湯春林

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西　西安　710064)

城市橋梁拼寬設(shè)計(jì)方法研究

湯春林

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710064)

關(guān)鍵詞：城市橋梁；拼寬設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)方法

0引言

伴隨著城市化的迅猛發(fā)展，城市交通量成倍增長(zhǎng)，對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行改造以緩解交通量增大的壓力是城市道路發(fā)展的趨勢(shì)[1]。一般而言，城市橋梁的改、擴(kuò)建可提高原有公路的橋梁荷載等級(jí)。在實(shí)際的城市橋梁拼寬施工中，拼寬結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的連接問題是難點(diǎn)，科學(xué)合適的拼寬措施不僅能提高橋梁通行能力，還可以提高原橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，延長(zhǎng)橋梁使用壽命；但不合理的拼寬設(shè)計(jì)不但不能提高原橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，還會(huì)使拼寬結(jié)構(gòu)與原橋梁結(jié)構(gòu)連接面出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象，影響橋梁的正常使用。為確保橋梁的拼寬措施在改善交通壓力的同時(shí)提高橋梁承載能力，需要對(duì)拼寬措施進(jìn)行專項(xiàng)的設(shè)計(jì)研究并制定合理的施工方案。

1工程概況

某城市橋梁，長(zhǎng)204.84 m，上下行分離式斷面，上部結(jié)構(gòu)為跨徑20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，板高0.85 m，橫向預(yù)制板之間采用鉸縫連接，預(yù)應(yīng)力鋼筋為φJ(rèn)15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，主梁預(yù)制空心板上部的現(xiàn)澆10cm整體化混凝土參與結(jié)構(gòu)受力，預(yù)制空心板主梁以及鉸縫的混凝土強(qiáng)度均為C38，其橫斷面示意圖如圖1～3所示，下部為肋式橋臺(tái)，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及原結(jié)構(gòu)使用情況如表1所示。

表1　橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

表2　橋梁原結(jié)構(gòu)使用情況表

圖1　原橋梁結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

圖2　邊板橫斷面圖

圖3　中板橫斷面圖

2拼寬設(shè)計(jì)前橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)

對(duì)原城市橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)，為確定拼寬設(shè)計(jì)的合理性以及制定相應(yīng)的拼寬施工方案提供實(shí)際依據(jù)。

2.1靜載試驗(yàn)

(1)靜載試驗(yàn)概述

利用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)與機(jī)電百分表結(jié)合對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向撓度測(cè)量，利用電子水準(zhǔn)儀測(cè)量橫向撓度，測(cè)定試驗(yàn)荷載作用下橋梁跨中的最大撓度；利用振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)應(yīng)變測(cè)試出主梁空心板控制截面的最大應(yīng)力或應(yīng)變值以及撓度橫向分布情況[2]。選擇控制截面為應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，控制截面以及控制截面兩側(cè)支點(diǎn)為撓度測(cè)點(diǎn)，各板跨中截面為撓度橫向分布測(cè)點(diǎn)。

(2)靜載試驗(yàn)荷載設(shè)計(jì)

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)原橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能及承載能力荷載效率取值為：

表3　加載車輛系數(shù)表

(3)加載注意事項(xiàng)

靜載試驗(yàn)分3級(jí)進(jìn)行加載，每1級(jí)增加1輛加載車輛；試驗(yàn)過程中加載和卸載的持續(xù)時(shí)間由橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)讀數(shù)變化達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間所需的時(shí)間決定；在每一級(jí)的荷載加載到規(guī)定數(shù)量后，橋梁結(jié)構(gòu)在最后5 min內(nèi)的變?yōu)樵隽坎淮笥谇耙粋€(gè)5 min內(nèi)的增量的15%，或不大于儀器最小分辨率值時(shí)，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)變位相對(duì)穩(wěn)定。

圖4　靜載試驗(yàn)車輛加載布置圖

(4)靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

表4　撓度試驗(yàn)結(jié)果及理論計(jì)算結(jié)果分析表

表5　應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果及理論計(jì)算結(jié)果分析表

表6　橫向分布系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果及理論計(jì)算結(jié)果分析表

由表4～5可以看出，撓度和應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果均比理論計(jì)算值小，校驗(yàn)系數(shù)為0.5～0.8，≤1，即原橋面結(jié)構(gòu)安全度滿足要求。

由表6可以看出，在偏心荷載的作用下，斷面橫向分布系數(shù)測(cè)試值與理論計(jì)算值相差甚小，即原橋面結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)單板受力情況。

2.2動(dòng)載試驗(yàn)

(1)動(dòng)載試驗(yàn)概述

利用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)收集在不同行駛速度的車輛荷載作用下橋梁動(dòng)撓度數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)得出活載的沖擊系數(shù)，以及進(jìn)行橋梁的自振特性分析。

(2)動(dòng)載試驗(yàn)荷載設(shè)計(jì)

安排一輛重車分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h的行駛速度通過橋梁，在測(cè)試儀器的輔助下測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)、自振頻率以及阻尼比。

(3)動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5　10 km/h行駛速度的跑車曲線圖

圖6　20 km/h行駛速度的跑車曲線圖

圖7　30 km/h行駛速度的跑車曲線圖

車速10km/h20km/h30km/h實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)0.090.110.05

圖8　橋梁結(jié)構(gòu)脈動(dòng)加速度時(shí)程曲線圖

通過分析跑車曲線和時(shí)程曲線(見圖5～8)，結(jié)合實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)(見表7)，可以看出原橋梁結(jié)構(gòu)的豎向一階頻率為6.26 Hz，理論值為4.25 Hz，橋梁實(shí)測(cè)尼阻比為6.34%，即橋梁動(dòng)力性能良好。

2.3拼寬設(shè)計(jì)前橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)小結(jié)

在橋梁荷載試驗(yàn)過程中，撓度理論計(jì)算值皆大于實(shí)測(cè)值，可以看出該橋梁抗彎剛度良好，符合設(shè)計(jì)及滿足正常車輛行駛的荷載作用，可以進(jìn)行拼寬設(shè)計(jì)。在動(dòng)載試驗(yàn)中，橋梁自振特性以及尼阻比等結(jié)果表明橋梁動(dòng)力性能良好，宜進(jìn)行同跨徑、同結(jié)構(gòu)兩側(cè)皆進(jìn)行拼寬設(shè)計(jì)。

3橋梁拼寬設(shè)計(jì)

橋梁拼寬設(shè)計(jì)材料見表8。

表8　拼寬設(shè)計(jì)材料表

3.1拼寬原則

(1)拼寬橋梁結(jié)構(gòu)與原橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)同一跨徑、結(jié)構(gòu)形式，拼寬后新舊橋梁的受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)剛度盡可能保持一致，在相同荷載作用下的新舊橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撓度差不得過大，避免新舊橋面接縫處產(chǎn)生縱向裂縫[3]。

(2)新舊橋梁空心板主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮濕接縫、鉸接以及橫隔板連接三種拼寬方案，進(jìn)行方案比選，擇優(yōu)取用。

(3)對(duì)舊橋下部結(jié)構(gòu)應(yīng)充分利用，承載能力不足的蓋梁應(yīng)考慮加固設(shè)計(jì)。

(4)拼寬的新橋梁結(jié)構(gòu)上部主梁應(yīng)采用與舊橋主梁一致的預(yù)應(yīng)力空心板，為了避免拼寬后新橋重量引起橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降，對(duì)行車安全造成威脅，對(duì)拼寬新橋基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)加固措施。

(5)拼寬設(shè)計(jì)應(yīng)遵循安全、耐用、經(jīng)濟(jì)、美觀的原則。

3.2拼寬設(shè)計(jì)方案

(1)濕接縫連接

在原橋梁結(jié)構(gòu)邊板外側(cè)植上連接鋼筋，將連接鋼筋與新拼寬橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)埋鋼筋進(jìn)行焊接，在新舊橋梁結(jié)構(gòu)接縫處現(xiàn)澆45 cm寬度的混凝土并進(jìn)行與原橋面一致的鋪裝[4]。為了使新舊橋梁連成整體，共同受力，在新舊橋梁接縫處兩端皆增設(shè)一道厚為30 cm的橫梁。見圖9。

圖9　濕接縫連接構(gòu)造圖

(2)鉸縫連接

將原橋梁結(jié)構(gòu)邊板外側(cè)腹板處的混凝土鑿除，同時(shí)用預(yù)制中板替換原橋梁結(jié)構(gòu)的邊板，在新舊橋梁拼寬接縫處預(yù)留5 cm寬的縫，用于現(xiàn)澆混凝土鉸縫將新舊橋梁結(jié)構(gòu)連接成一體。見圖10。

圖10　鉸縫連接構(gòu)造圖

(3)橫隔板連接

在新舊橋梁預(yù)制空心板主梁拼寬接縫處的端部，距端部2 m以及中間部分每隔4 m均設(shè)置混凝土橫隔板，將新舊橋梁結(jié)構(gòu)連接成體，共同受力。見圖11。

圖11　橫隔板連接構(gòu)造圖

3.3拼寬設(shè)計(jì)方案比選

(1)各拼寬設(shè)計(jì)方案后橋梁橫向分布影響線比選分析

按照拼寬設(shè)計(jì)方案，擬設(shè)計(jì)拼寬后橋梁結(jié)構(gòu)橫斷面圖如圖12所示，其中1#～12#為原橋梁結(jié)構(gòu)，13#～19#為新拼寬橋梁結(jié)構(gòu)。利用有限元軟件Ansys建立計(jì)算模型，計(jì)算分析拼寬后橋跨中橫向分布影響線，見圖13。

圖12　拼寬后橋梁橫斷面圖

圖13　Ansys計(jì)算模型圖

通過軟件的計(jì)算分析，可以得到各拼寬方案后橋梁橫向分布影響線結(jié)果，具體如圖14～19所示。

圖14　1#梁橫向分布影響線示意圖

圖15　2#梁橫向分布影響線示意圖

圖16　12#梁橫向分布影響線示意圖

圖17　17#梁橫向分布影響線示意圖

圖18　18#梁橫向分布影響線示意圖

圖19　19#梁橫向分布影響線示意圖

通過分析圖14～19可以看出，采用鉸縫連接方案的橫向分布影響線比濕接縫連接和橫隔板連接均勻，即采用鉸縫連接的新舊橋梁結(jié)構(gòu)整體性能好，其中采用橫隔板連接的橫向分布影響線變化差異較大，即新舊橋梁結(jié)構(gòu)整體性能較差。

(2)橋梁拼寬前后橫向分布影響線分析

表9　拼寬前后橋梁橫向分布系數(shù)對(duì)比表

分析表9可以看出，三個(gè)拼寬方案的的橫向分布系數(shù)中，橫隔板連接后的主梁橫向分布系數(shù)分布均勻，證明此拼寬設(shè)計(jì)后新舊橋梁結(jié)構(gòu)聯(lián)接不良；濕接縫連接后的主梁橫向分布系數(shù)相對(duì)舊橋而言，明顯減少，且分布均勻，證明拼寬后的新舊橋梁連接良好，共同承受荷載。

3.4拼寬設(shè)計(jì)方案選取

通過分析拼寬后橋梁結(jié)構(gòu)的橫向分布系數(shù)分布情況，可以知道濕接縫連接和鉸縫連接都能使新舊橋梁結(jié)構(gòu)聯(lián)接良好，能達(dá)到共同受力狀態(tài)，新橋結(jié)構(gòu)能分?jǐn)傇瓨蛄航Y(jié)構(gòu)的荷載，有效延長(zhǎng)橋梁使用壽命。橫隔板連接的橫向分布系數(shù)分析表明，新舊橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)接一般，而且新橋在結(jié)構(gòu)重力的作用下，支座會(huì)產(chǎn)生較大的不均勻沉降，橫隔板易發(fā)生開裂等現(xiàn)象，一般不建議采用此方案。鉸縫連接需要鑿除邊板，工序復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)損耗大，相對(duì)而言更建議使用濕接縫連接拼寬方案。

4結(jié)語

在城市橋梁的拼寬設(shè)計(jì)中，在確保新舊橋梁結(jié)構(gòu)聯(lián)接良好，能共同受力、有效延長(zhǎng)原橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命的同時(shí)，還需要考慮經(jīng)濟(jì)的損耗以及拼寬施工時(shí)對(duì)交通的影響。本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，簡(jiǎn)述橋梁拼寬的要求、原則，分析了不同拼寬設(shè)計(jì)方案拼寬后的橋梁使用性能，并對(duì)城市橋梁拼寬設(shè)計(jì)提出了建議性的選取方案，希望能給后續(xù)類似工程提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]方益紅.高速公路橋梁拼寬改造關(guān)鍵問題分析[J].福建建筑，2009(9)：129-131.

[2]黃文波.公路舊橋擴(kuò)寬加固及連接技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

[3]李王輝.石安高速公路預(yù)制拼裝梁橋加固與擴(kuò)寬拼接技術(shù)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[4]黃燕燕.城市橋梁拼寬設(shè)計(jì)方式探討[J].福建建材，2016(1)：47-48.

摘要：城市橋梁作為跨越障礙的主要結(jié)構(gòu)，其拼寬設(shè)計(jì)的改建工作是公路改擴(kuò)建工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。文章結(jié)合工程實(shí)例，探討橋梁拼寬設(shè)計(jì)的方法及注意事項(xiàng)。

Studies on Splicing-widening Design Methods of Urban Bridges

TANG Chun-lin

(CCCC First Highway Consultants Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi，710064)

Abstract：Urban bridge is the main structure across the barriers，thus the reconstruction work of its spli-cing-widening design is important and difficult work in highway expansion and reconstruction project.Combining the engineering example，this article discussed the methods of bridge splicing-widening de-sign as well as the precautions.

Keywords：Urban bridges；Splicing-widening design；Design method

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)：U445.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.04.017

文章編號(hào)：1673-4874(2016)04-0058-06

收稿日期：2016-03-28

湯春林(1983—)，工程師，研究方向：橋涵設(shè)計(jì)。