山区桥梁拓宽设计要点探索

2022-07-14陈华军

中国新技术新产品 2022年7期

陈华军

（日昇创意景观规划设计湖北有限公司，湖北武汉 430074）

1 工程概况

该文以某山区高速公路桥梁改造工程项目作为研究对象，通过对现场的施工条件及地质条件进行分析，决定采用三跨连续钢结构的桥梁形式。整座桥细分为两联，桥跨设计为预应力混凝土连续钢构（30m+50m+30m）+钢混结构的连续箱梁（2×20m），桥梁的总长度设计为167.08m。桥梁的主梁设计使用预应力混凝土，混凝土的强度标号为C50，墩身部位的混凝土强度标号为C40，基础部位的混凝土强度标号为C30。

2 上连下不连加宽方式的有限元计算分析

2.1 新旧上构铰接简支空心板受力特性

16m 的简支空心板，根据新旧桥梁的上部结构空心板的受力特性，技术参数如下。混凝土的强度标号为C40，弹性模量为3.3×10Pa，泊松比1/6。

结合原设计图纸，原桥梁设计的标准是汽车-超20 级标准，该文则是按照现行的管理规范中公路-I 级标准作为设计依据。桥梁两侧的车道的均布荷载值为q=10.5kN/m。

桥梁两侧的车道的集中荷载值：P=180+180÷45×11=224kN。

桥梁三车道荷载折减系数为0.78，在整个桥梁布载的情况下，空心板的弯拉应力具体情况可以参照图1。

旧桥加宽部分通常都是单车道或双车道，加宽部位一般都是重车道或是慢车道，按照半幅布载状态进行设计。具体的情况可以参照图2。

为了探究出新建桥梁对既有结构的影响，现假设新建部分上部结构的一段支座的沉降量为1mm。将图1 和图2 中信息进行对比，偏载会导致接缝部位的横向弯拉应力增大，从原本的1.55MPa 提高至1.94MPa，增长率为25.2%；但是纵向弯拉应力则会因为传荷作用反而呈现出降低现象。因此，对比可以发现，新空心板与旧空心板之间可能会出现不均匀沉降现象，而这种不均匀沉降必然会导致接缝部位出现开裂。

2.2 新旧上构刚接简支空心板受力特性

因边缘部位的空心板保养质量较好，若使用前文中阐述的铰接方法，则需要将边梁废掉，部分情况下也可以对边板做加固处理，确保新空心板与旧空心板完成刚性连接。

荷载、材料计算与上文一致，不需要考虑不均匀沉降带来的影响，按照全桥布载进行计算，结果可知，在刚性连接形式下，空心板的横向最大弯拉应力减少，使用刚性连接时，纵向方向的弯拉应力基本处于稳定状态。

图1 空心板弯拉应力云图

偏载的存在会促使接缝部位的横向弯拉应力提高，由此可见，接缝部位的最大横向弯拉应力对于荷载分布的横向位置比较敏感，依靠钢混结构根本就无法支撑上部荷载，应该使用钢板作进一步的加固处理，保证接缝部位不会出现开裂现象。刚性接缝方式会促使接缝部位的横向弯拉应力降低，所以应该使用刚性接缝方式。

图2 偏载空心板弯拉应力云图

2.3 新旧上构差异刚度铰接简支空心板受力特性

因边板翼缘的上侧都会砌筑防撞前提，结合设计层面来说，一般都是将配筋率降低，在加宽施工过程中，先将旧防撞墙凿除，所以可以使用铰接缝施工形式，下面使用有限元计算方法对铰接缝的情况进行计算分析。

对图1（a）进行分析，横向弯拉应力从原本的1.55MPa，提升至1.76MPa，提升率为13.5%，模量差的幅度并不是很大。由此可以断定挠度与弯拉应力的波动也不会太大。

2.4 计算分析结果

结果如下。1）假若空心板的边板翼缘加宽施工方案使用的是刚性连接方式，那么使用铰接连接形式更为合适，可以更好地适应桥梁下部结构的沉降问题。2）针对新旧主梁的横向弯拉应力方面的影响，若使用铰接缝连接方式，可以提高的幅度较大；若选择使用铰接缝方式，提高的幅度较小。3）不均匀沉降会对横向弯拉应力造成比较大的影响，存在局部较为显著的应力，为保证接缝的初期不会损坏混凝土的强度，不管是使用哪种连接方式，均应该施工钢板作加固处理。4）山区高速公路拓宽，横向连接部位的方式主要有以下2 种，分别为刚性连接、铰接缝连接。针对地质条件比较理想的部位，若新旧桥梁的沉降差异比较小，刚性连接、铰接缝连接都可以使用；反之，则只能选择使用刚性连接方式。5）新旧主梁的模量差问题，不管是使用刚性连接缝，还是使用铰接缝，二者都会增大横向弯拉应力；假若铰接缝提高的幅度比较大，那么刚性接缝的提高幅度则比较小；这2 种连接方式对于桥梁下部结构的沉降影响都较为明显，同时，应力分布具备明显的局部特性，这对于不良地段来说，不管使用哪种连接方式都需要使用钢板进行加固处理，否则会导致混凝土的早期强度受到较大的影响。

3 山区低等级公路桥梁拓宽设计要点

3.1 拓宽基本方法

基本方法如下。1）额外的设置钢混结构的悬臂梁。这种拓宽方法是最简单的桥梁加宽改造方法，可以与其他方法一起使用。钢混结构的悬臂梁加宽方法不需要对桥墩作加宽处理，减少施工人员的工作量。2）增设边梁或边拱。通常情况下，加宽结构构件与原桥梁结构构件的形式基本相同。但是通过深入调研后发现，对于实腹式的桥梁加宽来说，加宽部位也会使用空心板，但是需要在空心板与原桥梁的拱桥之间设置沉降缝。因桥梁结构的形式存在一定的差异性，且结构刚度不同，在荷载的影响下，新桥结构与旧桥结构的跨中挠度必然会呈现出差异，在交付运营后可能会显现出较多的质量缺陷。3）增加强梁或强拱。这种方法不但可以对原桥梁进行加宽，同时还可以提高桥梁的承载能力。这种加宽方法的特点主要为加宽部分的主梁刚度明显的超过旧桥的刚度。

3.2 拓宽时新、老结构关联方式

3.2.1 新、老结构分离

桥梁加宽施工过程中，为了保证新桥结构与旧桥结构的受力分布均匀，且分布明确，二者之间不会产生影响，降低施工难度，施工单位会在新旧桥梁结构之间设置工作缝。这种施工方法可以很大程度上简化施工流程，消除连接过程中存在的问题，但是在汽车的活载影响下，新旧桥梁的主梁较大可能出现不均匀挠度，同时加宽部分桥梁的下部结构沉降量会远远超过旧桥的沉降量，进而导致桥梁的路面出现错台现象，这种现象会减少行车舒适感，影响桥梁的安全性，增大后期桥梁维护的工作量。

新、老结构分离施工方法有以下4 种：1）使用沥青和木条作填充处理。1997 年时，广佛高速扩建时就曾经使用这种施工方法，但是由于长期受行车影响，新桥结构与旧桥结构的边缘部位非常容易出现啃边现象，促使填充物失效。2）使用钢板作包边处理。将钢板包裹住接缝部位两侧的翼缘，能够良好地解决啃边现象，但是无法处理新旧桥梁结构的挠度差异问题，且行车的安全性不足。3）采用桥面连接，这种方法使桥梁路面沥青混凝土施工及铺装层施工保持连续性。但是受长期行车影响，新桥结构与旧桥结构的边缘部位非常容易出现啃边现象，促使填充物的效能荡然无存。4）设置纵向伸缩缝。这种方法是利用自身的构造，巧妙使用新旧桥梁的主梁形变，促使新旧桥梁的形变平稳实现过渡，提高行车舒适感。目前全球范围内使用最多的方法就是英国的Britflex 纵向伸缩缝施工方法，这种方法的纵向变形偏差须控制在±100mm，竖向变形须控制在±75mm。

为了保证桥面铺装至伸缩缝的过渡时间段内刚度不会突然变化，进而导致铺装面损坏，通常都是根据伸缩缝的设计形式，选择使用刚性桥面铺装。纵向伸缩缝在西方发达国家应用程度比较高，但是这种方法的总造价非常高，同时需要后续频繁的维护，所以未能够在我国获得广泛的应用。

该项目采用的是型钢单缝式的伸缩缝，将其作为新旧桥面的铺装过渡构造，结合实际运营状况来说，该伸缩缝目前已使用超过1 年时间，期间并未出现错台、裂缝等质量缺陷，整体应用效果比较理想。

桥梁加宽过程中，通常不会将新旧桥梁的上部结构分开，但是不包括以下3 种特殊情况。1）存在复杂的管线，促使新旧桥梁的横向连接难度增大。2）桥面的行车道分为快车道、慢车道，且新旧桥梁结构的接缝位置为中央分隔带的位置。3）新旧桥梁的结构形成不相同。

3.2.2 上下部结构均连接

为了保证新建桥梁结构与旧桥结构形成1 个整体，降低在荷载作用下新旧桥梁接缝部位的变形程度，降低桥梁上下部结构特殊部位的内力，应该将加宽部分的桥梁上部结构与旧桥通过植筋方式进行连接，然后浇筑混凝土，保证新桥与旧桥紧密地连接一体。

道路加宽工程项目内，桥梁的横向加宽是指将新旧桥梁的上部结构、下部结构连接在一起，其关键点在于连接形式的选择。上下部结构连接方式的优势在于完成拼接以后，桥梁的整体性比较理想。但是它也存在缺陷，新桥梁的基础沉降量非常大，进而导致附加内力变大，同时还会导致桥梁的下部结构诸多构件部位出现裂缝，使桥梁的服务功能性降低，提高后期维护的频率。

3.2.3 上部结构连接、下部结构分离

桥梁加宽使用下部结构分离施工方式，新结构与旧桥梁的下部结构的内力之间不会造成任何影响，桥梁上部结构连接部位因新旧桥梁使用的原材料存在差异性，导致桥梁的附加内力必然会发生较大的变化。针对以上质量缺陷，传统的处理方法为新桥结构使用桩基础，通过强化基础处理、扩大桩身长度、扩大桩体直径等方式，以达到降低基础沉降的目的。

结合整体情况来说，可以遵照以下基本原则合理选择拼接方式。宽拼连接方式，至拼接长度超过5m，拼接部分属于独立受力模式，原则上来说，上部结构选择使用弱连接方式，下部结构选择使用分离方式。

窄拼连接方式，至拼接长度部超过3m，拼接部分无法实现独立受力，原则上来说，上部结构选择使用强连接方式。

除了这2 种情况以外的处理方式，可以根据实际情况合理选择拼接方式。

3.3 拓宽桥梁横向拼接构造技术

横向拼接构造技术是桥梁加宽设计活动的核心内容之一，设计过程须着重考虑新旧桥梁的地基沉降对桥梁结构造成的影响，混凝土的收缩对新旧桥梁结构的受力情况造成的影响。此外，还应该兼顾“边营运、边施工”的施工方案对桥梁结构造成的负面影响，并考虑行车对桥梁运营造成的影响。

当旧桥的边梁加宽完成后，在活性荷载的影响下，边梁的挠度、内力都会所有降低，刚性连接加宽对于桥梁的通行性能起到了积极性的作用。但是归根结底，提高桥梁的通行性能的核心因素在于拓宽自身，并非是刚性连接或是铰接方式。

拓宽后旧桥边梁在活载作用下的挠度及内力均大大降低，刚接衔接方式拓宽桥梁新桥与旧桥的横向连接主要可分为三种形式：一是，桥梁的上部结构、下部结构不作连接处理；二是，桥梁的上部结构、下部结果全部连接；三是，桥梁的上部结构连接，桥梁的下部结构分离处理。下面进行详细介绍：1）桥梁的上部结构、下部结构不作连接处理。上部结构分离可通过两种方式实现。①使用钢板对旧桥结构进行包边处理。这种方式比较适合使用在半刚性桥面中，需要注意的是这种方法无法解决新旧桥梁之间的挠度差距过大问题，若行车速度比较快，则会存在一定的安全隐患；②采用纵向伸缩缝进行连接。2）桥梁的上部结构、下部结果全部连接。其具体为新桥的上部结构与旧桥的上部结构采用植筋、湿接缝的方式进行连接；旧桥的下部结构与新桥相对应部位使用钢筋进行连接，最后浇筑混凝土连接为一个整体。3）桥梁的上部结构连接，桥梁的下部结构分离处理新旧桥的上部结构采用湿接缝、植筋方式进行连接，下部结构不做连接处理，单独受力。