地面桥梁拓宽薄型梁设计

尹成章

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

0 引言

随着社会的发展，城市化进程加剧，城市交通量不断增长与道路通行能力不足的矛盾日益突出，道路拓宽建设已经成为已建道路缓解通行压力的一种必然选择[1]。桥梁作为道路的重要节点工程，桥梁拓宽便成为了道路拓宽的重中之重[2]。本文以上海市某市政道路地面桥为依托，在考虑市政道路各种边界条件约束的情况下，采用薄型梁结构对地面桥梁进行拓宽，从而既满足桥梁结构受力和舒适性的需求，也满足道路总体功能上的需要。

1 概述

1.1 工程概况

上海市某快速化工程由主线高架及地面辅路组成。主线高架为城市快速路，地面辅路为城市主干路，荷载等级均为城-A级，其中地面辅路道路总体布置为：4.25 m（人行道）+11.00 m（车行道）+7.25 m（侧分带）+15.50 m（车行道）+6.25 m（侧分带）+11.00 m（车行道）+5.25 m（人行道）=60.50 m。道路沿线跨越某河道。该河道存在现状地面桥梁1座，现状桥梁分孔布置为10 m+10 m+10 m。桥梁分为左右2幅，单幅桥梁宽度为16.7 m，2幅桥梁之间距离为7 m，桥梁横坡为2%，桥梁上部结构为空心铰接板梁。现状桥梁跨中梁底标高为5.20 m。根据道路总体布置，须对该地面桥梁进行改造拓宽，新建拼桥分为左、中、右3幅桥梁，新老桥梁原则上墩位对齐。新老桥梁拓宽原设计横断面见图1。

图1 新老桥梁拓宽原设计横断面（单位：mm）

1.2 约束条件

（1）根据精确物探报告，现状220 kV超高压管线（下述“该管线”）穿越该道路，并与该道路斜交。该管线与右幅拼桥Pm1桥墩位置冲突，管线搬迁困难，右幅拼桥Pm1墩须拆除，桥梁分孔布置由3跨调整为2跨；右幅拼桥（跨径调整）采用薄型梁结构。薄型梁立面图、超高压电力管线位置见图2、图3。

图3 超高压电力管线位置

（2）根据《上海市跨、穿、沿河构筑物河道管理技术规定（试行）》（沪水务（2007）365号），为满足河道保洁、疏浚等维护管理作业船舶通行要求，该地跨河桥梁梁底高程应不小于4.80 m。

（3）主线高架桥墩为避让该管线，墩位落在左幅现状桥梁桥台处，左幅现状桥梁须拆除。避让管线后的桥梁横断面图见图4。

图4 避让管线后的桥梁横断面图（单位：mm）

（4）拼桥设计原则为新老桥伸缩缝对齐，与老桥采用相同的跨径。

（5）拼宽桥梁处总体标高服从原有桥梁标高，横坡服从原有桥梁横坡；拼宽桥梁标高控制应采用使新老桥顶部对齐原则，其余如支座垫块标高可根据实测调整[3-4]。

（6）若对老桥进行整体抬升，则桥梁须整体抬高35 cm，下部盖梁须垫高加固，上部结构须拆除重建，同时会影响该桥梁两侧800 m范围内的道路设计。此方案对工期影响大，费用增加多，方案可行性被否定。

在地面拼桥主梁顶、底高程受限，且右幅拼桥跨径增加的情况下对地面桥梁进行拼宽，须采用特殊结构形式进行处理。由于左幅及中幅拼桥为常规结构（跨径未调整），右幅拼桥（跨径调整）采用薄型梁结构，本文仅对右幅薄型梁结构（见图2）进行分析研究。

图2 薄型梁立面图（单位：mm）

2 方案设计

（1）对现状老桥进行外观病害检查和承载能力验算，桥梁评定等级为2类，桥梁有轻微缺损，对桥梁使用功能无影响。

（2）拆除左幅现状老桥，根据道路总体布置，新建左幅桥梁（为独立结构，不存在拼接）；新建中幅及右幅拼桥，与右幅现状老桥拼接。

（3）新建左幅、中幅桥梁跨径与老桥保持一致，分孔布置为10 m+10 m+10 m；为避让该管线，右幅拼桥取消Pm1桥墩，桥梁分孔布置调整为20 m+10 m。

（4）为控制梁底高程，右幅拼桥上部采用薄型梁结构，即钢板梁结构，梁高为800 mm，桥面铺装为60 mmUHPC+5 m同步碎石封闭层+40 mm沥青混凝土，桥面顶板设置剪力钉与UHPC连接；右幅拼桥车行道位置横坡设置为2%，人行道位置横坡为0%，人行道与车行道边界设置变坡点，此时右幅拼桥最低点梁底高程为4.81 m。

（5）为增加右幅薄型梁刚度，主梁采用“密梁”结构形式，腹板共6片，腹板间距1.5 m。新老桥拼接处挑臂长度0.815 m，非拼接处挑臂长度1.395 m，桥梁总宽度9.71 m。薄型梁方案设计见图5。

图5 薄型梁方案设计（单位：mm）

（6）考虑到新老桥拼缝在Pm1墩位置会产生沉降差，新老桥拼缝结构不连续，采用D80型钢伸缩缝连接，以适应其变形。老桥挑臂位置凿除部分混凝土，补充预埋钢筋后再浇注，混凝土浇注之前，须对老桥板梁-臂进行凿毛处理。

（7）每片钢梁总长约30 m，长度较短，质量较轻，采用整体吊装的施工方案。

（8）调整道路总体布置，新老桥拼缝处采用实线划线，两车道在拼缝处隔开，严禁车辆跨越。

（9）拼桥设计以老桥设计图为依据，地面桥梁施工前，应将既有桥梁的平面位置和尺寸及各结构物标高进行复测，若实测结果与图纸不符，应依据实际情况作相应调整，以保证桥面接顺。

3 力学分析

采用Midas三维模型（见图6）进行力学分析，结果如下：

图6 Mida s三维模型

（1）右幅拼桥与道路中心线斜交，若每个墩位均采用6支座，2边墩会产生负反力，故在2边墩采用2支座，中墩采用6支座。

（2）钢结构跨径布置为20 m+10 m，2跨钢结构跨径分配不合理，大桩号边支座负反力较大须压重，故在靠近大桩号桥墩位置附近，将上部结构做成闭口式箱梁，箱梁梁高调整为1.3 m，长度为2.98 m，变高及加高位置均在河道蓝线以外（见图2）。为增加桥梁安全系数，该位置支座设置为抗拉支座。

（3）基本组合下纵梁最大正应力为129 MPa，最大剪应力为72 MPa；边墩横梁最大正应力为95 MPa，最大剪应力为62 MPa。应力有较大的储备，满足《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）的要求。

（4）钢梁在活载作用下的最大挠度为1 cm，挠度较小，满足《公路钢结构桥梁设计规范》的要求。为了考虑与老桥接顺，钢梁只设置恒载作用下的预拱度，加工时要求与老桥竖曲线匹配。

（5）钢梁的1阶竖向自振频率为4.13 Hz，大于3 Hz，满足《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69—95）的要求。

（6）钢梁桥面板剪力钉采用短剪力钉φ10 mm×40 mm形式，剪力钉布置间距为200 mm。经计算，剪力钉个数满足《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917—2013）的要求。

4 结 语

（1）新老桥梁拼宽时，原则上应保证新建桥梁的结构与老桥一致，包括跨径、结构形式等。当受到边界条件约束，结构上无法保证统一之时，须控制新老桥挠度差在合理的范围内。

（2）新老桥拼宽加固之前，须对老桥进行外观病害检查和承载能力验算，进而对桥梁的真实情况作出准确的判断。

（3）在桥梁主梁顶、底高程受限，需要降低梁高时，薄型梁结构因其刚度及强度可控、梁高较低，将成为地面拼桥结构中较为合适的选择。

（4）在拼接桥梁设计过程中须充分考虑老桥能否适应新的荷载标准，在保证拼接桥梁安全和使用功能的同时，还须保证新老桥梁的有效连接。本工程采用新老桥结构不连接的方式（D80型钢伸缩缝），控制新老桥变形差；同时道路实体划线，严禁车辆跨越，能有效防止新老桥因变形差产生的裂缝，保证行车的舒适性。