公路桥梁拓宽设计方案分析

2017-07-05尹栋佳上海城建市政工程集团有限公司上海200065

福建交通科技 2017年3期

尹栋佳（上海城建市政工程(集团)有限公司，上海200065）

公路桥梁拓宽设计方案分析

尹栋佳
（上海城建市政工程(集团)有限公司，上海200065）

桥梁拓宽改造可以提升桥梁通行能力，适应现代交通发展的要求。桥梁拓宽的工程实例还很有限，拓宽工程的方案设计还没有成形理论及特定设计方法。本文简述某桥梁拓宽工程项目设计方案，该方案在设计过程中对于桥梁拓宽设计存在的问题提出了一些解决方式，希望对同类工程提供参考。

桥梁拓宽收缩徐变无缝伸缩缝沉降

0 前言

桥梁是公路交通的咽喉，随着交通量的不断增大，部分早建桥梁已经不能适应交通运输的需求，严重制约公路通行水平及服务质量。通常基于考虑路网布局、对沿线城市的发展、占用土地、环保及工程造价等因素，采用对原公路进行加宽。桥梁拓宽改造是提升公路通行能力、缓解交通压力的有效途径，同时兼具经济性与实用性[1]。目前，桥梁拓宽工程案例较少，设计方案及设计理论还不系统完善，在拓宽案例中还有很多问题出现。本文通过工程实例，介绍在工程拓宽设计过程中对某些实际问题的解决方案及思路，希望为同行提供一些参考价值。

1 工程概况

案例工程为浙江省某高速公路拓宽工程的控制性工程。桥梁上跨萧甬铁路，既有桥分左右两幅，单幅桥宽16.75m，主桥为3×30m后张预应力空心板简支梁。桥梁拓宽改造是在既有桥拆除护栏等附属构造，在左右幅各拼宽3.50m，单侧可以增大一个车道的通行能力，从而能够大大缓解交通压力，桥梁总体布置图如图1所示。

图1 桥梁总体布置图

为保持新桥与既有桥的结构统一，新桥采用与既有桥相同的布置形式。上部结构采用30m后张预应力空心板简支梁，下部采用柱式桥墩。设计荷载：既有桥汽车荷载汽-超20，新桥设计汽车荷载公路-I级。本工程桥梁抗震设防类别为B类，抗震设防烈度为6度，地震动峰值加速度0.05g，桥梁抗震设防措施等级为7级。跨越铁路桥梁安全系数采用1.3。

图2 拓宽工程产生的桥面纵缝

2 拓宽方案比选

横向连接是桥梁拓宽设计的重点。不同的横向连接其结构传力形式完全不同，内力分配也不一样，因此桥梁建成后的命运也大相径庭。

目前工程实践中常用的横向连接方式主要有：新旧桥梁上、下部结构均不连接，新旧桥梁上、下部结构均连接及新旧桥梁仅上部连接三种方案。但在实践中三种方案均存在无可避免的缺点。

第一种方案不存在连接的技术问题，但在汽车荷载作用下新旧桥梁不能协调变形，下部结构不同沉降差等都会造成连接部位沥青铺装层的破坏（如图2所示），影响行车舒适性及安全性。第二种方案桥梁整体性最好，但由于新旧桥梁存在收缩徐变差异，新桥容易产生较大的附加内力，新梁截面长期处于受拉工作状态，对于上部结构的受力状态是不利的。第三种方案同样存在附加内力过大导致的上部结构易损的问题。

案例工程在进行新桥设计时，综合了上述三种连接方案的优劣，取长补短，确定采用第二种设计方案，同时采取可靠构造措施保证桥梁的安全性与工作性能。

主要设计思路是，下部结构采取可靠的半刚性连接，尽量减少下部结构对上部结构受力的不利影响。上部结构采取施工、构造等措施减少新旧板梁之间的受力干扰，既保证新旧结构变形协同，又避免上部结构产生结构性破坏，如图3所示。

图3 新建桥梁上部结构与既有桥的关系

3 拓宽方案连接设计

设计时，考虑到新桥后期可能存在较大的沉降，新旧桥梁之间沉降差会导致盖梁结构及桥面铺装层的破坏。为避免此类问题产生，主要采取以下设计措施：

（1）增大新桥设计桩径及构造，减少沉降差异。根据桥址地质情况，桥梁既有桥及新桥均采用摩擦桩桩基。不同的是，既有桥桩直径为1.2m，新桥设计时采用1.4m桩直径。增大桩径可以有效增加桩基单桩侧摩阻力和桩端承载力。

按照文献[2]推荐的弹性理论法计算，1.4m桩基比1.2m桩基的侧摩阻力增大16.7%，桩端承载力增大36%。假设既有桥不再沉降的条件下，通过上述构造处理措施可控制新墩沉降和在5mm以内，即新旧桩之间的沉降差小于5mm。

（2）连接采用半刚性连接（如图4所示），以减少新旧盖梁附加内力的产生。新旧盖梁的悬臂采用植筋技术连接，同时在盖梁埋置传力钢板，防止混凝土表面应力集中产生的拉裂。盖梁之间可以传递剪力作用，同时传递弯矩。为防止不均匀沉降造成的下部结构开裂，留有2cm沉降缝。

新旧盖梁在沉降差异下传力途径明确，变形协调，同时又能够防止产生较大的附加应力，不会引起结构性破坏。但是，这种设计方式对于外露钢筋的防腐要求较高，需采取可靠的钢筋防腐措施。最后，设计在缝隙填充微膨胀混凝土、保护钢筋的同时，形成最终形式的盖梁半刚性横向连接。

图4 新旧盖梁的半刚性连接

（3）新旧桥梁的纵向连接是桥梁拓宽设计的难点，桥面铺装纵向裂缝破坏是桥梁拓宽工程常见的病害。无缝弹性伸缩缝的铺装形式可以有效解决这一难题。

弹性伸缩缝广泛应用于桥面修复与道路养护领域[3]。工程设计借用这一技术连接新旧桥梁铺装层，将新旧桥面接缝范围的桥面铺装层替换为一种高弹性的特殊沥青混合料无缝伸缩缝。采用的沥青混合料弹性性能优良，适应变形能力更强，实现桥面结构的无缝化连接，如图5所示。

弹性接缝能吸收各方面的变形和震动，且阻尼性高，对桥梁减震有利，可满足弯桥、坡桥、料桥、宽桥的纵、横、竖三个方向的伸缩与变形。

图5 无缝弹性伸缩缝构造图

4 新旧桥梁收缩徐变效应分析

收缩徐变效应是桥梁拼宽工程的另一难点。新桥的收缩徐变效应远大于既有桥梁，一般认为既有桥收缩徐变效应已经完成，两者的效应差均由新桥引起。在此效应下，旧梁呈受压状态，受力状态改善，新梁呈受拉状态，对新梁不利。

在新旧桥梁具有可靠横向连接的情况下，由新桥收缩徐变引起的混凝土应力重分布进而造成的主梁横向拉裂普遍存在。笔者在桥梁设计过程中对这一问题进行了研究。

为避免此类问题产生，主要考虑采取以下设计措施：

（1）延长存梁时间，新梁变“旧梁”。文献[4]规定的收缩徐变计算公式分别为：

从上述公式可以看出，收缩徐变效应与混凝土龄期呈线性关系。混凝土龄期越长，收缩徐变完成的越彻底，桥梁拼接后，新旧桥梁之间的影响越小。

利用MIDASCivil梁格法建立模型进行计算，如图6所示。在新旧板刚性接连时，新梁存放28d后拼装，新梁产生的拉应力为2.07MPa，大于C50混凝土轴心抗拉强度设计值1.83MPa。新梁存放200d后拼装，新梁产生的拉应力为1.58MPa，小于混凝土轴心抗拉强度设计值。新梁存梁200d计算的新板拉应力比存梁28d的拉应力减少31%，效果十分明显。

图6 新旧板梁梁格法模型

因此，设计要求预制梁厂首先预制拼宽梁进行存放，存放时长在200d以上。需要注意的是，为防止收缩徐变产生过大反拱值，存放28d后，梁体施加与二期恒载差不多的均匀荷载，直到架梁阶段。

（2）新旧板梁之间铰缝采用钢纤维混凝土填筑，如图7所示。由于收缩徐变效应，新旧板梁之间的铰缝是受力最薄弱的环节，铰缝开裂脱落影响结构的整体性，同时导致桥面破坏。

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性。纤维体积率在1%～2%之间的钢纤维混凝土，较之普通混凝土，抗拉强度可提高40%～80%。