桥梁改扩建拼宽与加固技术研究

石杰荣

（陕西交通控股集团有限公司京昆改扩建项目管理处，陕西 西安 710089）

0 引言

目前我国早期修建的许多公路出现了通行能力差、服务水平低等问题，已经不能满足社会和经济发展的需要[1]。为了提高公路服务水平，许多高速公路都面临改建、扩建、提升道路荷载等级的问题，公路桥梁的改扩建已迫在眉睫。桥梁改扩建工程复杂，技术难题多，实施难度大，本文通过公路桥梁改扩建工程中的既有桥梁科学评估、合理利用等关键问题进行研究，为改扩建工程开展提供理论和技术支持。

1 桥梁拼宽与加固要点

公路改扩建工程中，首先应明确桥梁拼宽和加固要点，主要包括以下方面：

（1）调查、收集、整理原设计、施工、运营管理、养护维修等历史资料。在综合分析、评价原路状况的基础上，根据改扩建工程特点，尽可能利用原路资源，节省土地与投资。

（2）按照全寿命周期成本的理念进行改扩建设计，注重实效，选择安全可靠、技术先进、环境协调、经济合理、施工便利的方案。

（3）根据现行汽车荷载标准对桥梁结构进行荷载模拟计算分析，对承载能力不满足现行规范的桥梁应该进行加固处置，以保证工程结构的稳定性、耐久性和安全性。

（4）在对桥梁进行加宽和加固时，应考虑基础的地基承载力，一般情况下，新结构基础的沉降不应过大，同时不影响旧桥基础。

（5）加固应考虑病害影响、材料劣化、新旧材料的结合性能及性能差异；改变结构体系加固时应控制合理的受力变形状态，加固验算应根据桥梁建设年代的设计荷载、材料性能进行相应计算。

2 桥梁拼宽方案及加固方案

2.1 桥梁拼宽方案

桥梁拼接加宽通常应充分注重结构的耐久性和可靠性要求，同时考虑施工的可实施性和便捷性，降低运营期养护成本，宜采用与原桥同跨径、同结构形式，力求标准化、装配化、外观一致性。目前改扩建工程桥梁拼宽包括三种方案。

（1）上、下部结构均不连接

该方案相当于新建一座桥梁，通过桥面铺装形成整体，新旧结构各自承担荷载，对原结构影响较小，施工组织和工艺较简单。但仅通过桥面系连接后，由于新旧结构收缩徐变差异、基础沉降不一致等因素的影响，将导致桥面系出现纵向开裂，引起错台，影响行车安全性。

（2）上、下部结构均连接

上、下部结构均连接后，结构的整体性良好，避免均不连接会引起的行车安全问题，但是由于混凝土收缩徐变及沉降不一致等因素的影响，导致上下部新旧结构连接构造易出现病害，给后期运营养护带来不利影响。

（3）上部构造连接、下部构造不连接

该方案综合了前两种方案的优点，通过将上部结构连接实现桥面良好的整体性，而下部结构不连接，可避免连接带来的结点病害，同时可降低工程造价，简化施工工艺。本文工程实例采用该方案，目前已运营三年多，状态良好。

2.2 旧桥加固方案

对桥梁技术状况较差或承载能力不满足现行规范要求的情况，改扩建工程中需对原结构进行加固。可采用加固方案包括以下方面。

（1）增大截面加固技术。通过增大截面，将新增混凝土结构与原构件的变形和受力结合为整体，可提高构件的强度和刚度。该方法的优点是受力简单，适用范围广；缺点是需增加结构的高度，同时对原结构自重增加较大，施工周期长。

（2）粘贴片材加固技术。采用胶黏剂将钢板或碳纤维布黏结在构件的拉伸和剪切薄弱部位，提高构件的拉伸和抗剪承载力。该方法具有结构简单、周期短、结构外形变化小等优点。特别是碳纤维复合材料具有重量轻、强度高、加固效率高、耐腐蚀性好等优点。但是也存在对结构承载能力提升程度不足，同时存在剥离失效的风险。

（3）预应力加固技术。以上两种加固技术均为被动加固技术，许多方面仍然存在着制约因素。预应力加固技术是在原构件体外增设预应力钢束，通过对其施加预应力的方法，改变原结构的内力分布，以达到加固目的。可主动为原结构提供预加力，与其他的加固方法相比，提高材料利用效率，改善了应力滞后的问题，在其他多个方面也存在优势。

（4）组合加固方法。传统的加固方法均存在其优缺点，采用单一的加固方法无法达到处置效果，因此可采用多种方法组合加固，如体外预应力加固法与其他方法的综合利用可有效解决单一加固法的缺点，尤其是增大截面与体外预应力加固法的综合利用可有效解决加固后结构成为超筋梁的问题，使得体外预应力加固法加固的范围更广。

3 工程实例

3.1 工程概况

某国省干线公路的一座大桥，桥梁全长为121.164m，原桥建成于1965年，上部结构采用7×16.8m钢筋混凝土T梁，下部结构采用柱式墩，扩大基础，桥梁设计荷载等级为汽-13，拖-60。对该桥进行改扩建，改扩建工程设计荷载等级为公路-Ⅱ级，改扩建桥面设计宽度为18.2m。

3.2 旧桥技术状况评估

3.2.1 承载能力折减系数计算

此桥运营多年后，出现了不同程度的耐久性病害，削弱了结构承载力。因此，需根据桥梁实际状态，按照规范要求评定桥梁实际承载能力。结合桥梁检测评估结论，引入承载能力折减系数（含承载能力验算系数Z1和承载能力恶化系数ξe），用以评估结构实际承载力相对设计结构承载力的削弱。

式（1）中：MR为结构承载能力计算值；ξe为承载能力恶化系数；ξc为配筋混凝土结构的截面折减系数；ξs为钢筋的截面折减系数。

参考检测结论，选取以下系数：

（1）承载能力检算系数Z1：结合桥梁外观质量、混凝土强度、结构模态参数，取Z1=0.99，构件评定技术状况见表1。

表1 构件技术状况评定

（2）承载能力劣化系数ξe：根据耐久性恶化各项检测指标的检测结果，考虑混凝土表观缺损、钢筋自然电位、混凝土电阻率、混凝土碳化深度、混凝土保护层厚度等确定恶化状况评定值。桥址的环境特取“干、湿交替、冻、无侵蚀性介质”环境，经计算，得到恶化系数ξe=0.0733，恶化系数评定指标见表2。

表2 恶化系数评定指标

（3）材料劣化系数ξc、ξs：根据检测结论，混凝土截面折减系数ξc=0.99，钢筋折减系数ξs=0.98，材料劣化系数评定指标见表3。

表3 材料劣化系数评定指标

表3 （续）

经以上分析，结构截面折减0.99，钢筋截面折减0.98，承载能力综合折减Z1( 1-ξe)=0.90。

3.2.2 原桥承载能力分析

采用Midas有限元软件建立该桥的计算模型，如图1所示。

图1 桥梁计算模型

根据计算，各控制断面抗弯及抗剪承载能力极限状态验算分别见表4和表5。由表4～表5可知，跨中截面正截面抗弯承载能力不满足现行公路-Ⅱ级荷载等级要求。

表4 抗弯承载能力极限状态验算 单位：kN·m

表5 抗剪承载能力极限状态验算 单位：kN

3.3 桥梁拼宽设计

拼宽设计采用上部构造连接、下部构造不连接方案，上部结构通过湿接缝将新旧结构连接为整体，桥梁拓宽部分上部结构采用5片7×16.8m钢筋混凝土T梁，下部结构采用柱式墩，扩大基础，桥梁拼宽横断面布置如图2所示。通过凿除旧桥边板翼缘悬臂、部分铺装及护栏，植筋与拼宽桥梁边板预埋钢筋绑扎，新、旧桥梁采用湿接缝连接，采用补偿收缩混凝土以避免混凝土收缩引起的混凝土结构开裂问题。下部墩台重新设计，独立承担荷载，同时凿除旧桥盖梁与新建盖梁重叠部分，桩长设计时适当提高安全储备，减少新、旧桥梁基础的不均匀沉降差。

图2 桥梁拼宽横断面布置

3.4 旧桥加固设计

旧桥已运营多年，桥梁设计荷载等级较低，公路交通量不断增加，随着车辆的吨位、数量不断上升，使得桥梁长期处于超限服役和疲劳运营的不利受力状态。原桥主梁梁肋尺寸较小，刚度不足，主梁梁体存在较多的竖向及斜向裂缝，进一步降低了主梁的刚度与强度，影响了桥梁上部结构的承载能力。传统加固方法对结构承载能力提升有限，对本桥采用钢板-混凝土组合加固方案，以提升结构承载能力和刚度（见图3）。

图3 T梁钢板-混凝土组合加固方案（单位：cm）

加固后各控制断面抗弯及抗剪承载能力极限状态验算分别见表6和表7，各截面均满足现行公路-Ⅱ级设计要求。

表6 加固后抗弯承载能力极限状态验算 单位：kN·m

表7 加固后抗剪承载能力极限状态验算 单位：kN

改扩建工程中通过合理的加固措施达到了提升结构承载能力储备的目的，取得了良好的效果，避免大规模拆除重建带来的资源消耗和环境负担。

4 结语

随着我国经济社会的快速发展，改扩建工程将逐渐增多，由于原桥可能存在荷载等级较低、技术状况较差等问题，在改扩建工程中通过对原桥合理的加固提升使得其承载能力可满足现行规范要求，达到合理利用原结构的目的，从而减少资源消耗，降低碳排放，符合高质量发展要求。

通过对依托工程旧桥受力状态评估，针对结构正截面承载能力不满足现行规范要求提出合理的加固方案后合理利用，同时对新旧结构采用上部构造连接、下部构造不连接改扩建方案。综合应用了桥梁拼宽和加固处置方案，整体效果良好，可供同类桥梁改扩建工程借鉴。