天津津汉立交新老桥拼宽设计探讨
2015-12-05李木松
□文/李木松
天津津汉立交新老桥拼宽设计探讨
□文/李木松
结合天津津汉立交老外环桥的拼宽设计，就新老桥梁拼接后，新老桥相互影响的主要因素、受力机理和特性进行分析，找出主要影响因素及其影响规律，提出降低相互影响的措施。
桥梁；拼桥；设计；收缩徐变；沉降
1 工程概况
天津市快速路系统二期项目外环线东北部调线工程一标段交叉工程（外环线—津汉快速路组合式立交），位于津汉公路和外环线交口处，毗邻京津塘高速出口和滨海机场，是天津市区重要交通出入口之一。该立交为全互通半定向半苜蓿叶式立交，整个立交共3层，道路面积30.5万m2，桥梁面积16.9万m2，由纵横2个主线桥和14个匝道桥组成，是外环线东北部调线工程中最大的立交工程。
主线之一外环线分为1号桥及2号桥两段，1号桥梁范围全长326.6 m，其南向北方向采用既有津汉跨线桥(简称老桥)西侧半幅拼宽形成（1号桥右幅），北向南车方向采用新建桥梁(1号桥左幅)；2号桥桥梁全长600 m，采用新建桥梁结构。均采用现浇等截面预应力(普钢)混凝土连续箱梁结构。拼宽后断面见图1。
图1 新老桥拼宽后断面
集散车道（S匝道）桥梁全长175.612 m，采用老桥东侧半幅拼宽形成，采用现浇预应力混凝土连续箱梁结构。拼宽前后断面见图2。
图2 新老桥拼宽后断面
2 老桥概况
该桥始建于1993年，桥梁全长326.6 m，总宽度13.25m+6.0m(中空带)+13.25m，见图3和表1。
图3 老桥断面
表1 老桥基本情况
3 拼宽方案
3.1拼宽桥结构形式选择
该拼宽桥需要满足一下几点要求：
1）拼宽后桥下净空不能低于原桥下净空等级要求；
2）新建桥墩应与老桥桥墩对齐；
3）新建拼宽桥的设计荷载应与老桥一致；
4）桥面应为一个整体（不能使用纵向伸缩缝），保证行车的平顺性和桥梁使用耐久性(拼宽部位不能开裂)。
根据管理部门的要求，同时考虑新老桥受力、变形尽可能协调，以最大限度降低新老桥的相互影响，因此拼宽桥结构形式、伸缩缝位置、梁高等与老桥一致、桥墩与老桥对齐布置，其断面形式见图4，下部结构采用花瓶墩，布置双支座以保证其稳定性。
图4 拼宽桥断面
3.2拼接构造形式选择
常用的新老桥梁连接形式有上连下不连、上下分离、上下均连接。根据管理部门要求，同时最大限度降低新老桥梁的相互影响，本工程采用上连下不连的拼接方式。
根据拼接强弱，上部结构拼接方式可分铰接、半刚接、刚接等多种方式，各方式优缺点见表2。
表2 上部结构连接对比
根据满足管理部门要求和验算，本工程采用半刚性连接的方式进行拼宽。拼接构造见图5和图6。
图5 连接构造
图6 连接构造配筋
4 新老桥相互影响
4.1新老桥相互影响计算原理
新桥与老桥结构连接后，新桥通过连接后的翼缘传递相互影响。这种影响可以通过计算出翼缘的抗剪刚度并与老桥或新桥的纵向刚度串联，然后用计算出的串联刚度在老桥和新桥验算时，增加弹性支撑，从而达到新老桥相互影响的传递。
翼缘相对于箱梁而言，刚度很小，可以把这种影响简化为以翼缘平均厚度为高，一延米为宽，两端固结，跨径为2.19m的梁，计算其抗剪刚度见图7。
图7 新老桥翼缘拼接后的刚度计算
4.2新桥对老桥的影响
新桥与老桥结构连接后，新桥对老桥的影响主要有新桥的收缩徐变（普通钢筋混凝土结构可不考虑）和新桥的沉降。本次计算主要考虑预应力结构即第2联进行计算。
4.2.1新桥收缩徐变对老桥的影响
新桥收缩徐变按10年，老桥按已结束收缩徐变考虑。新桥收缩徐变对老桥产生的力见图8，主要是对老桥产生支撑作用（竖直向上），最大支撑力115 kN，发生在L/4跨径处。
图8 新桥收缩徐变产生的对老桥的力
4.2.2新桥沉降对老桥的影响
老桥按已稳定(不再沉降)，新桥按沉降5 mm考虑，新桥对老桥产生的力见图9，可以看出桥墩附件L/3范围，新桥对老桥产生竖直向下的力（2～450 kN），跨中L/3范围，新桥对老桥起到支撑作用（竖直向上的力1～40 kN）；这是由于桥墩附件新老桥沉降差大（桥墩处新桥最大沉降为5 mm，老桥不沉降），越靠近跨中，老桥挠度越大，新桥挠度越小，导致新老桥沉降差越小，以致老桥跨中L/3范围内的挠度大于新桥的挠度。
图9 新桥沉降产生的对老桥的力
综上，永久荷载(新桥沉降和收缩徐变）产生的新桥对老桥的综合影响见图10，可以看出桥墩L/4范围，新桥对老桥产生竖直向下的力（2～440 kN），跨中L/2范围，新桥对老桥起到支撑作用（1～75kN）。
图10 新桥沉降和收缩徐变产生的对老桥的合力
4.2.3新桥对老桥的支撑作用
老桥活载最不利工况下，新桥对老桥产生的支撑力有2种工况。
工况1新桥对老桥产生最大的支撑力。拼接后老桥满布3车道汽车荷载，新桥上无汽车荷载时，新桥对老桥的支撑力见图11（3～30kN）。
图11 满布3车道产生的对老桥的支撑力
工况2（新桥对老桥产生最小的支撑力）拼接后老桥和新桥满布4车道汽车荷载，即老桥布3车道和新桥1车道时，新桥对老桥的支撑力见图12（0～7kN）。
图12 满布4车道产生的对老桥的合力
综上，针对汽车荷载新桥对老桥起支撑的作用，这是由于一方面桥梁加宽，车道数增加汽车荷载横向折减；另一方面，桥梁加宽增大了桥梁的截面特性。
4.3老桥对新桥的影响
新桥与老桥结构连接后，老桥对新桥的影响主要有新桥的收缩徐变及其沉降受老桥的约束和老桥活载对新桥的影响。
4.3.1新桥收缩徐变受老桥约束的影响
新桥收缩徐变受老桥约束作用使新桥产生次内力，其与新桥对老桥的影响是作用力与反作用力关系，方向与图8方向相反。
4.3.2新桥沉降受老桥约束的影响
新桥沉降受老桥约束作用使新桥产生对老桥的影响是作用力与反作用力关系，方向与图9方向相反。
4.3.3老桥活载对新桥的影响
老桥在活载作用下，受新桥的约束，因此会分担一部分老桥活载，亦即新桥设计时需要附加一部分老桥活载的作用。
5 解决措施
根据以上分析，新老桥拼宽后，新桥沉降对老桥的影响是最主要也是最大的因素且是不利影响，因此本工程提出以下措施来最大限度降低新桥对老桥的影响：
1）增加新桥的桩基长度；
2）在新桥桩基桩尖进行后注浆；
3）新桥成桥后，先稳定3月，降低沉降，有条件的话进行预压；
4）新桥与老桥梁高、跨径一致，尽量保持刚度一致、协调变形。
6 结语
本文通过对津汉立交新老桥拼宽设计计算以及受力原理和特性的分析可以得出以下主要结论：
1）新桥收缩徐变对老桥起有利的支撑作用；
2）新桥对老桥的加固和折减老桥汽车活载的作用；
3）新桥沉降对老桥起不利附加作用。
□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.031
□U445.6
□TU591
□C
□1008-3197（2015）04-76-03
□2015-05-21
□李木松/男，1983年出生，工程师，硕士，上海市城市建设设计研究院天津分院，从事桥梁设计工作。
