高速公路拼宽桥梁的设计及实践

2022-04-26钟万林ZHONGWanlin

价值工程 2022年16期

钟万林 ZHONG Wan-lin

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司上海综合院杭州分院，杭州 310051）

0 引言

近年来我国经济快速发展，交通行业取得巨大跨越。很多公路桥梁运营中需要不断进行养护维修，需维修桥梁中高等级公路桥梁约占35%。由于国民对交通出行需求快速增长，现有公路难以满足发展要求。桥梁涵洞等公路构造物设计施工是重要的环节，如何保证桥梁拼接后安全是改扩建工程的难点。目前现行公路改扩建方式分为一侧与双侧拼宽，桥梁拼宽是关键分项工程，对现有桥梁拼宽需对旧桥进行加固。采用恰当的加固措施可以增加原有桥梁使用寿命，满足交通运输量的需求[1]。桥梁贫困易出现各种问题，如旧桥易出现不均匀沉降等。研究桥梁拼宽设计具有重要意义。

1 高速公路拼宽桥梁设计研究

1.1 国外相关研究

70 年代乌克兰学者通过理论结合实验方法进行桥梁结构扩宽研究，目前国内外学者对扩宽桥梁新旧桥梁接缝受力情况进行大量研究。1978 年白俄罗斯开始研究公路桥梁拓宽问题，对小跨径桥梁拼接中大部分新老构件连接[2]。40 年代后美国对高速公路开始大规模改扩建。桥梁拓宽通常拆除老桥上下部，利用新建一幅通车，仅增加宽度桥梁对原桥进行同结构加宽[3]。日本是地震灾害多发国家，需对原桥直接拼接加宽处理时上下部结构为连接，预应力砼连续箱梁施加横向预应力结构不连接。

1.2 国内研究现状

90 年代初我国经济迅速发展，高速公路成为人们主要的交通选择[4]。桥梁扩宽工程设计中关键是处理新旧梁体的连接，桥梁体截面形式不同，合适的扩宽形式影响桥梁整体质量。随着桥梁扩宽研究深入，设计施工日益成熟。但对关键部位接缝受力问题不充分，国内部分学者对桥梁不均匀沉降影响，不中断交通施工等进行理论实验研究。

2014 年中国成为全世界高速公路里程第一的国家。高速公路建设为我国社会经济发展起到促进作用，既有道路无法满足交通量增长需求[5]。对未达到设计年限的既有桥梁采用拆除重建方案不符合可持续发展原则。自70 年代后旧桥加固技术成为改造重要课题，我国形成成熟的旧桥测评体系，旧桥可以在测评基础上加固利用。高速公路常见桥梁多为预应力砼桥，需保证新旧桥梁有效连接。《公路工程技术标准》提出新建桥涵应满足现行设计标准要求，拼宽桥涵进行测评满足设计荷载标准要求[6]。《高速公路改扩建设计细则》围绕技术标准采用，改扩建方案选择等方面总结实践经验，针对桥梁拼接缝尺寸形式等作出规定。

2 高速公路改扩建桥梁构造形式

随着我国经济的跨越式发展，沿海地区完成大批高等级公路扩建拼宽工程[7]。由于大规模桥梁拼宽项目近几年兴起，桥梁拼宽连接技术有待研究。部分高速公路建设由不同低等级公路连接改造为专用公路，部分发达地区高速公路沿线城市化进程加快，原道路由于受技术标准等因素遗留较多问题[8]。由于旧桥运营时间长，桥梁扩宽形式多样，桥梁扩宽部分结构类型选择复杂。

2.1 公路桥梁扩宽形式

桥面扩宽是由于公路等级提高提出，公路桥梁改造要求主干线公路桥梁载重能力达到II 级标准。干线公路桥梁达到公路II 级荷载标准，跨径小的桥梁要求与路基同宽，桥面行车道拼宽应考虑加宽桥梁对加宽路基路面工程技术合理性问题。由于中小型桥梁拼宽工程量小，可根据路线技术标准确定。大中型桥梁主要考虑桥梁技术经济合理性，结构拼宽难度大的桥梁应采用单边加宽，桥梁结构整体性较高。此外需考虑地形限制等多种因素，桥梁拼宽方式结合实际综合比较分析作出合理的技术方案。

目前我国公路桥梁扩宽工程采用形式包括上下部结构连接等形式。施工中不需考虑新旧梁体连接问题，新旧部分受力相互独立，缺点是新旧部分形成受力体系，主梁发生过大挠度变形。扩宽方式造成桥梁寿命缩减，后期养护费用高等问题。我国现行广佛高速公路扩宽工程采用上下部结构不连接方式，桥梁铺装层出现破坏。上下部结构连接扩宽形式将新旧桥梁连接为整体共同受力，下部结构中桥台通过植筋等技术连接。优点是可以将新旧桥部分连接形成桥梁整体，缺点是新建桥梁基础发生不均匀沉降使连接处产生较大拉应力，不利于桥梁正常使用。上下部结构连接扩宽方式适用于桥梁基础较好地区，如软土地区桥梁基础易发生沉降不利于扩宽形式优势发挥。

2.2 桥梁上部结构横向扩宽拼接方式

当前国内外桥梁扩宽工程对上部结构横向连接方式有很多，主要形式包括桥面板刚性连接等。不设连接带常用构造形式包括新旧桥上部结构连接处预留缝隙，采用布设连接带方式可以解决啃边问题，桥梁扩宽工程使用不设连接带方法易出现车打滑现象。欧洲等地常用纵向伸缩缝连接对桥梁进行扩宽改造，我国广佛桥梁扩宽使用纵向伸缩缝，由于铺装面为柔性桥面未取得良好效果。

2.3 国内公路桥梁扩宽常用工艺

桥梁扩宽工程中选择加宽类型需要考虑地基等实际情况，需要分析挠度变化出现开裂等系列问题。通常采用与原桥结构一致的上部结构形式，近年来多条公路在扩建，实际工程中总结常用的拓宽方法。某T 梁常用连接方法是在新旧梁间现浇砼，T 扩宽工艺为拆除老桥外侧护栏，完成拼宽桥梁T 梁的横隔梁连接。用钢板连接T 梁横隔梁，完成新老T 梁间的直接连接。混凝土实心板连接在新旧桥空心板间设置纵向湿接头，新旧部分空心板桥面铺装砼一次性浇筑。空心板桥梁扩宽工艺为在老桥外侧边种植连接件，连接钢筋与新板预应力钢筋进行焊接。

3 新建梁体截面形式对桥梁整体性能的影响

3.1 荷载横向分布计算

桥梁计算是将复杂空间问题转化为平面问题。桥梁横向连接刚度大主梁分担荷载均匀。由于桥梁施工特点不同，钢筋砼梁桥采用不同的形式横向联系。常用的桥梁荷载横向计算法包括偏心压力法，修正偏心压力法等。杠杆原理法是将横向结构视为主梁断开；偏心压力法是将横梁视为刚度无穷大刚体结构。不同荷载横向计算法有不同假设，选择适当的计算方法对桥梁精确计算非常重要。

现浇砼纵向企口缝连接装配式桥适合采用绞接板法进行荷载横向分布计算，不同桥梁类型有各自适用方法，大小为单位正弦分布荷载p 作用力施加在第i 号板上，铰缝所受竖向剪力为gi，桥梁n 条板梁组成n-1 条铰缝。在断开铰缝存在等值的正弦铰接力，相邻板块铰接缝处竖向相对位移为零。单位荷载按横向不利位置布置在荷载横向影响线上，求得主梁在横向分布最大荷载比m，桥梁车辆荷载横向分布计算步骤是在得到荷载影响力曲线上移动车辆荷载寻找不利位置，选出荷载布置不利位置。为提高桥梁整体性会在预应力砼T 梁桥跨中设置中间横隔梁。偏心压力法计算作横隔梁板为无线刚度架设。

3.2 新建梁体刚度取值范围

以高速公路典型桥梁为例研究截面形式对扩宽梁桥性能的影响。选取某空心板桥进行分析，在既有桥梁基础上扩宽3.25m 形成新桥，扩宽部分的主梁为13-15#。T 梁桥为跨径25m 简支T 梁桥，1-5#梁为既有桥梁主梁，新旧部分主梁通过横隔梁连接。梁体采用C50 混凝土，新建梁体抗弯惯性矩采用0.8I，1.4I，1.8I，计算得每片梁荷载分布情况。将单位荷载施加在12#梁轴线跨中位置，对按不同刚度扩宽主梁模型分析。桥梁扩宽后计算主梁横向分布系数。

T 量横向分布系数计算旧梁抗弯惯性矩为I，新建梁体抗弯惯性矩采用0.5I，1.0I，1.5I，计算得每片梁荷载分布情况。桥梁扩宽后计算主梁横向分布系数，扩宽后桥梁原有部分主梁承担荷载降低。表明扩宽后新桥承担部分荷载，刚度比影响与桥梁截面形式有关。新旧梁体剪应力沿铰缝长度连续变化，根据调查行驶车列情况，参照高速公路典型空心板桥建立1:1 模型，新旧梁铰缝处剪应力随刚度比变化，刚度比小于1 剪应力增大。刚度相同新旧梁变形一致。过大刚度比提高接缝剪应力作用。

4 高速公路桥梁拼宽设计工程实践

某高速公路项目桥梁为主跨130 米连续钢构，桥梁采用单侧加宽方案，老桥为双幅单向行驶。采用双幅单向行驶桥易在中分带过渡段发生重大交通事故。大跨径桥梁拼接存在横向预应力，桥体连接后协同受力，墩顶等部位翼缘板受力模式不同，局部受力状态复杂。依托项目委托设计院对大跨径桥梁拼接课题进行研究，采用混凝土肋板等多种连接方式。项目设计采用荷载标准较低，经多年运行存在病害，需考虑旧桥承载能力满足现行规范要求，桥梁拆除重建方案论证。

4.1 桥梁拼接设计要点

①桥梁的拼接加宽应利用原有结构。桥涵拼接应在专项检测评价和现行规范荷载评估验算的基础上进行设计，即根据两者的综合评估结论确定加固与否，综合考虑交通组织等因素确定拼宽方式。

②桥梁拼接加宽采用上部构造连接，梁高应在满足规范要求下降低。

③桥梁设计应根据总体设计方案，结合原桥涵运营状况和评估验算结论，按利用原桥涵拼接。

④按照拼宽后的整体结构进行计算，结合检测评估报告，计算评估老桥上部结构、下部结构及基础的承载力，制定相应的加固措施，如果通过加固手段无法实现（或加固费用过高），应考虑拆除重建。

⑤拼接加宽的桥梁应注意桥路配合，左、右幅桥加宽须按各自对应曲率布置。原有桥梁的混凝土整体化层加铺厚度应根据路面加铺设计及梁板整体计算确定。

⑥拼宽部分下部结构类型与原桥宜保持一致，同时应满足新规范要求；拼接加宽桥梁下部构造的基础形式选择采用桩基础。

⑦拼接桥涵均须重点考虑新旧结构之间的整体沉降差对结构受力的影响。

4.2 空心板梁之间的拼接案例

空心板拼接方式通常采用的拼接方式主要有三种类型：铰接方式、桥面弱连接方式以及刚接方式。

以某高速公路设计方案为例，空心板梁拼接采用桥面弱接方式。采用切除老桥边板的翼缘混凝土，与老桥边板相连的新拼接桥的内侧边板翼缘后浇。预留翼缘钢筋，与老桥边板在切除部分植入的钢筋焊接，新旧边板翼缘采用现浇，从而完成老桥的拼宽工作。桥面弱连接方式祥见图1。

图1 桥面弱连接

4.3 预制T 梁之间的拼接案例

预制T 梁拼接方式通常采用的拼接方式主要有两种类型：铰接方式和刚接方式。其中，刚接方式又有多种形式，常见的有：新旧T 梁间采用整体现浇横隔板方式；旧T梁植筋浇筑横隔板，与拼接新T 梁横隔板湿接；新T 梁横隔板预制长度加长，与旧T 梁梁肋采用栓接。

以某高速公路设计方案为例，预制T 梁拼接新旧T 梁间采用整体现浇横隔板刚接方式。在旧T 梁植筋浇筑横隔板，与拼接新T 梁横隔板湿接的基础上，新建桥内边梁横隔梁高度范围内增设预埋钢筋。施工时先拧紧螺母，再立模浇筑横隔板砼。该种拼接方式祥见图2。

图2 新旧T 梁间采用整体现浇横隔板

表1 新旧梁铰缝剪应力

4.4 预制小箱梁之间的拼接案例

预制小箱梁拼接方式通常采用的拼接方式基本上与预制T 梁之间的拼接方式一致，主要以刚性连接和铰接这种方式。

4.5 现浇箱梁之间的拼接案例

现浇连续箱梁桥一般可采取相同跨径进行加宽某高速公路初步设计阶段提出了以下三种方案。

方案一：采用砼连接方式，采用后浇的砼铰缝横向连接方式处理，处理方案如下：将原箱梁外侧悬臂切割部分悬臂，新建箱梁现浇时留出25cm 悬臂不浇注，待新建箱梁大部分收缩后再浇筑50cm 的铰接构造的混凝土。箱梁连接示意图参见图3。

图3 现浇箱梁连接示意图（一）

方案二（推荐）：先凿除旧桥翼缘板设计范围内的混凝土并保留钢筋，凿毛混凝土表面，再在指定位置上按要求植筋和涂刷界面胶，绑扎钢筋，浇筑特快硬型微膨胀钢纤维混凝土。箱梁连接示意图参见图4。

图4 现浇箱梁连接示意图（二）

方案三：按设计要求凿除旧桥翼缘板砼，并植入伸缩缝锚筋，在新箱梁翼缘板上埋置锚筋，安装伸缩缝，再浇注槽口砼。箱梁连接示意图参见图5。

图5 现浇箱梁连接示意图（三）

5 桥梁拼宽设计多元化发展

随着我国改扩建基础建设比重的快速增加，设计积累的更加丰富，施工技术的稳步提升，桥梁拼宽结构类型越来越多元化。桥梁拼宽不在限制于相同结构类型之间的拼宽。

某高速公路采用预制矮T 梁拼宽预制空心板的设计方案。（图6）

图6 预制矮T 梁拼宽预制空心板

某高速公路采用叠合T 梁拼宽现浇箱梁的设计方案。（图7）

图7 叠合T 梁拼宽现浇箱梁

于此同时，对于拼宽大跨径混凝土桥梁的需求也越来越高。大跨径混凝土桥梁的拼宽相比于常规中小跨径桥梁的拼宽有着更多的技术难题。例如，桥梁顶板设置横向预应力，翼缘凿除困难；新老结构混凝土收缩徐变差异，结构内力复杂；新老结构连接后协同受力，在不同车道荷载组合下，支点、墩顶、跨内各部位翼缘板受力模式不同，且受到强迫位移影响，局部受力状态难以分析。目前提出大跨径桥梁拼宽方式主要分为四类：采用超高性能混凝土拼接翼板、采用肋板式混凝土斜撑拼接翼板及腹板以及钢结构拼接。