柬埔寨1551号公路改建拼宽桥设计方案研究

杜宇飞 杜一丛

（1.北京中咨华安交通科技发展有限公司，北京 100098；2.北京交通运输职业学院，北京 100098）

0 引言

随着交通量日益增加，现存的公路桥梁不能满足当下的交通需求，在现有桥梁的基础上进行拼宽设计成为目前投资小见效快的解决方式之一。新老桥梁横向拼宽是指桥梁整体在横向为分期修建，或在原有桥梁横向以拼接加宽的方式建设新的桥梁，最终形成整体桥面的桥梁设计方案。然而桥梁项目在实际的拼宽改建过程中，往往遇到各类问题。本文以柬埔寨1551号公路改建拼宽桥为例，探讨在复杂工况下的桥梁拼宽设计重难点问题及解决措施。

1 常见的桥梁拼宽方式

（1）上部结构与下部结构均不相连。该方法受力明确，但是桥梁整体性较差。

（2）上部结构与下部结构均相连。该方法整体受力，变形小，但是附加内力增大，易产生裂缝。

（3）上部结构相连，下部结构不相连。该方法通过减小新建桥梁的桩基沉降来控制沉降差异，结构性能较好[1-2]。

2 工程概况及重难点问题

2.1 工程概况

柬埔寨1551号公路改建工程位于柬埔寨西部，项目起点位于Battambang 省松洛（Samlot）县以西约7km 处，接1577号公路，终点在Koh Kong省与绕城道路相交，全长约197.363km。经现场调查，该项目K0～K20 段需要拼宽设计的钢筋混凝土桥梁12座，修建时间为2015年，跨径分类包括12m，15m和18m三种类型。桥梁类型主要以工字型梁为主，结构受力形式为简支梁。该项目以这12座桥为基础，进行拼宽设计。

2.2 加宽方案设计背景

该项目的12座既有桥梁，全宽均为7m，为了符合柬埔寨政府预想利用既有桥梁充分发挥其作用，并且可以降低工程造价的要求，设计方案采用单侧拼宽3m 的设计方案，以满足三级公路（中国现行标准设计规范）的行车宽度要求。桥梁检测方式选择外观检查、材质检测以及静动载试验加载验证。现场调查既有桥梁上部结构为工字型桥，主梁腹板无裂缝，结构完整，翼缘板出现部分裂缝。该桥梁经过实际检测与加载验证，未折减的承载能力均能满足公路二级荷载标准的通行要求，且有一定程度的安全储备。各座桥梁均未发现严重影响结构安全和承载能力的病害。

2.3 工程重难点

在桥梁拼宽改建过程中，需要充分考虑旧桥拼宽完成之后是否能够保证与新桥具有整体的变形协调能力；新旧桥的连接是否给旧桥产生额外的荷载，这个荷载是否在其承受范围之内[3]等问题。但由于该项目前期工程管理的问题，使得既有桥梁的资料不完整，项目设计时无法参照既有桥梁的设计图纸，致使桥梁内部设计和荷载情况无从得知。另外，业主对拼宽宽度严格限制，加宽尺寸较小，导致横向稳定性较低，拼宽方案的设计难度大大增加。

3 既有桥梁检测及设计方案确定

3.1 检测既有桥梁

既有桥梁缺少图纸无法为设计作参考，因此需要对既有桥梁的实际使用性能进行检测。首先对既有桥梁进行了荷载检测试验，包括静载试验与动载试验。静载试验包括对桥梁结构的承载能力进行检算并对之后数年的使用功能做出评定，动载试验通过施加动荷载，测试桥梁结构的基频，分析结构的冲击系数等关键参数。

荷载试验采用三级加载方式，加载位置及加载过程如图1～图4。荷载试验结果如表1～表3所示。

表1 底板关键测点应变校验系数

表2 挠度校验系数

表3 基频及冲击系数

图1 加载车辆横向布置图

图2 第1级加载示意图（1辆加载车）

图3 第2级加载示意图（2辆加载车）

图4 第3级加载示意图（2辆加载车）

由试验结果分析可知：

（1）桥梁基频评定标度为1，表明桥梁实际刚度大于理论计算。

（2）表面开裂影响了应变数据采集，以挠度校验系数作为评价标准，表明桥梁实际强度优于理论计算。

（3）实测最大冲击系数均小于理论计算值，说明车辆对桥面的冲击效应满足现行公路桥规要求。

综上所述，既有桥梁结构在静动载试验加载工况下，实际表现均优于理论计算值。结构不需要做额外加固，并且承载能力满足公路II级荷载标准的要求。

3.2 拼宽连接方案

鉴于以上无需加固即可满足荷载标准要求的检测结果，本次拼宽方案选择桥梁主体相对独立，且结构性能较好的上部结构相连，下部结构不相连的方式。

（1）下部结构。下部结构桥台采用扶壁台，桩基直径1.0m，承台厚度1.5m。本桥采用摩擦桩基础，以减小新旧桥梁部分的不均匀沉降。

（2）上部结构。本桥的结构体系为简支结构，上部采用后张法预应力简支空心板，其中：预制空心板采用部分预应力A 类构件设计。上部结构需相连，因此新老桥接缝处现浇层连成整体且一起浇筑，将既有桥梁护栏的混凝土部分凿除，但保留底部钢筋，将底部钢筋弯折后打磨并与拼宽桥梁现浇层下层钢筋连接。上部结构连接方案如图5所示。

图5 拼宽桥上部结构连接方案

图6 旧桥加固方案

（3）旧桥维修加固。旧桥桥面板底存在多条裂缝，桥面板顶混凝土不同程度破损，凿除旧桥2cm 既有桥面，露出新鲜混凝土，然后铺设6cm 混凝土铺装，以利于新旧混凝土连接，增强旧桥桥面板整体性和承载力；另外根据《桥梁检测报告》的检测结论显示，原桥经过实际检测和加载验证，未折减的承载能力均能满足公路-Ⅱ级荷载标准的通行要求，且有一定程度的安全储备，桥面板维修后，增加了部分恒载，粘贴钢板可提高其抗弯承载能力，抵消恒载增加部分引起的效应，同时增加结构耐久性。

因此，该项目旧桥维修加固方案为凿除旧桥2cm既有桥面板，然后加铺6cm 厚的C50 混凝土铺装，铺设防水层后设置2cm 厚沥青，然后对旧桥主梁梁底粘贴钢板加固处理。加固设计方案如6所示。

3.3 拼宽桥梁部分结构计算

根据《公路桥涵设计通用规范》第4.3.1-8 款规定，对桥梁拼宽部分进行横向布载，横向折减系数取0.5，汽车荷载采用公路-Ⅱ级。采用Midas Civil 对边梁进行建模计算，拼宽部分的横向布载如图7 所示，计算模型如图8所示。计算结果如下所述:

（1）正截面抗弯验算如图9所示；

图9 持久状况正截面抗弯验算包络图

（2）斜截面抗剪验算如图10所示；

图10 持久状况斜截面抗剪验算包络图

（3）正截面抗拉验算如图11所示；

图11 持久状况正截面抗拉验算包络图

（4）抗扭验算如图12和图13所示；

图12 持久状况抗扭验算（扭矩）包络图

图13 持久状况抗扭验算（剪力）包络图

（5）正截面抗裂验算如图14～图17所示；

图14 使用阶段正截面抗裂验算（频遇-顶）包络图

图15 使用阶段正截面抗裂验算（频遇-底）包络图

图16 使用阶段正截面抗裂验算（准永久-顶）包络图

图17 使用阶段正截面抗裂验算（准永久-底）包络图

（6）正截面压应力验算如图18～图19所示；

图18 使用阶段正截面压应力验算（顶）包络图

图19 使用阶段正截面压应力验算（底）包络图

（7）斜截面主压应力验算如图20所示。

图20 使用阶段斜截面主压应力包络图

从图9～图20 可知，拼宽部分桥梁各项计算结果均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求。

3.4 旧桥维修加固部分的结构受力计算

本次设计在原桥桥面加铺6cm厚的铺装层，为提高原桥主梁的抗弯承载能力，同时增加结构耐久性，在原桥主梁下缘粘贴钢板，共计4片，面积合计为9.6m2。原桥每片梁下设置6000mm×400mm×8mm 钢板，计算时考虑混凝土截面开裂影响，对I 梁刚度进行折减，折减系数取0.5。通过计算粘贴钢板产生的抗力远大于加铺桥面铺装产生的弯矩值，具体数值见表4。

表4 加固钢板受力计算（单位：kN·m）

4 结束语

本文以柬埔寨1551 号公路改建拼宽桥的设计方案为例，探究了在既有桥梁的内部荷载、承载能力等基本要素无法知晓的前提下，通过对既有桥梁检测来弥补无既有桥梁设计图纸的短板，通过检测数据的论证最终确定了拼宽方案和措施，保证了拼宽桥梁的实用性和可实施性。并通过对拼宽部分、既有桥梁部分以及整体的结构计算验证了方案的可行性。目前，该桥梁拼宽工程已竣工并通车，运营状况良好，其拼宽桥梁的方案可为同类型工程提供参考和借鉴。