考虑铺装层作用的改扩建拼宽板梁桥极限承载能力分析

刘福忠，李 宁

（1.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；2.山东高速股份有限公司，山东 济南 250101）

引言

随着我国交通运输行业的发展，早期修建的部分高速公路已不能满足交通量增长的需求，提升其通行能力已成为当务之急，在此背景下，国内多条高速公路开始实施改扩建。由于我国早期修建的高速公路多采用汽-超20、挂-120的荷载标准，表1是《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）中桥梁荷载变化。研究文献表明，两次规范修订对20 m以下中小跨径板梁桥影响较为明显，尤其是15规范，最大增幅接近20%。现行高速公路改扩建项目一般依据《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）执行，该标准要求拼宽利用的桥梁需满足现行规范极限承载能力的要求。

表1 公路桥涵通用规范荷载变化

对于空心板梁桥的加固方法，国内开展了大量的研究，常见的方法有黏贴钢板、碳纤维板、碳纤维布、钢丝网、增大截面法等，但该部分研究主要解决运营过程中个别桥梁运营状况较差，承载力不足的问题，并不适用于运营状况良好的改扩建项目桥梁的改造利用，目前最为直接有效的方法是通过对铺装层的改造，提升结构的极限承载能力。

1 改扩建拼宽利用板梁桥实施方案

该项目原设计为双向四车道高速公路标准，路基全宽28.0 m，按双向八车道高速公路标准改扩建，两侧拼宽，路基宽度42.0 m，新建及拼宽桥涵设计汽车荷载等级采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）的公路-Ⅰ级。

改扩建后桥梁的横断面见图1，新旧桥梁翼缘通过现浇湿接缝连接。改扩建流程：（1）安装新拼宽部分桥梁预制空心板，根据需要浇筑水泥混凝土现浇层；（2）切除旧桥护栏及原桥外边板翼缘板，铣刨原桥沥青混铺装和混凝土铺装，浇筑新旧桥湿接缝，重做旧桥铰缝及整体化混凝土，摊铺沥青混凝土桥面铺装。

图 1 单幅板梁桥拼宽断面布置（mm）

2 拼宽桥极限承载能力计算

2.1 新旧拼宽桥横向分布计算

对于拼宽板梁桥，各片梁之间采用铰缝连接，仍可以采用经典的铰接板理论进行计算。新旧板拼接处的湿接缝按铰接板梁法进行计算并计入翼缘板长度对横向分布的影响。车辆荷载横向分布计算结果见表2～表4，可以看出，因为改扩建过程将旧桥外边板变为拼宽桥的中板部分，按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）计算的外边板横向分布系数在支点位置有一定程度增加；边板承载能力并不控制设计，在中板满足规范要求的前提下，外边板可直接利用；对于内边板，因为该类桥型原设计多采用波形护栏底座宽度为1 m，改扩建过程中一般需将内边板拆除，更换为宽度0.5 m的钢筋混凝土护栏，可认为内边板不控制设计；《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）对单车道横向分布系数进行了修正，中板支点位置处横向分布系数有所增长，且中板占比较大，因此需将中板作为改扩建拼宽利用主要结构进行极限承载能力验算。

表2 旧桥既有外边板横向分布系数

表3 旧桥既有内边板横向分布系数

表4 旧桥既有中板横向分布系数

2.2 考虑整体化层作用的梁板极限承载能力计算

早期设计的桥梁，通常将铺装层作为二期恒载施加在桥梁上，铺装层内单层φ8的钢筋网一般贴底放置，对结构承载力贡献较小。近年来，随着人们对桥梁结构受力认识的不断深入，对于铺装层参与受力的研究越来越多，为增加空心板梁桥的整体性，减少由于车辆荷载导致的单板受力现象，近几年设计的板梁桥铺装层厚度有所增加，新建桥梁厚度多为15 cm，改扩建桥梁的铺装层厚度在15～20 cm之间，并布设双层钢筋网。

在横向分布计算的基础上，针对8～20 m空心板梁桥进行极限承载能力验算，考虑不同铺装层厚度参与受力情况见表5～表9。分析可知，在不考虑铺装层作用的情况下，桥梁的极限承载能力不能满足现行规范［3］要求，跨径越小，差值越大，这与新规范增加小跨径桥涵的集中荷载作用有直接的关系，随着铺装层厚度的增加，结构受力有了明显侧提升，8 m跨径板梁桥的承载力增幅达30%，使结构的受力能够满足现行规范［3］的要求。

表5 8 m中板极限承载能力对比

表6 10 m中板极限承载能力对比

表7 13 m中板极限承载能力对比

表8 16 m中板极限承载能力对比

表9 20 m中板极限承载能力对比

3 结语

对不同铺装层厚度下8～20 m板梁桥极限承载能力研究表明，不考虑铺装层作用下，桥梁的极限承载能力均不能满足现行规范的要求；将铺装层及铰缝作为附加截面参与结构受力时，结构的极限承载能力有了大幅的提升，尤其对小跨径桥梁，增幅达30%以上，使结构的极限承载能力能够满足现行规范要求。在保证铺装层及铰缝质量完好、铺装层与梁板之间界面粘结可靠的情况下，可以根据梁板的运营状况综合考虑此部分贡献值。