方段(如图5-8所示)-82- 原路面新旧路基搭接旧路面新建路面1:11.5%1.5%1.5%1:1旧路基新路基土质边沟旧路中心线20cm泥结碎石18cm水泥稳定天然砂砾15cm天然砂砾图5-8该工程挖方段路基横断面设计(3)新建路面新建路面结构：面层：20cm泥结碎石。基层：18cm水泥稳定天然砂砾。垫层：15cm天然砂砾。路面结构层总厚度为53cm。1.5%1:1.520cm泥结碎石18cm水泥稳定天然砂砾15cm天然砂砾图5-9该工程新建路面结构设计5.4挡土墙的验算一般的边坡并不需要挡土墙的设置，但本项目中是在山区中进行，存在大量的陡坡，在进行路基扩建后必须要进行挡土墙的设置，以增强道路通行的安全性，而挡土墙的稳定性对道路的安全性很重要。本项目中主要设置了10米和8米两种仰斜式路肩挡土墙，本论文中将采用手算的方式对两种挡土墙进行稳定性的验算。5.4.1仰斜式挡土墙稳定性的计算挡土墙的稳定性的计算主要包括四部分，分别是抗滑动稳定性验算、抗倾-83- 覆稳定性验算、挡土墙墙底应力的验算和挡土墙墙身应力的验算。只要前两部分满足要求则可以说该挡土墙的设计是合理的[44-45]。(1)仰斜式挡土墙土压力计算在挡土墙的土压力中主要包括挡土墙后的土压力、挡土墙的土压力和由车辆荷载引起的土压力。一般在计算中把挡土墙前的土压力和由车辆荷载引起的土压力都当做主动土压力进行计算。在进行挡土墙的主动土压力计算时，一般采用库伦理论进行计算。又因为本文中挡土墙后的填土为无粘性土，所以主动土压力计算时可以采用公式：12Ea=γHK(5-1)a2式中，γ——填土的容重；K——库伦主动土压力系数；aH——填土高度。库伦主动土压力系数在计算中是非常重要的，其计算公式为：2()cos−αK=(5-2)a22()sin()()δ+×sin−βcosα×cosδ+α1+cos()()δ+α×cosα−β式中，ϕ——填土的内摩擦角；α——墙背与竖直线间的夹角；β——填土与水平面间的夹角；δ——墙背与填土间的摩擦角。其中由车辆荷载引起的主动土压力的计算公式为：Ea=h×q(5-3)00式中，h——车辆荷载引起的主动土压力的换算高度；0q——车辆荷载引起的土压力强度。0其中车辆荷载引起的土压力强度的计算公式为：q=γ×h×K(5-4)00a-84- 式中，γ——填土的容重；h——车辆荷载引起的主动土压力的换算高度；0K——库伦主动土压力系数。a车辆荷载引起的主动土压力的换算高度的计算公式为：qh=(5-5)0γ式中，γ——填土的容重；q——车辆荷载的代荷载值，一般由规范查得。0(2)挡土墙的重力计算挡土墙的重力计算公式很简单，具体计算公式为：G=γ×S(5-6)式中，γ——挡土墙本身的容重；S——挡土墙的面积。(3)挡土墙抗滑动稳定性计算抗滑动稳定性计算是挡土墙稳定性验算的重要组成部分，其计算公式为：μ×VKs=≥1.3(5-7)H式中，V——总竖直力(kN)；H——总水平力(kN)；μ——基底摩察系数，本计算中取0.5；K——抗滑动稳定安全系数，如果大于等于1.3则代表满足抗滑动稳定s性。(4)挡土墙抗倾覆稳定性计算抗滑动稳定性计算是挡土墙稳定性验算的重要组成部分，抗倾覆稳定性计算的公式为：-85- MbK=≥1.5(5-8)t,Mb式中，Mb——抗倾覆力矩之和。就是对o点的稳定力矩的代数之和(kN·m)；,Mb——倾覆力矩之和。就是对o点的倾覆力矩之和(kN·m)；K——抗倾覆稳定安全系数，当大于1.5时，则代表挡土墙满足抗倾覆t的要求。(5)挡土墙墙底应力的计算墙体应力计算公式为：V6×eP=1±(5-9)maxminBB式中，V——代表总的竖直力(kN)；B——代表基底宽度(m)；e——所有力对基地中心的偏心距(m)。要求这个偏心距要小于B/6。其中对基地中心产生的偏心距的计算公式为：,BMb−MbBe=−<(5-10)2V6式中，Mb——抗倾覆力矩之和。就是对o点的稳定力矩的代数之和(kN·m)；,Mb——倾覆力矩之和。就是对o点的倾覆力矩之和(kN·m)；V——代表总的竖直力(kN)。(6)挡土墙墙身应力计算本文中的挡土墙为偏心受压的构件，则墙身应力的计算公式为：法向应力公式：V,,6×eσ=×1±<[]σ(5-11)max,,minBB剪切应力公式：-86- ,,H−μ0V[]τ=<τ(5-12),B式中，[]σ——墙体的允许设计强度(kPa)；[]τ——墙体的允许抗剪设计强度(kPa)；,V——n−n截面竖直力之和(kN)；,H——n−n截面上的水平力代数和；,B——n−n截面基底宽度(m)；,e——n−n截面以上的所有荷载对截面处中心的偏心距(m)；μ——墙体摩察系数，本文中砌石与砌石间摩察系数取0.65。0其中n−n截面以上的所有荷载对截面处中心的偏心距的计算公式为：B,M,,Be=−≤(5-13),2V4式中，,B——n−n截面基底宽度(m)；,V——n−n截面竖直力之和(kN)；,M——对n−n截面上边缘点的力矩代数和。5.4.2高度为10m的仰斜式路肩挡土墙的验算-87- B1αn1:NnDL1:N1HH1DHO点N2:1B图5-1010m仰斜式路肩挡土墙(1)挡土墙的基本资料①墙高H=10m墙顶宽B=1.1m基底宽B=2.72m墙址宽D=0.65m1L墙背坡坡率N=0.15基底坡率N=0.2墙面坡率N=0.25埋深H=1.5m。121②墙体采用7.5号砂浆砌30号片石。砌石γ=22kN/m3，砌石允许压应力[]0σ0=800kPa，允许剪应力[]τ=160kPa。030③墙后填土为碎石土。其容重γ=18kN/m，内摩擦角ϕ=35。1④墙后填土水平则β=00，其上的汽车荷载由于是对大件荷载进行挡土墙的验算其稳定性，则其汽车代荷载q=10kN/m2。⑤地基土为砾石类土，其承载能力特征值f=750kPa。k⑥墙背与竖直线的夹角α=8.530。⑦取外摩擦角δ=8.530。⑧墙底与岩土的摩察系数μ=0.6。(2)主动土压力的计算这里主动土压力的计算主要包括三部分，分别是挡土墙后的主动土压力、车辆荷载产生的主动土压力和挡土墙前的主动土压力（认为挡土墙前也产生主动土压力）。根据前文列举的该挡土墙的基本资料，根据公式(5-2)可得K=0.1357，同时a由公式(5-5)得到h=0.56m。由公式(5-4)可得q=1.36kN/m2。00-88- 那么由公式(5-1)和(5-3)可得由车辆荷载引起的主动土压力Ea=14.33kN，1同时可得I=4.728m。由填土引起的土压力（并且认为是水平的）Ea=135.78kN，12同时可得I=2.97m。墙前土压力（按主动土压力计算）Ea=5.1kN，同时可得I233=0.137m。(3)墙体重量计算首先将墙体分为四部分进行重力计算，四部分的重力分别是G,G,G,G。1234已知墙体的容重γ=22kN/m3。由公式(5-6)可得G=217.8kN，同时可得则其对墙01址o点的力臂为e1=2.845m。G2=96.03kN，e2=1.3m。G3=59.84kN，e3=1.36m。G=16.28kN，e=1.813m44(4)挡土墙抗滑动稳定性的计算在抗滑动稳定性的计算中，依靠公式(5-7)和前文已得到的数值可得Ks=1.34456>1.3，则可知抗滑动稳定性满足要求。(5)挡土墙抗倾覆稳定性的计算首先经过计算可得抗倾覆力矩之和Mb=856.07674kN·m，同时也可以得,到倾覆力矩之和Mb=471kN·m。则有公式(5-8)可得Kt=1.82>1.5，则可知挡土墙抗倾覆稳定性满足要求。综上所述，当挡土墙的抗滑动和抗倾覆计算都能满足要求时，就代表该挡土墙的设计是合理的。但是为了更加全面的验证挡土墙的稳定性，则对挡土墙的墙底应力和墙身应力进行验算。(6)基底应力计算总的竖直力为V=389.95kN且可知B=2.72m、e=0.3725<2.72/6=0.453m。则把上述数值带入公式(5-9)可得P=261.165<750kPa，P=25.563>0kPa，则maxmin可知基底应力满足要求。(7)墙身应力的计算（以n−n为截面）-89- B1α1:NH’1:N1nnB’图5-11n—n截面,,其中，B=1.95mH=8.5m通过前文公式的计算可得：,,①汽车荷载在截面上引起的主动土压力Ea=11.56kN，I=4.25m。11,,②由填土在截面引起的主动土压力Ea=88.24kN，I=8.5/3=2.83m。22,,③自重G=205.7kN，e=2.0375m。11,,④自重G=79.475kN，e=0.567m。22,⑤把前文中的相关数值带入可得对o点的偏心距e=0.58m。同理通过计算N,可得对底边中心的偏心距e=0.395<1.95/4=0.4875m。那么通过计算公式(5-11)可得该截面上的最大法向应力σ=323.9858<800maxkPa，最小法向应力σ=31.4986>0kPa。min同理通过计算公式(5-12)可得该截面上的剪切应力τ=-43.88kN/m2，剪应力虽然为负值但不超限同时也说明水平力较小，所以不可能在该截面上发生剪切。那么可得墙身应力验算满足要求。综上所述，该10米挡土墙的稳定性满足要求。-90- 5.4.3高度为8m的仰斜式路肩挡土墙的验算B1αn1:NnDL1:N1HH1DHO点N2:1B5-128m仰斜式路肩挡土墙(1)挡土墙的基本资料①墙高H=8m墙顶宽B=1m基底宽B=2.23m墙址宽D=0.5m墙背1L坡坡率N=0.15基底坡率N=0.2墙面坡率N=0.25埋深H=1.5m。121②墙体采用7.5号砂浆砌30号片石。砌石γ=22kN/m3，砌石允许压应力[]0σ0=800kPa，允许剪应力[]τ=160kPa。0③墙后填土为碎石土。其容重γ=18kN/m3，内摩擦角ϕ=350。1④墙后填土水平则β=00，其上的汽车荷载由于是对大件荷载进行挡土墙的验算其稳定性，则其汽车代荷载q=10kN/m2。⑤地基土为砾石类土，其承载能力特征值f=750kPa。k⑥墙背与竖直线的夹角α=8.530。⑦取外摩擦角δ=8.530。⑧墙底与岩土的摩察系数μ=0.6。(2)主动土压力的计算这里主动土压力的计算主要包括三部分，分别是挡土墙后的主动土压力、车辆荷载产生的主动土压力和挡土墙前的主动土压力（认为挡土墙前也产生主动土压力）。根据前文列举的该挡土墙的基本资料，根据公式(5-2)可得K=0.1357，同时a-91- 由公式(5-5)得到h=0.56m。由公式(5-4)可得q=1.36kN/m2。00那么由公式(5-1)和(5-3)可得由车辆荷载引起的主动土压力Ea=11.486561kN，同时可得I=3.777m。由填土引起的土压力（并且认为是水平的）Ea=87.1212kN，同时可得I=2.37m。墙前土压力（按主动土压力计算）Ea=4.625kN，同23时可得I=0.2m。3(3)墙体重量计算首先将墙体分为四部分进行重力计算，四部分的重力分别是G,G,G,G。1234已知墙体的容重γ=22kN/m3。由公式(5-6)可得G=158.4kN，同时可得则其对墙01址o点的力臂为e1=2.27m。G2=57.816kN，e2=0.9867m。G3=39.248kN，e3=1.115m。G=10.94kN，e=1.4867m44(4)挡土墙抗滑动稳定性的计算在抗滑动稳定性的计算中，依靠公式(5-7)和前文已得到的数值可得Ks=1.417>1.3，则可知抗滑动稳定性满足要求。(5)挡土墙抗倾覆稳定性的计算首先经过计算可得抗倾覆力矩之和Mb=477.566kN·m，同时也可以得到,倾覆力矩之和Mb=249.859kN·m。则有公式(5-8)可得Kt=1.9>1.5，则可知挡土墙抗倾覆稳定性满足要求。综上所述，当挡土墙的抗滑动和抗倾覆计算都能满足要求时，就代表该挡土墙的设计是合理的。但是为了更加全面的验证挡土墙的稳定性，则对挡土墙的墙底应力和墙身应力进行验算。(6)基底应力计算通过计算可得，总的竖直力V=266.404kN、B=2.23m、e=0.26<2.23/6=0.37m。则把上述数值带入公式(5-9)可得P=203.03<750kPa，P=35.893>0kPamaxmin则可知基底应力满足要求。(7)墙身应力的计算（以n−n为截面）-92- B1α1:NH’1:N1nnB’图5-13n—n截面,,其中，B=1.6mH=6.5m。通过前文公式的计算可得：,,①汽车荷载在截面上引起的主动土压力Ea=8.84kN，I=3.25m。11,,②由填土在截面引起的主动土压力Ea=51.6kN，I=2.167m。22,,③自重G=143kN，e=1.5875m。11,,④自重G=42.9kN，e=0.4m。22,⑤把前文中的相关数值带入可得对o点的偏心距e=0.5574m。同理通过计N,算可得对底边中心的偏心距e=0.2426<1.95/4=0.4m。那么通过计算公式(5-11)可得该截面上的最大法向应力σ=221.889<800maxkPa，最小法向应力σ=10.4859>0kPa。min同理通过计算公式(5-12)可得该截面上的剪切应力τ=-37.7469kN/m2，剪应力虽然为负值但不超限同时也说明水平力较小，所以不可能在该截面上发生剪切。那么可得墙身应力验算满足要求。综上所述，该8米挡土墙的稳定性满足要求。5.5本章小结(1)本章首先通过对大件运输时进行了了解，得到大件运输对象的特殊性主要体现在两个方面：一方面是货物其外表所表现出来的高、重、宽、长的特性-93- 性；另一方面是货物本身的特殊性，即该货物本身用途的特殊性。同时还知道大件运输的前期准备工作尤其重要，对于大件运输的安全运达起到很重要的作用。(2)结合本工程实例，进行了道路勘察，对于叶片的运输提出最有利的方案，对运输道路提出了具体的要求。(3)根据道路勘察结果，制定了具体的道路改造方案，其中对新旧路基的衔接做出了详细的设计，确保新旧路基的安全衔接。并且对路基支挡提出了具体的设计方案。(4)根据具体的设计图纸，针对分别是8米、10米的仰斜式路肩挡土墙进行挡土墙的手动验算，通过验算可得两种挡土墙都满足设计要求，能保证安全通行。-94- 第六章结论与展望6.1结论本文是以湖南省某风电场运输工程为实例背景，在该运输工程中涉及到对双曲拱桥的加固和山区普通道路时的改造。在本论文是通过大量阅读文献再结合本工程实例，通过理论和实际相结合得方法分析可得以下结论：(1)首先对播阳大桥进行现场检测并对播阳大桥进行技术状况的评分，通过技术状况评分可得，播阳大桥为3类桥。(2)在对播阳大桥的结构验算中，通过建立模型和承载能力极限状态下的公式对播阳大桥进行承载能力的评定，最后得出在承载能力极限状态下，播阳大桥的极限承载力能满足大件运输车辆通行的要求。但通过安全储备的计算可得结果为1.02可知，虽然播阳大桥的极限承载能力满足大件运输车辆的通行要求，但安全储备低。考虑到实际中的各种因素的影响，因此建议对播阳大桥进行静载试验。(3)在对播阳大桥进行静力荷载试验中，可知该拱桥的第五跨为最易发生安全隐患的一跨，因此测量数据主要是针对第五跨进行。在对第五跨数据测量和处理中可得在第5跨拱顶截面最大正弯矩试验荷载对称作用下，第5孔3#拱肋各测试断面测点挠度校验系数在0.82~1.07之间，部分测点已大于1.0；在拱脚截面最大负弯矩试验荷载对称作用下，第5孔3#拱肋各测试断面测点挠度校验系数为1.35、1.38，均大于1.0。在第5孔拱顶截面最大正弯矩试验荷载对称作用下，第5孔跨中测试断面1-5#拱肋测点挠度校验系数在0.93~1.00之间，均小于1.0，但校验系数较大，已无安全储备；在拱脚截面最大负弯矩试验荷载对称作用下，第5孔跨中测试断面1-5#拱肋测点挠度校验系数1.30~1.67之间，均大于1.0。表明结构在试验荷载下，测试断面刚度已不能满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TJ21-2011)的要求。通过播阳大桥的静力荷载试验的结果可得该拱桥承载力已经不能满足要求，需要对该拱桥进行加固。(4)在利用有限元软件Midas/Civil建立该拱桥的模型进行内力分析时，得到在工况四荷载组合下的主拱圈的拱顶和3L/8处的下缘应力远远大于规范设计要-95- 求，然后结合静力荷载试验结果制定加固方案。该加固方案就是在主拱圈拱肋处增加钢筋混凝土板并且增厚腹拱和立墙。利用Midas/Civil对加固后的模型进行内力分析可得加固后的模型的下缘应力达到了规范的要求。(5)通过加固前后模型中内力的对比，可知在拱肋处增设钢筋混凝土板的加固方案针对于本拱桥是可行的。该加固方案提高了拱桥的承载了，降低了主拱圈的下缘应力。6.2展望本论文虽然对运输过程中需要经过的播阳大桥进行了详细的检测和承载力的评定，并且还制定加固方。通过加固前后模型的计算结果中的下缘应力的对比，验证了该加固方案的可行性。对于该运输工程中的道路制定了改造方案，并且对改造方案中挡土墙的稳定性进行了手动验算。但是在研究的过程中仍有一些内容有必要进行研究：(1)在验证播阳大桥的加固方案的可行性中，本论文主要通过下缘应力值的变换进行验证，还可以从挠度入手进行验证。(2)本论文中只是用建模计算的方式验证了播阳大桥加固方案的可行性，但没有在播阳大桥实际加固后的进行荷载试验，进而验证该加固方案的可行性。-96- 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致谢论文从选题、工程素材、计算机模拟、模型建立、计算推导到论文的撰写成文，都是在导师冯卫星教授的悉心指导下完成的。导师冯卫星教授在本硕士学位论文的成稿过程中倾注了大量的心血，并在工作、学习、生活多方面对我关怀备至，令我永难忘怀；他渊博的知识、严谨治学的作风、孜孜不倦的求索精神是我今后的榜样。在此谨向冯卫星教授及其家人表示崇高的敬意和衷心的感谢。同时，我要向师兄李亚利和石家庄铁道大学的所有桥梁与隧道系老师等表示我诚挚的谢意，感谢他们对本论文的大力支持和帮助。最后，感谢我的同门曲晓东、周世松等同学在学习和工作中对我的大力支持。-99- 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文个人简历厉天培，男，1990年8月出生。2014年6月毕业于石家庄铁道大学四方学院，获工学学士学位。2015年考入石家庄铁道大学桥梁与隧道工程专业攻读硕士学位。-100-'