京台高速德齐段改扩建工程既有简支板分车道加载分析

朱保华，张祚龙，徐永成

（山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101）

引言

当前，高速公路改扩建项目逐渐增多，如何合理利用既有桥梁并确保结构安全，是高速改扩建工程中一项重要工作。《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）规定，拼接加宽利用的原有桥涵的承载力应满足现行技术标准的要求［1］。早期改扩建项目，简支板多采用拆除新建或维修加固，以提升改扩建后桥梁承载力。实际上，拆除新建方案，原板多被废弃，造成了很大的浪费；承载力加固方案也难以解决既有板抗剪承载力不足的问题［2］。

1 项目概况

本项目施工始于2019 年，将原有四车道改造为双向八车道高速公路。原有桥面宽2×12.5 m，拼宽桥每侧各加宽8 m，扩建后桥面宽2×20.5 m。在分车道设计的基础上，为确保桥梁的安全，拆除更换位于第3 车道重车道范围内外侧3 块板，保留利用原有内侧9 块板；并拆除既有桥面铺装，改造为15 cm整体化混凝土层+10 cm 沥青铺装。

2 分车道加载方法［2］

2.1 分车道布载断面

按车辆类型在拼宽桥梁实行分车道交通组织管理，降低拼宽桥中既有桥梁的荷载效应。改扩建后既有桥梁部分主要承担轻型车荷载，新建桥梁部分主要承担重型车荷载。分车道布载断面见图1。

图1 分车道布载断面/cm

2.2 计算方法

按照《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）第6.0.10 条的补充说明计算。在计算某板横向分配系数时，不再考虑横向位置的车辆最不利布置，而是按分车道交通组织管理的车辆固定位置作为横向分布计算荷载位置。

式中：m—分车道布载横向分布系数；ηi—重车道处横向影响线纵坐标；ηj—轻车道处横向影响线纵坐标；β—轻车与重车轴重比，上述参数均为无量纲量。

3 横向分布系数参数分析

每块板的横向分布系数，直观反映出单片板承受荷载大小。以10 m 加宽板为例，分析第1 车道、第2 车道不同轴重比下横向分布系数变化情况，计算结果见图2、图3。

图2 轴重比β1 变化横向分布系数对比曲线

图3 轴重比β2 变化横向分布系数对比曲线

（1）由图2 可知，第1 车道轴重比β1由1.0 减小到0.1，分车道加载与《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）相比， 跨中横向分布系数1 ～5 号板降幅较大；13 ～18 号基本不变。当β1＜0.7 时， 分车道加载6 ～7 号板跨中横向分布系数降低。表明分车道加载，对靠近中分带侧第1 车道既有板具有卸载作用，对远离的板活载影响不明显。分车道加载9 ～12 号板跨中横向分布系数比《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）大。表明固定车道分车道加载，第3 车道范围及邻近板活载增大。（2）由图3 可知，第2车道轴重比β2由1.0减小到0.1，分车道加载与《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）布载相比， 跨中横向分布系数1 ～5 号板减小明显；13 ～18 号拼宽板略有减小。6 ～9 号板降幅达45.5%～56.0%，1 号板降幅为12.0%，12 号板降幅为21.2%，表明分车道加载，对紧邻的既有板活载卸载明显。

4 工程实例

4.1 轴重比分析

利用京台高速公路车辆称重资料，通过分析，得到第1 车道轴重比β1为0.650，第2 车道轴重比β2为0.821 4，两者均＞0.1。

4.2 跨中横向分布系数分析

10 ～16 m 板跨中横向分布系数按分车道布载、《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）及桥梁拓宽前分别进行计算，结果见图4 ～图6。

由图4 ～图6 可知，同一跨径分车道加载，跨中横向分布系数与《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）布载相比，第1 车道1 ～5 号板，第2车道6、7 号板减小，8 号板基本持平，9 号板增大。第3 车道10 ～12 号板增大；第4 车道13 ～14 号板增大，15 号板减小；硬路肩范围16 ～18 号板减小。分车道加载，1 ～12 号板跨中横向分布系数比桥梁拓宽前跨中横向分布系数小很多，表明桥梁拓宽对既有板具有卸载作用。

图4 10 m 简支板横向分布系数

图5 13 m 简支板横向分布系数

图6 16 m 简支板横向分布系数

与《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）相比，分车道布载对第3 车道板的活载增大。拆除10 ～12 号既有板，更换为新板对提升桥梁安全储备是有利的。

4.3 支点横向分布系数分析

支点横向分布系数m0按杠杆法计算。1 ～9 号保留利用板考虑内侧两轻型车道荷载的影响，其他板分析与常规方法相同，计算结果见表1。

表1 支点横向分布系数

由表1 可知，与《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）相比，分车道加载，第1车道范围内1～5号板支点横向分布系数降低33.3%，第2 车道范围内降低16.7%。更换板及拼宽新建板支点横向分布系数与《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）结果相同。

4.4 既有板承载力分析

分车道加载时，选取1 号边板及相应中板进行承载力分析，弯矩计算结果见表2，支点剪力计算结果见表3。

由表2 可知，10 ～16 m 组合板抗弯承载力不满足《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）要求。分车道布载，抗弯承载力可满足要求，富裕度为12.3%～29.1%。表明分车道布载板降低了跨中活载弯矩效应。

表2 组合板跨中弯矩

由表3 可知，10 ～16 m 组合板支点抗剪承载力不满足《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）要求；分车道布载，10 ～16 m 边板及16 中板抗剪承载力可满足要求；10 m、13 m 中板抗剪不足。考虑到10 ～16 m 板纵向仅能布载一辆车长15 m 的55 t 五轴车。分车道布载仅考虑车辆荷载作用时，支点抗剪可满足要求，剪力富裕度10 m 板为7.5%～10.1%，13 m板为0.1%～7.7%，16 m 板为7.7%～14.8%。综上，分车道加载有效降低了跨中活载弯矩、支点抗剪效应。

表3 组合板支点剪力

5 结语

通过对京台高速公路德齐段既有简支板分车道加载分析可知，分车道加载设计与常规设计的不同之处就是按固定车道位置进行横向分布系数计算并进行活载加载。在将原四车道扩建为整体八车道高速公路工程中对既有板进行分车道加载设计是可以实现的。分车道加载设计可有效降低内侧2 车道既有板活载及其效应。桥梁分车道布载避免了既有板的拆除或过度加固，整体来看，该方法是可行的、合理的，具有一定的推广价值。