山区桥梁拓宽设计要点分析

2021-06-29许明举

运输经理世界 2021年31期

关键词：拓宽新旧桥梁

许明举

（江西省赣南公路勘察设计院，江西赣州 341000）

0 引言

桥梁拓宽工程作为一项复杂性工程，在拓宽设计阶段必须要了解桥梁拓宽的设计原则，而后对常用的设计方法进行分析。按照拓宽工程项目的实际情况合理地选择设计方式并且对设计过程进行全面管控，这样才能够将设计效果发挥出来。

1 桥梁拓宽的基本原则

在桥梁拓宽设计时，应该按照如下原则进行设计：

一是拓宽设计环节，应该综合分析拓宽结构的沉降控制。如果拓宽结构沉降尺寸缺乏合理性，容易导致拓宽接缝的结构力学性能很差，无法达到规定的使用标准要求，也会影响桥梁的运行效果。因此，拓宽设计阶段，需要选择切实可行的应对措施，以消除新桥的沉降问题，提高安全性。

二是拓宽设计施工中，要保证交通和周边环境不会发生任何的问题。因此，在拓宽设计阶段，要综合分析外部影响因素，避免外部环境产生不利影响。

三是拓宽设计阶段，拓宽结构要和旧桥达到一致性的要求，桥长、结构和跨径尺寸保持完全一致，根据旧桥情况和交通状况进行设计，确保新旧桥梁的连接性能合格。

四是拓宽设计时，应该综合分析接缝位置可能产生的影响，确保新旧桥梁的结构在受到荷载的影响时变形协调一致。

五是拓宽设计时，选择合适的施工工艺和技术尤为重要，要明确施工流程，保证接缝结构的质量合格。

六是桥梁拓宽后必须达到交通运行标准，强度、承载性能都符合要求，所以在设计上应该优于旧桥，性能更加优越[1]。

2 桥梁拓宽设计的常用方法

2.1 单边、双边新建桥梁

单边新建桥梁是拓宽的重要施工方式之一，在原有桥梁不能达到交通运行标准的条件下，应该适当地增加桥梁的通行宽度，以保证通行能力。如果原桥梁的交通运行不可中断，就不能进行原桥梁结构的直接拓宽施工。此时，可以选择应用单边新建桥梁的方式进行施工，在旧桥梁一旁建设新桥梁，可以缓解交通通行的压力，促进桥梁通行能力的提升。单边新建桥梁的方式应该在不影响原桥梁通行能力的前提下开展建设施工，并且不会和原桥梁产生接缝的问题。双边新建桥梁是在原桥梁两侧建设新桥梁的形式，达到拓宽的效果。应用上述哪种桥梁建设方式，应该从拓宽功能、拓宽形式以及建设条件方面选择[2]。

2.2 增设悬臂挑梁

增设悬臂挑梁的方式比较简单，可以满足桥梁拓宽的要求。在保证桥墩、承台等不会产生损坏的情况下，通过对上部承载结构做出调整，保证加载满足要求，达到拓宽标准。与此同时，还要拆除桥梁两侧的人行道栏杆，将上铺层机构凿除，重新铺设到加固合格的桥面上，在人行道上设置悬臂梁、行车道上设置悬臂板的结构，重新安装人行道栏杆，达到拓宽的效果。该方式应用到拱式或梁式桥梁运行效果良好，一般会选择两侧拓宽的方式，且不需要拓宽桥墩，施工量较小，施工质量水平较高，应用效果良好，加宽部分的要求比较低，可以达到交通通行标准。

2.3 增设主梁

增设主梁的拓宽施工方式对于提升旧桥结构的承载性能方面有一定的帮助，增加的主梁刚度应该超过旧桥梁主梁的性能，保证原桥梁横向分布系数减小。

2.4 桥梁拼接

桥梁拼接是目前比较常见的桥梁拓宽施工方式，具体包含新旧桥梁上下结构连接、上下结构不连接、上部连接这几个方面。其一，上下结构连接的桥梁拓宽施工方式，能够保证新旧桥梁结构的整体性合格，最大限度减少连接部位的形变问题，但是在上下结构都进行连接的情况下，因为新桥结构沉降不稳定，会导致内力增加，发生裂缝的问题，给拓宽结构施工质量产生不良的影响，而且在荷载持续作用下，因新旧主梁结构存在差异，且两桥梁的沉降方面也有不同，导致铺装层结构的损坏，影响桥梁的运行安全性。其二，上下结构不连接的拓宽施工方式，新旧桥梁的结构是分离设置的，新桥梁具备一定的独立性，防止新旧桥梁之间发生相互作用，不会因为新桥梁结构沉降不稳定而影响整体桥梁的稳定性。其三，上部连接的形式，只连接桥梁的上部结构，下部不进行连接，上下结构采用分离的设计方式，避免上部结构对下部结构产生过大的影响，但是沉降问题也容易造成上部结构内力增大，产生质量隐患，给车辆运行安全性带来不利影响[3]。

3 工程概况

某桥梁项目已经无法满足交通运行的要求，必须进行拓宽施工才能满足使用的需要。根据技术人员的现场勘察和分析，确定桥梁拓宽改造工程的方式是将原有桥梁的护栏等附属结构拆除，左右两个方向各拼宽3.5m，单侧可以增加交通通行能力，保证新桥和原桥梁结构形式保持一致性。上部结构应用的是30m 后张预应力空心简支梁，下部则设计为柱式墩的形式。设计荷载完全满足交通通行需要，跨越铁路的运行安全性也符合要求。

4 拓宽方案比选

横向连接是桥梁拓宽设计要重点考虑的方面，不同横向连接结构的传力形式方面有很大的差异，内力分配也会明显不足，所以桥梁建设完成后运行效果有很大的差异。在比较常用的横向连接方式中经过比对分析发现，这几种方式应用到该桥梁拓宽施工中，都有一定程度的缺陷。

其一，上下结构不连接的形式会有明显的技术问题，在汽车荷载的作用之下无法实现协调变形的效果，下部结构的不同沉降差等问题容易导致桥梁铺装层结构损坏，对于桥梁运行安全性和稳定性产生不利的影响。

其二，上下结构连接形式的整体性能较好，但是因为新旧徐变上有明显差异，新桥容易出现附加内力过大的情况，桥梁结构整体处于受拉状态，上下结构的性能无法满足要求。

其三，上部连接的方式内力过大是普遍存在的问题，结构损坏的问题也较为严重。在该案例的桥梁项目拓宽设计环节，综合以上几种拓宽施工方式的优缺点，最终选择使用上下结构连接的形式，保证桥梁结构的运行效果和质量，符合工程的运行标准。具体设计方案就是下部结构应用半刚性连接的方式，避免下部结构给上部结构受力造成负面影响，上部结构施工要避免受外力作用，保证新旧桥梁的变形协同一致，防止上部结构的损坏。

5 桥梁拓宽设计的分析计算

新旧桥梁的横向连接结构制作为整体的结构形式，可以同时承受桥面荷载的作用，可以达到承载极限的要求，满足极限状态的运行需要，但是新旧桥梁的结构设计时序是不同的，需要选择不同的计算标准，以保证结构设计参数符合运行的要求。根据以往的设计计算经验，在拓宽之后的整体结构设计标准选择上，需要遵循的原则是实用性原则，即原桥原标准、新桥新标准。在实际的设计中，对于新建设的桥梁要根据新的标准和规范进行设计；对于旧桥的承载性能要达到最新的设计要求，但是极限状态的参数设计只需要达到原设计标准即可。

在设计计算时，主要从下述几个方面进行：一是原桥梁结构的整体性计算分析；二是拼接之后的旧桥进行整体性的计算；三是拓宽结构部位的节点进行验算和分析；四是下部基础结构的沉降情况验算。在实际的计算过程中，严格做好下述几个方面的计算工作：一是新建设的桥梁部分，使用预应力混凝土结构形式的桥梁，其收缩徐变可能给原桥梁结构造成影响。二是新建设的桥梁结构基础沉降量对于原桥梁结构所形成的附加内力作用。三是拓宽桥梁部分的错孔部位的设计，特别是三向预应力混凝土箱型桥梁的形式。在计算分析的过程中，要随时关注和了解桥梁结构特性、边界条件、新旧桥梁拼接方案的效果等。桥梁的拓宽改造设计环节，基础沉降是重要的技术指标，必须展开全面的分析和研究。按照以往的实际经验，新旧简支梁的基础沉降差不能超过5mm，新旧连续箱梁的基础沉降差不能超过10mm。在设计方案确定时，可以根据5mm 的标准进行验算分析，错孔设置的桥梁基础结构的沉降差必须控制在5mm 以内。对以上各项允许偏差应该做好全面的控制，这对于新旧桥梁的拼接施工效果有着直接的影响，也会关系到桥梁的使用寿命，必须加强管理和控制，以确保桥梁工程的质量合格，这对于项目施工效果的提升有着积极的作用[4]。

6 拓宽方案连接设计

在桥梁拓宽设计环节，桥梁后期容易发生比较严重的沉降问题，进而导致新旧桥梁之间发生沉降差问题，造成盖梁以及铺装层结构的损坏。为了防止发生这些问题，应采取下述措施。

第一，增加桥梁结构桩径，提高结构性能，防止发生不均匀沉降问题。结合桥梁施工地点的实际情况，原有桥梁以及新建桥梁都使用摩擦桩桩基的形式。原有桥梁桩径为1.2m，新建桥梁结构的直径设计为1.4m。增加桩径的设计方式可以保证结构承载性能以及单侧摩阻力符合要求，完全能够满足桥梁运行安全性的要求。假设原有桥梁结构已经达到稳定沉降的标准，不会再发生沉降的情况，一般来说进行结构处理时，保证新建桥梁结构的沉降之和在5mm 以内，这样就会保证新旧桥梁沉降差控制在5mm 以内，达到结构运行性能和标准的要求。

第二，通过使用半刚性连接方式，以减小新旧盖梁附加内力。新旧盖梁的悬臂应用植筋的方式连接形成整体结构，同时在盖梁结构内直接埋设传力钢梁，避免因为混凝土表面存在过大的应力而出现拉裂的情况。盖梁之间可以传输剪力，并且能够传递弯矩。为了避免因为不均匀沉降而导致的下部结构开裂的问题，需要预留2mm 的沉降缝。新旧盖梁在沉降差的作用之下，传力途径比较明显，变形是协调一致的，还能够预防形成过大的附加应力，不至于损坏结构的性能。但是这种设计方式对于外露钢筋的防腐蚀性能要求较高，采取必要的防腐蚀措施尤为重要。之后，设计在缝隙内填充微膨胀混凝土进行钢筋保护，实现盖梁结构半刚性横向连接。

第三，新旧桥梁纵向连接是拓宽设计的难点，桥面铺装纵向裂缝是桥梁拓宽施工的常见病害问题。无缝弹性伸缩缝铺装的方法，可以解决这些问题。弹性伸缩缝被大量地应用到实际中，进行桥面结构的保护与管控。在施工中，通过该技术进行新旧桥梁的铺装层连接作业，形成完善的整体结构形式。沥青混合料路面的弹性性能良好，适应性较好，结构可达到无缝连接的要求，弹性性能可以吸收振动与变形，保证结构达到正常运行的标准[5]。

7 新旧桥梁基础沉降差

桥梁拓宽拼接之后，新旧桥梁之间所出现的基础沉降差是每个设计人员必须要考虑的问题。在目前的桥梁拼接施工结束后，新桥的基础沉降会立即开始，而旧桥经过长期的运行，其基础的沉降已经基本上处于完成的状态，如果这时新桥的基础结构沉降性能比较差，容易导致沉降量过大的情况，会给整个桥梁的结构性能造成不利的影响。如果拓宽施工的桥梁出现了新旧桥梁基础沉降差过大的情况，会使桥梁结构变形量加大，主要是在新桥主梁、拼接缝、旧桥主梁的竖向方向发生变形的问题。因为混凝土结构的抗压强度要明显小于抗拉强度，所以沉降差出现之后，容易导致横向拉应力过大的情况，一旦沉降差超出了混凝土抗拉强度的极限，即会造成新旧桥梁的连接处发生裂缝，导致主梁混凝土开裂或者支座脱空。在桥梁的运行中，发生上述裂缝问题后，雨水会逐步渗入桥梁结构内部，造成钢筋腐蚀、膨胀等，进而导致桥梁损坏，影响正常的交通运行。从实际情况出发，桥梁的基础沉降发生、发展的时间比较长，影响的因素也比较多，在分析新旧桥梁基础沉降差对于桥梁产生的影响时，应该首先要了解沉降发生的规律，并且根据相应公式计算确定基础沉降值参数。目前的桩基础沉降值应该从基础最终沉降量、基础沉降随时间变化等方面出发进行分析，主要计算方式有理论公式法与数值分析法等。为了能够有效减小基础沉降差，在桥梁拓宽设计中，要从下述两个方面出发：其一，拓宽拼接的过程中，选择分离式的桥梁上部结构；其二，新桥基础结构处理中，保证沉降量控制在合理的范围内，不会超出规定的标准。从实际应用效果分析，采取上部分离式的拓宽桥梁设计形式，其整体性较差、挠度差、美观性不足。因此，目前广泛应用的桥梁拓宽形式是能够有效减小沉降差的施工形式，以保证拓宽后的桥梁性能合格、运行安全。