改扩建工程中的桥梁拼宽设计研究

熊锋

（江西省赣南公路勘察设计院有限公司，江西 赣州 341000）

0 引言

在我国经济社会迅猛发展的背景下，部分早期完成建设的高速公路已经跟不上现阶段的车辆通行以及运输能力需求，特别是在部分四车道高速公路中此现象尤为明显。由于高速公路的通行能力和服务质量逐渐跟不上市场经济发展的需求，导致高速公路出现安全事故和矛盾的概率不断提高，对经济社会的发展以及城乡建设的需求造成了一定的影响，实施高速公路改扩建工程已经是交通基础设施建设中迫切需要解决的问题之一[1]。在公路工程项目中，桥梁是重要组成部分之一，因其施工难度大、建设成本高以及部分地区占比高的显著特点，已经成为高速公路改扩建工程中的重点、难点环节。

1 改扩建桥梁特点

1.1 新、老桥设计标准不一致

在《高速公路改扩建设计细则》(JTG/T L11—2014)的相关要求下，旧桥梁进行拼宽扩建施工后承载能力须满足现行的荷载需求条件。在旧桥的拓宽工程项目中，“老桥老标准，新桥新标准”是桥梁拓宽设计必须遵循的原则，其中原桥的荷载等级按《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—89）中既汽-超20、挂-120 的标准执行；拓宽部分的荷载等级按公路-Ⅰ级的新标准执行。

在桥梁的拼接设计方案中，原桥梁以及拼接部位和完成拼接的桥梁整体需要完成结构分析和验算流程，通过老标准完成原桥梁的相关评估工作；同时参照现行的荷载标准进行承载能力极限状态的计算评估工作，对于不符合荷载标准的环节需要及时加固处理[2]。

1.2 新、老桥使用寿命不一致

在旧桥改扩建行业不断发展与完善过程中，新的耐久性设计规范得到了大力推广与普及，使桥梁的设计使用年限和材料耐久性指标，以及环境类别和防腐蚀附加措施等规范得到了不断完善与优化，混凝土结构的耐久性也面临着更大的挑战。此外，由于新旧桥在使用寿命上不一致，在老桥经过一段时间的服役后，在耐久性和经济性方面需重新进行评估分析，以便于更加客观地重新评估旧桥的服役时间。

1.3 新、老桥存在收缩、徐变差

在混凝土的固有性质中，收缩和徐变现象是不可避免的，特别是在超静定结构和刚度较强的结构中，收缩和徐变的效果越明显。因此，在设计过程中必须重视混凝土收缩和徐变有可能引起的相关影响。在服役多年的旧桥中，收缩徐变现象基本上已经定型，而拼宽桥的收缩徐变仍处于发展状态，桥梁的整体结构会由于收缩和徐变程度的不一致产生内力，最终使新、旧桥各自的应力状态受到相应的影响。

1.4 新、老桥存在沉降差

基础变位属于永久性作用，需要对桥梁拼接后的正常使用极限状态和承载能力极限状态进行综合考虑，尤其是在多跨一联或刚度大的超静定结构中受到的影响是比较大的，新旧桥在完成横向连接后横向沉降差和纵向沉降差是同时存在的[3]。

2 连接方案

在现阶段的桥梁拼接方案中，主要包括以下三种。

2.1 上下均不连（分离式加宽）

优点：新旧桥的拼接施工难度小，各部分受力情况比较明确，在交通组织能力以及建造成本上均具有一定的优势。

缺点：桥梁的整体性桥架，容易出现新旧桥之间错台的情况，对车辆通行的舒适性以及桥梁的美观性有所影响，另外还会加大养护维修的成本。该连接方案在执行之前需要对老桥完成工作缝的预留工作，通过沥青层来连续摊铺，也可以在新、旧结构间设置一条纵缝，或者通过钢板包边及纵向伸缩缝的设置等，都是在早期的改扩建项目中得到一定应用经验的方案。由于国内的小跨径桥梁应用柔性桥面的占比很高，导致纵缝两侧桥面的位移差比较大，存在病害的情况比较严重。

2.2 上下均连

优点：受力均匀，整体性和抗变形能力较强，对于车辆通过的舒适性比较有优势。

缺点：存在较大的附加内力，容易导致裂缝的形成，造成维修困难、使用功能下降的局面。该连接方案只能应用在地质条件较好的区域，才能使新旧桥之间的不均匀沉降现象得到有效缓解。

2.3 上连下不连

优点：该连接方案在实现桥梁结构性能以及施工难度上都比较有优势，主要利用先进的管控措施来减弱新建桥梁的桩基沉降情况，从而控制整体的沉降差。该连接方式是现阶段高速公路中的桥梁改扩建工程中的主要连接方案，在沪宁高速和杭甬高速，以及南京浦珠路都有广泛应用，并在通过改扩建通车后的观察中得到了较好的应用成效，目前，上连下不连方案是高速公路改扩建工程项目中的主流方案。

3 结构形式

在新旧桥梁的上下部结构形式的设计原则应围绕便于拼接施工和减少沉降差开展，确保新、旧桥梁之间的受力情况和温度变形得到协调控制。在上部结构形式中应以新旧桥一致的原则进行，在条件允许的情况下可适当对新桥结构的刚度进行加强，通过新桥受到荷载压力的情况下可以更多地承担压力，从而改善老桥的结构受力情况，延长老桥的使用寿命以及性能完整，在常规的桥梁各类预制结构中，改造更新后的新桥在结构刚度上均呈现高于老桥的情况。在下部基础结构中应优先考虑桩基础方式，在设计方案中可以通过增加桩长的方式来减小基础沉降所带来的影响，桩基优先使用嵌岩桩设计方式，如果有摩擦桩设计使用需求的，持力层应优先采用强风化或全风化岩进行设计，不宜采用黏土层的设计方式；扩建桥桩基的沉渣厚度，原则上控制在5cm 以内，嵌岩桩不能超过3cm。拼宽桥的桥台结构形式选用，应综合考虑经济性和安全性等因素，在土方的开挖量上应尽量控制，并结合原桥台的结构形式最终确定拼宽桥的桥台结构形式，在拼宽桥桥台的结构形式中，柱式台、座板台和薄壁台都是比较适宜的结构形式，在填土高度＜5m 时柱式台和薄壁台的应用是比较适宜的，而当填土高度＞5m 又不超过12m 时，则更适宜采用座板台的结构形式[4-5]。

4 工程案例

此次探讨研究的拼宽桥项目为位于江西的某桥梁工程，该桥的老桥在老规范的要求下完成设计施工，并于2009年竣工交付使用。桥跨主要应用3×16m 的配置，应用预应力混凝土简支空心板来建造上部结构，桥台处进行了9.2m 的填土处理，下部结构桥台主要由肋板式桥台和扩大基础构成，在基础持力层上选择了弱风化灰岩，桥墩则采用了柱式墩、桩基础，桥面的宽度达到了26m。该桥的地质结构情况较为简单，不存在较厚的覆盖层，持力层为常见的弱风化灰岩，也没有溶洞的情况，老桥的桥型立面图如图1所示。

图1 老桥桥型立面图

为了达到现阶段的桥梁通行需求，需要在老桥左侧进行4.25m 的拼宽施工，使拼宽后的桥面达到30.25m 的宽度。在刚度一致和方便拼接施工的原则要求下，在上部结构中，扩建桥采用了跨径与老桥同等规格的空心板，一般情况下会设3 块空心板，因新旧桥的荷载标准差异，新桥的空心板比老桥的刚度要大。由于老桥在桥台处进行了较大高度的填土，因此需要应用座板台的结构形式来进行新桥台的施工，从而起到降低工程造价与施工难度的目的，还能降低拼宽桥台在开挖过程中影响到老桥锥坡的稳定性。同时，桥台采用桩基础来缓解新旧桥之间的不均匀沉降情况，桩基采用嵌岩桩设计；桥墩则采用柱式墩、桩基础的形式施工，拼宽桥的具体桥型图如图2、图3所示。

图2 拼宽桥桥型立面图

图3 拼宽桥桥型立面图

该桥具有桥台填土高度高的特点。通过分析研究决定采用上部结构连接，桥墩分离，桥台连接加宽的方式进行施工。该项目采用翼缘连接的拼接方式上更加合理，在上部结构的部分整体化层凿除后，再进行边板悬臂的后植筋施工，最后采用C50 规格的补偿钢纤维混凝土完成新老空心板整体化层和接缝的浇筑施工。空心板拼接大样图见图4。

图4 空心板拼接大样图

桥墩需要独立完成施工；在桥台完成原盖梁耳墙的凿除后，再进行背墙侧面和台帽的植筋施工，并进行加宽台帽的湿接施工；将台后伸缩装置原预留槽内混凝土凿除，对型钢装置进行焊接加宽，更换新的橡胶条，之后连接台后搭板与原搭板的植筋。在空心板的支座完成安装架设后进行桥面现浇层的施工，并完成外露钢筋的防腐措施及桥面现浇层的浇筑。为了控制混凝土收缩徐变的影响、消除基础沉降现象，需要静置6 个月。在原设计方案中，接缝混凝土强度未达标只能实现半幅通车，而邵永高速公路的通行压力非常大，业主要求在确保质量与安全保障的前提下实现双向四车道的通行能力。该桥梁拼宽项目通过借鉴沪杭甬拓宽工程的成功经验，通过Ⅰ22 的工字钢夹具实现新旧梁板在拼接位置完成了体外的刚性连接措施，荷载在该刚性连接下得到有效传递，实现了湿接缝混凝土在浇筑过程中变形连续的需求，使混凝土的施工质量得到了有效保障，具体施工方法如图5。

图5 刚性连接断面图

5 结语

通过对高速公路桥梁的拼宽改扩建项目进行深入的研究与探讨，并对其中的特点与难点进行了分析总结，为现阶段工程实践中在桥梁上下部结构拼接方案中通过优缺点和结构形式特点合理选择设计方案提供了参考方向，并以邵永高速蛇湾中桥拼宽桥为目标进行了实例分析，对拼宽桥梁的设计思路及施工方案以及如何有效解决施工期间的保通问题做了具体研究，为我国后续的相关类型工程提供学习和发展的经验。