高速公路改扩建工程桥梁拼宽及其加固技术

杨 会

（湖南路桥建设集团有限责任公司长江分公司,湖南 长沙 410004）

在与日俱增的道路交通压力背景下，我国很多地区的高速公路需要进行改造和扩建，以满足现阶段社会发展对道路交通的需求。在高速公路的桥梁拼宽加固工程中，施工对象基本存在设计理念落后、施工要求标准低和材料老化等现象，这对改扩建工程的拼宽加固技术提出了更严格的要求。本文以广西柳州（鹿寨）至南宁高速公路改扩建工程№4标项目工程为例，对高速公路桥梁改扩建拼宽与加固施工技术进行探究，以期为相关人员或单位提供参考。

1 项目概况

广西柳州（鹿寨）至南宁高速公路改扩建工程项目线采用双向八车道高速公路标准，全长248 km。全线基本利用现有公路改扩建，局部路段采用新建方案。标段内有大桥1座、中桥2 座、小桥4座、改造天桥7座、通道涵洞69道、改建新兴互通1处。其中洛维大桥全桥采用单幅整体式，主桥采用80+125+125+75 m预应力混凝土刚构-连续组合梁桥，下构主墩为钢筋混凝土空心薄壁墩；柳州岸引桥为4×40+4×30 m先简支后连续预应力砼T梁，南宁岸引桥为5×30+4×30 m先简支后连续预应力砼T梁，下构桥墩为柱式墩，基础均采用钻孔灌注桩，桥台采用U型桥台接桩基础。天桥上构为30 m、40 m预应力砼小箱梁，柱式墩，基础为桩基础。通道及立交桥为预应力砼空心板梁，墩台采用桩基础，桩柱式桥台。主要技术标准如表1所示。

表1 主要技术标准

2 拼宽桥梁的横向拼接

2.1 横向连接方式

高速公路桥梁的横向拼宽主要分为以下三种方式：第一种，上下部结构不连接方式。若拼宽桥梁的上下部结构设计都不与原桥梁的基础架构相连，则表明新建拼宽桥梁与旧桥间不存在结构上的相互影响，进而可以预防因地基沉降不均匀而导致的上部结构变化，同时还可以降低拼接部位的施工难度[1]。第二种，上下部结构连接方式。若桥梁的上下部分相互连接，那么基础沉降将会对桥梁的结构内力产生较大影响，同时会提高桥梁拼宽设计对参数控制的要求。此外，使用该连接方法需要利用植筋技术设计拼宽结构下方的构件结构，工艺设计相对比较复杂且具有较高的难度[2]。第三种，上连下不连方式。该设计方法需要建立在原桥上部结构在不均匀沉降的影响下仍能够保持整体结构完整性的基础上，并因桥梁的下部基础结构未实现连接，所以该方式在施工工艺上与上述方法相比相对简单，且能够运用拼接部分的形变协调较小沉降带来结构影响的问题[3]。

2.2 上部结构拓宽

从高速公路桥梁拼宽的空心板梁桥角度分析，此类桥梁可分为预应力钢筋混凝土空心板桥梁和钢筋混凝土空心板梁桥两大类，其跨径设计以10 m、16 m和20 m三种形式最为常见，桥梁横截面与原桥结构类似。在进行改建拼宽时，需要先对桥梁两侧边梁的翼板进行切除[4]，然后通过植筋技术实现新旧部分结构的连接，参照铰接形式对衔接进行结构计算，例如端部有横隔梁设计，那么结构的计算形式应该以刚接为主[5]。从T型梁桥角度来看，T梁桥因为其设计结构特殊，在改建期间容易受到周围环境的影响，需要在对T梁桥进行拼宽施工时考虑把边梁翼板进行切除，然后将其与新桥的T梁肋板进行拼接，设计简图如图1所示。

图1 T型梁拼宽设计

对比拼宽施工前后的桥梁受力情况可以看出，原桥边梁的实际受力情况发生较大改变。当对T梁桥进行拼宽施工时，除在拼接部位的两端设计横隔梁之外，还可以在桥梁中间特定位置如受力凹陷点增加横隔梁，即为加强拼宽桥与原桥间横向的联系，通常会在拼宽部分的1/4跨径与跨中位置处设计一个横隔梁，以保障整个桥体的结构稳定[6]。从不同梁截面相互连接的角度来看，桥廊拼宽施工时若使用刚度较大的拼宽桥截面则能够极大增加新桥整体的结构刚度，并可以在一定程度上降低原桥下部结构所承担的荷载，设计简图如图2所示。

图2 拼接部位设计简图

从上图中能够看出，在T梁+空心板梁的截面组合体中，空心板梁截面横向刚度相对较大，在利用钢板与之横隔梁锚固连接之后，其新桥的整体结构将会得到一定程度的提升，并且桥梁的承载能力也会随之提高。

3 不均匀沉降对拼宽桥梁结构的紧固力学影响

3.1 基础沉降对上部桥梁结构的影响因素

3.1.1 沉降模式

原桥梁在经过长期使用之后其基础沉降基本已经达到稳定，但对拼宽部分的桥梁而言，因基础沉降值相对较大，所以新旧桥梁体间会存在较大程度的沉降差，对上部结构产生严重的破坏。为探究拼宽桥梁加固效果，本文将假设原桥的基础沉降为0，充分考虑原桥整体结构的约束影响，即在新桥基础上越贴近原桥部分产生的基础沉降就会越小，反之则会越大，可将基础的沉降视为线性沉降，则桥梁不同位置的基础沉降可看作不同的线性分布。

3.1.2 影响因素

拼宽桥的基础在上述线性模式下，其拼接部位的上缘结构将会承担较高的剪切力，为预防基础沉降带来的上缘结构裂缝问题，需要整个加固设计满足σ≤[σ]，即：

依据力学的基本原理：

所以可将上式（1）变为：

所以可推算出：

上式中：σ为当不均匀沉降为“Δ”时其拼接结构的上缘部分横向拉应力的大小；[σ]为拼宽部位混凝土结构的抗拉强度标准值；ε为当不均匀沉降为“Δ”时其拼接结构的上缘区域拉应变大小；E为拼宽区域混凝土横桥的弹性模量大小；Δ为桥梁基础结构不均匀沉降变化大小；θ为基础结构不均匀沉降下Δ拼接部位的转角值；χ代表拼宽区域截面中性轴至原桥上缘的距离；B代表拼宽部位处宽度的大小；b代表桥梁拼接结构的宽度；h代表桥梁拼接处的高度；h0代表拼接结构横截面的有效高度；αEx代表拼宽混凝土结构截面的换算系数；ρ代表拼接结构下的截面配筋率。

3.2 计算数值模型

3.2.1 桥梁类型

选择跨径为20 m的简支空心板结构桥与简支T梁桥作为力学结构分析的模型，对高速公路拼宽改造后的加固技术进行探究。通过FEA软件实现对桥梁结构的细部分析，结构分析单元选择8个节点单元[7]。混凝土结构的钢筋可通过将刚度添加到母单元中的方式来实现。模型所用材料均为线弹性材料，但不对材料的非线性问题进行考虑。

3.2.2 计算荷载

恒载计算：拼宽桥梁的主要受力构件自重为恒载受力，其顶部的防撞栏、桥面铺装等材料自重为二期恒载。位移计算：为预防拼宽衔接结构出现开裂，需要始终保持梁体变形处于可控的弹性范围之内，在本次实验中设定的沉降值需要小于拼宽桥的允许沉降值，因此设拼宽桥的沉降值为5 mm。温度计算：参照相关施工设计规范规定，需以温度梯度的方式来控制局部温差，因上述提到结构体系为简支梁，所以结构本身的温度变化并不会产生内力，不需对体系温差变化的影响进行考虑[8]。

3.2.3 几何尺寸

简支空心板的基本模型设计参数如表2所示。原高速公路桥梁使用跨径为20 m的简支空心板桥，桥面宽度为9 m，整体由8片空心板梁所组成，使用上部连接下部不连接的拼宽方式进行施工。在拼宽设计中，改建拼宽桥使用与原桥相同规格的空心板，通过切除边梁翼板后向结构件中植入钢筋的方式首先拼宽施工，并在结构件端部加设50 cm宽的横隔梁。拼宽后的桥梁模型网格如图3所示。

表2 简支空心板桥拼宽改建桥梁模型的基本参数

图3 空心板桥拼宽改建模型网格

3.3 拓宽桥梁拼接部分在沉降荷载下的受力

3.3.1 截面配筋

空心板与T型桥的应力值变化如图4所示。

图4 桥梁拼宽拼接部分在不同配筋加固设计下的应力值变化曲线

从上图中能看出，截面配筋率的变化对两种桥型的拼宽结构上缘拉应力都会产生一定影响，且影响具有高度一致性。即当截面配筋率增加时，其拼接结构的上缘拉应力会出现下降。但对于空心板桥而言，配筋率的大小还与结构件截面所处的位置有关，即实际模型中支座位置处的应力值取值可达拼宽结构跨中位置的4倍，但应力值会随着截面由支座向跨中移动而逐渐减小。造成该现象的主要原因在于，横隔梁的设计可以增加拼宽桥的横向刚度，因此产生更大的上缘拉应力，所以在空心板桥的拼宽模型实验中，支座与跨中两个位置的应力值出现差距过大的情况。

3.3.2 拓宽宽度

从不同拼宽宽度的角度来看，其桥梁拼接结构处的上缘拉应力取值变化如图5所示。

图5 两种桥梁拼宽拼接部分在不同拼宽宽度设计下的应力值

由上图数据可知，在两种不同设计方式的桥梁拼宽实验中，拼宽宽度对拼接结构的应力变化存在一定的影响，即当拼宽宽度增大时，其拼接结构处的上缘拉应力会随之减小，并且在同等沉降作用下，随着拼宽宽度的不断增加，其相应的转角位移量也在不断减小。

3.3.3 拼接部分宽度

拼接宽度因素对改建桥梁结构造成拉应力的变化如图6所示。

图6 两种桥梁拼接结构在不同拼接部分宽度下的应力值

由上图变化曲线可知，当拼接宽度不断增加后其拼接部位结构的上缘拉应力会不断下降，但是从拼接宽度变化发展趋势来看，拼接宽度对T梁桥与空心板桥的上缘拉应力影响存在一定差距，并且这种差距会随着截面位置的不同而发生变化，即拼宽结构的拼接宽度会对两种截面桥梁的上缘拉应力产生影响，并会受到支座向跨中位置的变化而逐渐缩小。这种现象在空心板桥的拼宽中，其支座部位的应力变化是跨中部位的4.6倍；而T梁桥中支座应力变化仅为跨中的1.7倍。由此可证明拼接宽度对不同设计类型的拼宽桥梁加固效果是不同的。除此之外，因梁结构自身会产生一定的挠度，此现象会间接减弱拼接部分宽度对拼宽后桥梁结构横桥向拉应力的大小，所以拼接部分的宽度变化才会对T梁桥与空心板桥不同位置拉应力值的变化产生影响。

4 结语

综上所述，本文通过借鉴广西柳州（鹿寨）至南宁高速公路改扩建工程№4标项目工程的方式加深对高速公路桥梁改建拼宽与加固技术的认知，通过建模分析的方式重点对高速公路桥梁拼宽过程中截面配筋加固、拼宽宽度以及拼接宽度设计等3个主要因素对整体结构受力造成的影响进行探究，得出以下结论：首先，当拼宽部分结构件的宽度与截面配筋率同时增加时，其拼接处产生的上缘拉应力会相对下降。其次，当选定目标桥梁的基础沉降值设为5mm时，其拼宽结构的上缘产生横桥向拉应力值保持在改建设计范围之内，证明拼宽加固技术可以在不均匀沉降未超过5 mm时保持桥梁结构的稳定性。