高速公路空心板桥梁拼宽方案研究

李 涛，胡清和

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司；公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

随着时代的发展，已建成的高速公路已经难以满足日益增长的交通流量需求。高速公路改扩建成为“十三五”期间高速建设的重点任务之一[1]。

以安徽省为例，目前国土空间规划中滁新高速淮南至阜阳段、济广高速阜阳至周集段、京台高速合徐南段、宁洛高速界首至蚌埠段、沪陕高速大顾店至叶集段均有“四改八”改扩建规划。

早期高速公路20 m以下跨径90%以上采用预制装配式空心板结构[2]。在某高速公路“四改八”工程施工图设计中，对空心板桥梁拼宽进行了相关研究，可供后期高速公路“四改八”桥梁工程设计时参考借鉴。

1 空心板桥梁使用现状

装配式预应力空心板桥由于施工方便、造价低廉，在高速公路桥梁建设中大规模使用，孔径主要有10、13、16、20 m。

根据近期对安徽省现有高速公路空心板桥梁的检测情况，既有空心板梁桥大多使用状况良好，由于铰缝失效造成单板受力病害情况出现较少[3，4]，大部分桥梁均为2类桥以上，如果全部拆除新建必然会造成资源浪费，因此改扩建应以桥梁拼宽为主。

2 拼宽方案

2.1 总体拼宽方案

目前高速公路改扩建采用的拼宽方案主要有以下三种[5]：

(1) 桥梁上、下部均不连接，形成独立收力体系。

(2) 桥梁上、下部均连接。

(3) 桥梁上部连接，下部不连接。

其中方案(1)桥面易损坏，影响行车安全和路面美观；方案(2)成本高、工期长；方案(3)利于施工，利于桥梁受力，利于桥面整体化，推荐采用。本方案已在沪宁、杭甬、合宁等高速扩建中成功运用。

2.2 上部结构选择

由于原高速公路预制装配式空心板梁高较低，受道路净高控制，拼宽时若选择梁高相差较大的上部结构，则下方道路需下挖改建，影响通行且增加工程投入。目前部颁预制装配式空心板桥图纸仅在原标准图纸基础上增加5～10 cm梁高，对净空影响较小。

2.3 保通方案

以往高速公路“四改八”桥梁改扩建过程中，为满足施工需要，往往需采用“半幅封闭，半幅通行”的方式，仅采用双车道保通，对交通影响大，常会带来一定的行车负面情绪。为保证施工期间四车道保通，同时为确保桥梁拼接缝浇筑质量，提高拼接桥梁耐久性，常采用临时连接保通、半幅超加宽保通、设置钢夹具保通三种方案。结合相关项目经验，采用临时连接保通方式可以有效节约资源，减小投入。

具体保通方案如下：

(1) 原有桥梁四车道通行，同步完成两侧拼宽梁板架设(图1)。

图1 空心板拼宽保通方案阶段一

(2) 拆除临时保通侧老桥护栏，设置临时隔离设施，临时弯折新桥板悬臂钢筋，设置T型钢板，敷设桥面铺装，将车道转移至保通侧，双向四车道通行。铣刨另半幅桥梁沥青路面，凿除部分铺装和空心板悬臂，拆除老桥护栏(图2)。

图2 空心板拼宽保通方案阶段二

(3)结合具体改扩建方案顶升非保通侧原桥，进行永久性连接，并完成桥面铺装。

(4)将车辆转移至已完成拼接半幅,双向四车道通行。铣刨原保通侧临时铺装沥青及局部中面层沥青，凿除局部桥面及原板悬臂，根据改扩建方案顶升原桥后进行永久性连接。最后恢复双向八车道通行。

2.4 结构计算

针对高速公路“四改八”标准断面(既有桥梁段为装配式预应力混凝土简支空心板，共11片边板宽1.435 m，中板宽1.17 m，铰缝0.01 m。拼宽段装配式预应力混凝土简支空心板共5片，外侧边板宽1.62 m，内边板及中板宽1.24 m)，采用有限元分析软件MIDAS CIVIL对拼宽前后桥梁进行整体分析。实际项目老桥为2004年建成，较有代表性。设计标准如下[6]：

(1) 桥梁总宽度41.5 m；净宽2×19.25 m。

(2) 设计安全等级：一级。

(3) 设计荷载:公路-I级。

(4) 设计行车速度：100 km/h。

车道荷载按《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)[7]中的新车道荷载考虑。其中10 m空心板为钢筋混凝土构件，13、16、20 m跨径空心板为A类预应力混凝土构件。

计算要点如下：

(1) 本计算按后张法部分预应力混凝土A类构件设计，桥面铺装层100 mm混凝土不参与截面组合作用。

(2) 根据组合空心板横断面，采用荷载横向分布系数的方法将组合空心板简化为单片梁进行计算，计算方式采用铰接板法。

(3) 预应力张拉控制应力值，混凝土强度达到90%时才允许张拉预应力钢束。

(4) 计算混凝土收缩、徐变引起的预应力损失时张拉锚固龄期为7 d。

(5) 环境平均相对湿度RH=70%，混凝土收缩应变和徐变系数按规范规定取值[8]。

(6) 承载能力检算系数应结合实际桥梁情况确定，本桥采用0.90[9]。

按照单梁模型建模，横向系数通过铰接板梁法计算，计算结果见表1～表4。

表1 成桥阶段正截面抗弯承载力计算结果

表2 成桥阶段斜截面抗弯承载力计算结果

表3 成桥阶段正截面抗裂计算结果

表4 成桥阶段斜截面抗裂计算结果

由表4可知，各跨径空心板桥成桥后斜截面抗裂满足要求。综合计算结果得出成桥后空心板桥梁纵向静力计算结果满足相关规范要求。

纵向梁单元对于湿接缝受力计算存在相当的失真，为更好模拟湿接缝在荷载作用下的受力情况，采用MIDAS FEA建立全桥模型[10]。上部结构均采用实体单元模拟20 m跨径空心板桥(图3)，忽略普通钢筋对混凝土抗拉的贡献。每块板底按双支座一般支撑模拟，一端约束y、z方向平动位移，另一端约束z方向平动位移，释放了所有旋转位移。

图3 空心板实体单元模型

车辆荷载分为两方面进行布置：

(1) 车辆荷载纵向布置:车辆荷载选用55 t标准车，重车车轮布置在跨中位置。

(2) 车辆荷载横向布置:车辆荷载横向布置采用两种方式，工况一为偏载模式，此时接缝上缘横向拉应力最大，下缘横向压应力最大；工况二为重车车轮作用在拼接缝模式，此时接缝下缘横向拉应力最大，上缘横向压应力最大。计算湿接缝，结果为：① 缝处横桥向最大拉应力为8.3 MPa，发生在接缝下缘支点处角点，范围较小;接缝上缘跨中最大横桥向拉应力为1.9 MPa，接缝上缘支点拉应力在5～8 MPa，拉应力支点较大，从支点到跨中整体递减;② 接缝处横桥向最大压应力为18 MPa，发生在接缝下缘支点处，小于0.6×fck，满足要求;③ 对于拼宽桥梁，由于修建时间较长，原桥基础沉降已基本完成，而拼宽部分的基础还有可能发生沉降，整体沉降差必然存在，沉降差会在桥梁梁体，特别是拼接纵缝中产生不利影响，进而影响结构安全及正常使用。假设新桥基础沉降按线性规律反映到新桥空心板，分别取新桥最大沉降量为3、5 mm进行分析,结果见表5。

表5 沉降引起的截面应力结果

由表5可见，沉降引起的接缝混凝土应力随着沉降量的增加而显著增大的趋势，极易造成混凝土开裂。在设计时应对新建桥梁基础进行相应的处理，以保证其沉降值在许可的范围之内。

根据计算结果采取措施如下：

(1)因考虑接缝在梁端部受力较大的因素，在支点1.5 m范围内采用加厚处理。

(2)支点1.5 m 范围内将桥面铺装层内的钢筋直径变为16 mm，以提高湿接缝桥面处抗裂能力。

(3)由于沉降产生的横向拉应力水平较高，适当加大桩长、桩径，控制新桩总的沉降量，如工期允许，建议延后新老空心梁的拼接时间，可在吊装完新空心梁后放置6个月以上时间，既可减小新、老空心梁的收缩徐变差的影响，也可降低新老基础的沉降差；

(4)在接缝处采用抗裂性能好的高性能混凝土。

3 结束语

本文在实际高速公路空心板拼宽工程基础上，通过对多种跨径高速公路空心板拼宽进行研究，采用临时铺设钢板连接满足双向四车道保通下对桥梁整体、局部分别进行力学计算，得出：

(1)选取代表性的空心板老桥结构进行计算，拼宽后，桥梁纵向静力计算结果满足新规范需要。

(2)采用湿接缝连接新老空心板桥时，为保证桥梁耐久性，湿接缝端部应予以加厚。

(3)新桥沉降对湿接缝受力影响巨大，有条件的工程应尽量先期施工新桥，尽量待桩基沉降完全后永久连接新老桥梁。