山区桥梁拼宽设计

殷桂芳 于晓磊

(苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

0 引言

随着山区交通运输的发展， 现有道路已无法满足日益增加的交通量要求， 对现有道路进行提升改造已经成为一种趋势，这也促使许多现状桥梁进行拼宽改造[1]。 拼宽改造在满足整体要求的前提下，尽量不动原桥结构，对原桥两侧拼宽并对原桥梁板加固处理， 以避免管线迁移带来的诸多问题，这种拼宽设计可以加快工程进度，保证交通不中断，降低工程费用，因此得到广泛的应用[2]。山区桥梁拼接技术质量直接影响着行车安全及桥梁使用寿命，在山区桥梁的拼宽设计中，设计人员必须结合山区复杂环境和现有桥梁的实际情况， 合理选择拼宽桥结构形式和新老桥拼接方法。

1 项目概况

本项目位于云南省建个元高速与元蔓高速相交处的呼山枢纽，现有道路已不能满足交通量的需求，有必要对呼山枢纽主线桥进行拼宽设计。 原桥左右幅跨径布置为4×29.5m+3×(3×29.5m)+4×29.5m+3×29.5m+2×29.5m 预应力混凝土连续T 梁(桥型立面如图1)，桥宽2×12.5m(桥型平面如图2)，桥台采用扩基U 台，桥墩采用圆柱墩、空心薄壁墩，桩基础。本项目对原桥左幅第2～8 跨进行拼宽设计，拼宽桥全长206.5m。 左幅拼宽部分上部结构采用7×29.5m 预应力砼(后张)T 梁，下部结构桥墩采用圆柱墩、桩基础。

2 上部结构拼宽

2.1 上部新老桥连接

本桥上部主要通过新老桥处湿接缝和横隔板进行连接，连接处混凝土采用C50 钢纤维补偿收缩混凝土，新梁翼缘板预留钢筋与老梁植筋焊接， 新老桥横隔板通过普通钢筋和预应力高强精轧螺纹粗钢筋连接。 桥梁上部拼宽方式的优缺点比较见表1。

图1 桥型图立面(cm)

图2 桥型图平面（cm）

表1 桥梁上部拼宽方式比较表

由表1 可知，新老桥上部结构连接的方案，可保证桥梁结构稳定和桥梁整体安全运营、方便桥梁拼接施工、减少对旧桥的影响，延缓和减少拼接部位的桥面裂缝，提高行车舒适性，给道路使用者提供良好的行车环境。

2.2 上部结构纵梁计算

主梁计算按后张法A 类预应力混凝土构件设计，桥面铺装层C50 混凝土不参与截面组合作用[3]。 计算软件采用桥梁结构计算程序《桥梁博士》v3.5。

2.2.1 预应力钢绞线验算

按照 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第6.1.4 条规定[4]，钢丝、钢绞线的张拉控制应力值σcon≤0.75fpk，故允许值为0.75fpk＝0.75×1860＝1395MPa。 本桥钢绞线张拉控制应力为1400MPa，均能满足要求。

2.2.2 正常使用极限状态抗裂验算

(1)短期效应组合

短期效应组合下，新桥边梁截面上缘最小正应力为-0.44MPa，小于允许值-1.85MPa 的要求，下缘最小正应力为-1.07MPa，小于允许值-1.85MPa 的要求，最小主应力为-1.07MPa，小于允许值-1.85MPa 的要求，纵梁在短期效应组合下的抗裂验算满足要求。

(2)长期效应组合

长期效应组合下， 新桥长期效应组合正应力如图3所示。 由图3 可见，构件未出现正拉应力，长期效应组合下的抗裂验算满足规范要求。

2.2.3 持久状况构件应力验算

按照 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第7.1 条规定，持久状况预应力混凝土构件应力计算时，应力值取标准组合值。

图3 长期效应组合正应力图

标准组合下， 新桥边梁截面上缘最大正应力为9.17MPa，小于允许值16.2MPa 的要求，下缘最大正应力为13.3MPa，小于允许值16.2MPa 的要求，最大主应力为13.3MPa，小于允许值19.4MPa 的要求，纵梁在持久状况下混凝土的应力满足要求。

2.2.4 短暂状况构件应力验算

按照 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第7.2.8 条规定，在预应力和构件自重等施工荷载作用下截面边缘混凝土的法向应力应符合压应力σcct≤0.70fck′和拉应力σctt≤0.7ftk′的要求。 由计算结果可知，施工阶段混凝土上缘最大应力为5.56MPa， 小于允许值20.412MPa 的要求，上缘最小应力为-0.091MPa，小于允许值1.67MPa 的要求，下缘最大应力为5.56MPa，小于允许值20.412MPa，下缘最小应力为-0.314MPa，小于允许值1.67MPa 的要求，桥梁结构各部位的应力满足设计要求。

2.2.5 承载能力极限状态强度验算

(1)正截面抗弯强度验算

基本组合下新桥边梁最大弯矩及其对应的抗力、最小弯矩及其对应的抗力的包络图如图4 所示。

由图4 可见，承载能力极限状态下，新建T 梁正截面弯矩小于对应抗力，抗弯强度满足规范要求，由于拼宽结构对原桥有一定的卸载作用， 拼宽后原桥T 梁正截面抗弯强度同样满足规范要求。

(2)斜截面抗剪强度验算

利用桥梁博士截面设计模块， 对斜截面抗剪能力进行验算。 基本组合下最大剪力及对应抗力和最小剪力及对应抗力如图5 所示。

由图5 可见，承载能力极限状态下，新建T 梁斜截面剪力小于对应抗力，均能满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》5.2.7-5.2.10 要求， 纵梁的斜截面抗剪强度也能满足要求。

本文仅给出新桥边梁计算结果， 老桥T 梁计算同样满足规范要求。

3 下部结构拼宽

3.1 新老桥盖梁连接

新建桥梁下部为独柱独桩时， 采用盖梁连接的拼接模式，新旧桥梁盖梁之间通过采用M30 的植筋化学螺栓和型钢进行连接，以减少对旧桥的破坏，也避免了因不均匀沉降带来的连接处易于开裂的弊端。 盖梁拼宽方式的优缺点比较见表2。

图4 正、负弯矩包络图

图5 最大剪力和最小剪力抗力图

表2 盖梁拼宽方式比较表

由表2 的比较情况可知， 盖梁采用型钢连接和盖梁不连接方案均有各自的特点， 而且新旧桥梁盖梁连接处在差异沉降和活载最不利工况下， 设计锚栓和型钢的受力均可以满足规范要求， 工程设计中可根据桥梁的实际情况选用。

3.2 新老桥钢系梁连接

通过稳定性计算， 新老桥下部墩柱连接相比新老桥下部墩柱不连接的情况，结构整体的稳定性相对提高，且满足规范要求。 因此当新桥独柱墩墩高超过20m 时，新旧桥梁墩柱之间通过钢抱箍和型钢(槽钢)系梁连接，以提高结构的横向稳定， 新老桥钢系梁连接示意图如图6 所示。相比植筋连接技术操作也较为简便，并能适应一定的不均匀沉降。

图6 新老桥钢系梁连接示意图

由图6 可知，每个墩柱由两片钢抱箍组成，钢抱箍之间以及抱箍与型钢之间均通过高强螺栓连接， 每根螺栓的预拉力不小于150kN。 钢箍与原混凝土立柱通过粘钢环氧胶和预埋螺栓固定，并且焊接槽钢及加劲肋，形成横向联系， 加劲肋和钢箍的焊缝均采用焊脚尺寸为10mm的双面角焊缝，槽钢和钢箍都采用Q235 号钢材，外露钢构件均应涂防锈漆进行防腐处理。 钢箍设置在原桥墩柱系梁上方，待新桥沉降控制后，方可进行新老桥下部系梁的连接，施工期间应注意不得破坏原有桥梁墩柱[5]。

3.3 新老桥下部不连接的拼宽

当桥梁拼接宽度相对较大，且拼宽桥墩为双柱墩时，新老桥盖梁以及新老墩柱均不连接。 该拼接模式在施工时较为方便，对老桥下部结构基本无影响，且新老桥结构均能达到相对稳定的状态。

4 结语

(1)本桥上部结构采用新老桥连接的模式，应分别对新老桥上部结构进行验算， 保证结构极限状态下承载能力和正常使用状态下应力指标均能满足规范要求。

(2)下部结构的拼宽，可根据桥梁拼宽宽度、墩高等情况合理选择拼宽模式， 保证下部结构的稳定性和施工的便捷性。

(3)本文提出的山区桥梁拼宽方法，在实际工程应用中具有实用意义，可供同类型项目参考。