基于旧桥改造的简支空心板桥拓宽设计研究

沈小雷，叶建龙，郭斌强

（浙江省交通规划设计研究院，杭州　310006）

基于旧桥改造的简支空心板桥拓宽设计研究

沈小雷，叶建龙，郭斌强

（浙江省交通规划设计研究院，杭州310006）

针对简支空心板桥拓宽拼接缝设计，提出一种应用自攻螺栓的结构形式。基于铰接板法对一种适用于此类拼接设计的横向分布系数计算方法进行改进，对拓宽前后常见的不同跨径简支空心板受力状态进行分析，并将内力值和应力值与规范限值进行对比，总结受力规律，并对基于旧桥改造的简支空心板桥拓宽设计提出一些建议。

桥梁工程；旧桥改造；拓宽接缝；横向分布系数；空心板

近年来，我国交通量持续增长，尤其是在东南沿海地区，已建成4车道高速公路的许多路段超负荷运营，故将其拓宽至6车道或8车道已经迫在眉睫，而公路拓宽则涉及公路桥梁拓宽，因此将出现许多拓宽桥梁设计的情况。

拓宽桥梁设计和施工所涉及的因素远比新建桥梁要多，原则上要求拓宽桥梁配跨、结构形式、伸缩缝设置位置等应与旧桥一致。改建前应对旧桥进行详细调查［1］，了解其存在的病害、缺陷，以确定维修加固措施，必要时应选择部分桥梁进行静力和动力荷载试验，以确定其承载能力。桥梁拓宽应尽量减少拆除工程量，并应正确处理好新建桥梁与既有桥梁之间的纵向联结，减少半幅封闭施工时间［2］。

拓宽工程桥梁设计需遵循“老桥老标准，新桥新标准”原则。目前，浙江省待拓宽高速公路桥梁的设计荷载等级一般为汽-超20、挂-120；拓宽新建部分及完全新建桥涵设计荷载等级采用现行标准公路-I级［3］。

浙江省高速公路桥梁拓宽设计中，对原桥梁、拼接部位、拓宽后桥梁整体进行结构分析和验算：对原桥梁采用旧标准进行正常使用状态评价；承载能力极限状态计算需满足现行荷载标准，若不满足则建议进行加固处理；有条件时，采用现行标准中的荷载等级对拓宽后桥梁进行整体检算。

本文依托甬台温复线、杭长高速公路及杭金衢高速公路等数个浙江省高速公路拓宽项目，提出新旧桥梁连接部位的设计方法，并对简支空心板桥拓宽的横向分布系数、承载能力和抗裂性计算进行研究，为后续的工程应用提供参考。

1　拓宽接缝设计

以往旧桥改造工程中，新旧桥接缝多采用焊接植筋和化学植筋。钢筋焊接对植筋胶锚固力影响较大，普通植筋胶无法满足焊接要求，须采用特制植筋胶才能保证钢筋焊接后的锚固力［4］。现场实际操作时，监理人员很难辨别施工方所采用的是普通植筋胶还是特制植筋胶，且植筋胶的用量是否满足要求也难以鉴定，由于施工质量无法保证，易造成拼接缝病害［5-6］。

因此，建议钢筋混凝土、预应力混凝土空心板间拼接进行如下设计：在新旧桥空心板间设置纵向湿接头，宽25～75 cm不等，厚一般为30～ 40 cm；在旧桥边板上（带悬臂的边板需先凿除悬臂部分）打出深约20 cm的螺纹母孔，用压缩气枪清理母孔后，旋入自攻螺栓确保紧密连接，新板的预埋钢筋与旧板上已安装的自攻螺栓通过焊接连接。新旧桥拼接部位的湿接头混凝土强度等级与新桥一致。为加强空心板间的连接，在新旧空心板上横向左右各拓展65 cm宽范围内的桥面铺装混凝土，将其与湿接头混凝土采用1次性浇筑，并对此处的桥面铺装钢筋网进行加强，如图1所示。

图1　拓宽接缝示意

为保证现浇湿接头施工时桥上车辆的通行，施工中应在新旧空心板间设置临时型钢连接夹具，以使新旧桥在车辆荷载作用下共同受力，变形连续协调，从而保证现浇湿接头混凝土在强度形成过程中不受旧桥在车辆荷载作用产生的剪力作用，保证现浇湿接头混凝土的质量。

2　横向分布系数

随着计算机技术的快速发展，桥梁设计有限元软件应运而生，使得桥梁空间有限元模型的建立不再复杂［7］。但是，对于中小跨径简支梁桥而言，多数设计人员还是习惯于采用横向分布系数方法，即将空间问题转化为平面问题。而针对基于旧桥改造的简支空心板桥拓宽特殊结构，由于既有桥梁与拓宽桥梁之间的连接构造可以传递弯矩，故应按刚性连接考虑，这与传统铰接法计算空心板桥横向分布系数存在本质的区别。

因此，针对拓宽结构，应综合考虑铰接法与新旧连接部位可传递弯矩的特点，对新旧桥梁进行横向分布系数计算，并与既有桥梁横向分布系数进行对比，以判断拓宽前后荷载对既有桥梁的影响。本文提出的计算横向分布系数方法为：旧桥与拓宽桥之间连接按刚性连接考虑，梁板之间的其余连接则仍按铰接考虑［8］。

选取2例简支空心板双向4车道拓宽为双向6车道工程进行计算。桥例1为13 m跨径空心板，桥梁单侧拓宽4.0 m；旧桥采用宽124 cm，梁高60 cm的装配式混凝土空心板梁，拓宽部分采用宽1.24 m，梁高60 cm的装配式预应力混凝土空心板梁。桥例2为16 m跨径空心板，桥梁单侧拓宽4.0 m；旧桥采用宽124 cm，梁高80 cm的装配式混凝土空心板梁，拓宽部分采用宽1.24 m，梁高80 cm的装配式预应力混凝土空心板梁。2个桥例新旧梁板均通过67.5 cm现浇湿接头刚性连接。标准断面及梁板编号如图2所示（示意一半，另一半对称）。图2中，旧桥部分9片空心板，梁号为①～⑨；拓宽部分3片空心板，梁号为⑩～○12。横向分布系数计算结果见表1。

图2　桥梁标准横断面示意

表1　横向分布系数计算结果

由表1数据可以看出，桥例1旧桥9块空心板的横向分布系数按双车道计算，外边梁与中梁分别为0.395与0.297；拓宽后12块板按2车道计算，外边梁与中梁横向分布系数分别为0.399与0.327，按3车道计算，外边梁与中梁横向分布系数分别为0.360与0.318。桥例2旧桥9块空心板的横向分布系数按双车道计算，外边梁与中梁横向分布系数分别为0.376与0.287；拓宽后12块板按2车道计算，外边梁与中梁横向分布系数分别为0.366与0.304，按3车道计算，外边梁与中梁横向分布系数分别为0.341与0.294。

由此可知，拓宽后旧桥边板和中板横向分布系数较拓宽前均有所减小，受力偏有利；拓宽后按双车道计算受力较不利，为控制工况；由于新板与旧板的连接按刚性连接考虑，故最不利中板应为与旧桥相接的拓宽梁板，其与传统设计所认为的最不利中板为次边板不同，须特别注意。

3　内力应力验算

本文对甬台温复线、杭金衢高速公路等浙江省高速公路拓宽项目中遇到的简支空心板拓宽案例进行了抗弯极限承载能力和正常使用状态抗裂性验算。验算工况选用较不利的双向4车道拓宽为双向6车道，并选取了8、10、13、16和20 m等最常用的5种跨径进行汇总分析。

3.1抗弯极限承载能力

旧桥拓宽后，简支空心板抗弯极限承载能力均需满足现行规范要求，计算结果见表2。

由表2数据可知，按85规范要求，旧桥抗弯极限承载能力富裕度在拓宽后有所提高，说明桥梁受力状态有所改善，受力状态与横向分布系数计算得到的结论一致；现行规范对小跨径桥梁的荷载提高较大，8、10 m跨径旧桥空心板无法满足04和14规范荷载下的抗弯极限承载能力要求，13 m跨径旧桥空心板满足04规范要求，但不满足14规范荷载下的抗弯极限承载能力要求，故建议进行加固后继续使用。

3.2正常使用状态抗裂性验算

拓宽桥梁正常使用状态下的抗裂性需满足规范要求，简支空心板旧桥部分正常使用状态下的抗裂性需满足设计时采用的85规范要求，拓宽部分需满足现行04和14规范要求。

8 m跨径简支空心板多为钢筋混凝土构件，需验算裂缝宽度，其余跨径多为预应力构件，需验算其正应力和主应力。经计算，由于拓宽后横向分布系数减小，改善了旧桥梁板的受力状态，使得8 m跨径简支空心板裂缝宽度较拓宽前有所降低；其余跨径最不利截面正应力均能保证受压，主拉应力也较拓宽前有所减小，均能满足规范限值。

表2　旧桥抗弯极限承载能力富余度计算结果

4　结论

1）针对简支空心板桥拓宽拼接缝设计提出了一种应用自攻螺栓的结构形式及其施工方法与注意事项，有效解决了以往新旧桥采用焊接植筋和化学植筋处理接缝导致的拼接缝病害。

2）针对简支空心板拓宽桥梁提出了一种更准确的横向分布系数计算方法，即旧桥与拓宽桥之间的连接应按刚性连接考虑，梁板之间的其余连接则仍按铰接考虑。

3）拓宽后，旧桥受力状态有所改善，但是将跨径小于16 m的简支空心板双车道拓宽成3车道时，建议需对旧桥进行加固后再使用。

［1］李群，叶建龙，余茂峰.沪杭甬高速公路拓宽工程通车状态下新老桥梁的拼接工艺［J］.公路交通技术，2011（2）：74-78.

［2］张丽芳，郭涛，吴文清，等.旧桥拓宽中拼接方式对旧桥受力状态的影响分析［J］.公路交通科技，2006，23（2）：102-105.

［3］周富春.高速公路改扩建工程植筋施工技术［J］.国防交通工程与技术，2004（3）：64-66.

［4］张树仁，郑绍珪，黄侨，等.钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］谢丹，黄晖.高速公路桥梁拓宽技术研究［J］.山西建筑，2008，34（20）：335-336.

［6］刘传统，王凤萍，高小俊.U预应力混凝土梁桥拓宽关键技术研究［J］.现代交通技术，2006（5）：72-76.

［7］ 刘传统，王凤萍，高小俊.UEA混凝土在沪宁扩建桥梁拼接施工中的应用［J］.公路交通科技，2006，12（12）：105-106.

［8］刘孝军，刘中田.苏嘉杭高速公路南段扩建工程桥梁改造设计［J］.城市道路与防洪，2004（4）：113-115.

Study on Broadening Design of Simply Supported Hollow Slab Bridge in Old Bridge Reconstruction

SHEN Xiaolei，YE Jianlong，GUO Binqiang

This paper suggests a structure using tap bolt for jointing design for simple supported hollow slab broadening.Based on hinged slab method，this paper improves the transverse distribution indices calculation that suits for this jointing design.In addition，this paper performs analysis to different span simple supported hollow slab stress status before/after broadening，and compares inner force and stress with limits to summarize stress rules and give suggestions for broaden design of simple supported hollow slab bridge in old bridge reconstruction.

Bridge project；old bridge reconstruction；broadening jointing；transverse distribution index；hollow slab

1009-6477（2016）04-0101-04

U442.5

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.023

2016-03-23

沈小雷（1975-），男，江苏省启东市人，硕士，高工。