閆丹丹

摘要：目前常規(guī)化石能源日漸短缺，而在總能耗中，民用采暖耗能比例逐年增長。文章介紹了幾種常用的地熱供熱系統(tǒng)，建立了地熱供熱熱價核算的數(shù)學模型，對幾種地熱供熱形式進行了經(jīng)濟性分析，并對地熱供熱系統(tǒng)的選擇提出了有效建議。

關(guān)鍵詞：地熱供熱系統(tǒng)；熱泵；熱價；經(jīng)濟性分析；采暖耗能 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM617 文章編號：1009-2374（2016）15-0083-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.15.039

空腹式石拱橋是一種古老的橋型，在我國橋梁建設(shè)歷程中具有悠久的歷史，石拱橋是用天然石料作為主要建筑材料的拱橋，借著類似梯形石塊的小單位，將橋身重量和其上的載重軸向傳遞到兩端的橋墩。其利用塊石互相推擠，充分發(fā)揮了天然石材自身的強度，增加橋體本身強度。同時與梁式橋相比，石拱橋具有造型優(yōu)美、跨越能力較大、取材方便、造價和養(yǎng)護費用低、承載潛力大、使用壽命長等諸多優(yōu)點，然而隨著大噸位汽車保有量的劇增，對公路安全、快速、重載行駛的要求越來越高。由于交通運輸?shù)陌l(fā)展速度比荷載標準更新的速度快，橋梁超負荷現(xiàn)象普遍存在，致使原修建橋梁發(fā)生了不同程度的損傷。

1 依托工程概況

依托工程建成于1996年，原橋的設(shè)計標準為汽車-20級，掛車-100級，單幅雙向兩車道，全橋長185m，橋面全寬9.50m，橫斷面布置見圖1。橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)主跨為1～80m空腹式石拱橋，拱上建筑采用空腹式拱式結(jié)構(gòu)，主拱圈形式為懸鏈線，矢跨比1/6，拱軸系數(shù)m=2.814，主拱圈全寬9m；腹拱為跨徑5m的石拱，拱厚0.35m，腹拱柱采用圬工砌體，寬度為1m。引橋采用3.8m和5m兩種跨徑板拱，板拱柱采用石砌實體立柱，寬度分別為1m和1.5m。長治方向上跨東長線，邊跨采用1～13m簡支空心板梁。橋型布置如圖2。

由于該橋位于某國道重要運煤通道上，為重型拉煤車輛運行較為密集的通道，特別是2008年以后，平均日交通量也隨之劇增，由原來的3500輛增加至7500輛，主要病害情況如下：左右兩側(cè)腹拱（三鉸拱）變形過大，主拱拱板底面滲水泛白痕跡較多，橋面出現(xiàn)車轍、坑槽等病害。

2 空腹式拱橋主要加固方法

目前廣泛采用的鋼管混凝土拱橋的加固方法主要有三種：提高拱圈強度法、增大截面法和壓漿加固法。

2.1 提高拱圈強度法

提高拱圈強度法是指在不增加恒載的情況下，提高主拱圈的抗拉能力以緩解裂縫擴展。提高拱圈強度法是指采用粘貼高強度材料增大主拱圈的強度，如碳纖維布、鋼板等，減小主拱圈在汽車荷載作用下的拉應力，從而提高主拱圈的承載能力。這種方法不影響凈空、不中斷交通，適用于交通繁忙及橋下凈空不宜減小的情況。

2.2 增大截面法

增大截面法是指在石拱橋主拱圈的拱腹或拱背上澆筑或錨噴一層砼，提高拱圈截面面積，從而恢復或提高結(jié)構(gòu)的承載能力。在拱圈受壓區(qū)的現(xiàn)澆混凝土層，增加了截面的有效高度，增大了構(gòu)件的抗剪、抗彎承載能力，提高了構(gòu)件的剛度。

2.3 壓漿加固法

壓漿加固法是指通過注漿的方法修復主拱圈上的裂縫，提高主拱圈的整體性、剛度和承載能力。壓漿加固技術(shù)同時可以恢復并提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性與耐久性。此法特別適用于砌筑塊石砂漿不飽滿、強度低的主拱圈。

2.4 其他加固方法

除以上方法外還有一些加固方法較少采用，如體外預應力法、改變結(jié)構(gòu)體系法等。這些方法尚未經(jīng)大量工程實踐證明，但針對某些特定病害具有較好的加固效果，有待于進一步的研究拓展。

3 依托工程加固改造措施

3.1 立墻增大截面加固

對主橋兩側(cè)三鉸拱的立墻采用增大截面法加固，整體外包50cm厚鋼筋混凝土，以增大其抗推剛度。

3.2 三鉸拱改建為兩鉸拱

拆除主橋南北兩側(cè)三鉸腹拱及拱上建筑（含拱上填料、腹拱側(cè)墻、護欄、橋面鋪裝等），預制兩鉸拱形式的新腹拱圈，并在兩側(cè)立柱預留弧形槽，在腹拱拱腳位置設(shè)置油毛氈與立柱弧形槽連接，腹拱圈厚度由原來的40cm增厚至50cm，一孔腹拱共設(shè)3道肋板，可有效提高兩鉸拱拱頂抗彎承載力。

3.3 更換腹拱拱上結(jié)構(gòu)重做橋面鋪裝

新建兩鉸拱后，重做鋼筋混凝土側(cè)墻并回填整壓粉煤灰加氣混凝土填料，在混凝土調(diào)平層上新建20cm厚鋼筋混凝土整體化鋪裝層，使得與原橋面標高保持一致，然后全橋橋面加鋪微表處罩面。

4 有限元模擬分析

4.1 模型及基本參數(shù)

依據(jù)加固設(shè)計圖紙，采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/CIVIL（V8.2.1）進行空間分析計算，全橋共405個節(jié)點、326個單元，主拱圈、腹拱及拱上立柱均采用梁單元進行模擬，考慮拱上填料的自重，采用均布荷載計入模型進行模擬，橋面系、護欄等二期恒載計入計算模型。計算模型見圖3所示：

圖3 有限元模型圖

4.1.1 恒載。主拱圈、腹拱及拱上立柱根據(jù)設(shè)計截面計算自重（素混凝土容重按25kN/m3計入，鋼筋混凝土容重按26kN/m3計），計算模型中各部位的構(gòu)件按實際尺寸模擬。二期恒載包括護欄及橋面鋪裝等，按均布荷載考慮作用在主拱圈上。

4.1.2 活載。設(shè)計荷載：汽車-20級，掛車-100級。

4.1.3 基礎(chǔ)不均勻沉降。主拱為空腹式石拱橋，腹拱為三鉸拱改兩鉸拱，拱縱向為外部超靜定體系，橋墩整體的沉降不均會導致結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，故本橋考慮支座不均勻沉降的影響。

4.1.4 溫度荷載。結(jié)構(gòu)整體升降溫取±20℃。

4.2 加固過程仿真分析

橋梁的加固施工主要步驟包括兩鉸拱代替三鉸拱、立墻增大截面加固、恢復拱上建筑、重做橋面鋪裝等，橋梁加固仿真分析過程見表1：

5 加固效果評估

5.1 三鉸拱改建兩鉸拱過程

由圖2可知，南北兩側(cè)三鉸拱拆除后主拱圈拱頂豎向位移變化較小（下?lián)?.16mm），主拱圈近拱腳處（南北立柱柱底）位移變化0.52mm（上拱）左右，拆除前后荷載變化對主拱圈影響較小。

5.2 溫度荷載作用

考慮兩側(cè)腹拱由三鉸拱改建為兩鉸拱以及兩側(cè)立墻外包50cm厚鋼筋混凝土后，加固前后溫度荷載作用下腹拱拱圈位移計算值如表3所示。

由表3可知，腹拱拱腳產(chǎn)生的相對水平位移為0.54mm（向主拱跨中方向）+0.12mm（遠離主拱跨中方向），拱頂豎向下?lián)?.05mm；北側(cè)腹拱腳產(chǎn)生的相對水平位移為3.66mm（向主拱跨中方向）+0.05mm（遠離主拱跨中方向），拱頂豎向下?lián)?.56mm。較加固前腹拱在溫度荷載作用下的位移值，加固后的兩鉸拱在溫度作用下的位移值明顯減小，并且由三鉸腹拱改建為兩鉸腹拱避免了腹拱拱頂不均勻沉降的發(fā)生。

5.3 車輛荷載作用

由圖4和表5可知，加固后的腹拱兩拱腳的水平位移和拱頂?shù)呢Q向位移量值均減小，說明加固后拱兩鉸拱的受力得到改善，較原三鉸拱剛度增大，在車輛荷載作用下的通行能力也得到改善。

6 結(jié)語

本文對重載地區(qū)空腹式石拱橋的典型病害進行了描述，并針對病害情況對幾種常用加固方法進行了介紹，通過建立有限元模型，對加固施工的全過程進行模擬分析，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)加固后橋梁在自重及溫度荷載作用下的受力情況得到改善，立墻的抗推剛度有較大改善，同時在車輛荷載作用下病害較為嚴重的腹拱位移較小，即通行能力得到提高。

參考文獻

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作者簡介：韓雙（1989-），女，遼寧燈塔人，供職于中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，研究方向：施工技術(shù)。

（責任編輯：王 波）