尹棟佳（上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司，上海200065）

公路橋梁拓寬設(shè)計(jì)方案分析

尹棟佳
（上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司，上海200065）

橋梁拓寬改造可以提升橋梁通行能力，適應(yīng)現(xiàn)代交通發(fā)展的要求。橋梁拓寬的工程實(shí)例還很有限，拓寬工程的方案設(shè)計(jì)還沒有成形理論及特定設(shè)計(jì)方法。本文簡(jiǎn)述某橋梁拓寬工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，該方案在設(shè)計(jì)過程中對(duì)于橋梁拓寬設(shè)計(jì)存在的問題提出了一些解決方式，希望對(duì)同類工程提供參考。

橋梁拓寬收縮徐變無縫伸縮縫沉降

0 前言

橋梁是公路交通的咽喉，隨著交通量的不斷增大，部分早建橋梁已經(jīng)不能適應(yīng)交通運(yùn)輸?shù)男枨?，?yán)重制約公路通行水平及服務(wù)質(zhì)量。通?；诳紤]路網(wǎng)布局、對(duì)沿線城市的發(fā)展、占用土地、環(huán)保及工程造價(jià)等因素，采用對(duì)原公路進(jìn)行加寬。橋梁拓寬改造是提升公路通行能力、緩解交通壓力的有效途徑，同時(shí)兼具經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性[1]。目前，橋梁拓寬工程案例較少，設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)理論還不系統(tǒng)完善，在拓寬案例中還有很多問題出現(xiàn)。本文通過工程實(shí)例，介紹在工程拓寬設(shè)計(jì)過程中對(duì)某些實(shí)際問題的解決方案及思路，希望為同行提供一些參考價(jià)值。

1 工程概況

案例工程為浙江省某高速公路拓寬工程的控制性工程。橋梁上跨蕭甬鐵路，既有橋分左右兩幅，單幅橋?qū)?6.75m，主橋?yàn)?×30m后張預(yù)應(yīng)力空心板簡(jiǎn)支梁。橋梁拓寬改造是在既有橋拆除護(hù)欄等附屬構(gòu)造，在左右幅各拼寬3.50m，單側(cè)可以增大一個(gè)車道的通行能力，從而能夠大大緩解交通壓力，橋梁總體布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置圖

為保持新橋與既有橋的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，新橋采用與既有橋相同的布置形式。上部結(jié)構(gòu)采用30m后張預(yù)應(yīng)力空心板簡(jiǎn)支梁，下部采用柱式橋墩。設(shè)計(jì)荷載：既有橋汽車荷載汽-超20，新橋設(shè)計(jì)汽車荷載公路-I級(jí)。本工程橋梁抗震設(shè)防類別為B類，抗震設(shè)防烈度為6度，地震動(dòng)峰值加速度0.05g，橋梁抗震設(shè)防措施等級(jí)為7級(jí)。跨越鐵路橋梁安全系數(shù)采用1.3。

圖2 拓寬工程產(chǎn)生的橋面縱縫

2 拓寬方案比選

橫向連接是橋梁拓寬設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。不同的橫向連接其結(jié)構(gòu)傳力形式完全不同，內(nèi)力分配也不一樣，因此橋梁建成后的命運(yùn)也大相徑庭。

目前工程實(shí)踐中常用的橫向連接方式主要有：新舊橋梁上、下部結(jié)構(gòu)均不連接，新舊橋梁上、下部結(jié)構(gòu)均連接及新舊橋梁僅上部連接三種方案。但在實(shí)踐中三種方案均存在無可避免的缺點(diǎn)。

第一種方案不存在連接的技術(shù)問題，但在汽車荷載作用下新舊橋梁不能協(xié)調(diào)變形，下部結(jié)構(gòu)不同沉降差等都會(huì)造成連接部位瀝青鋪裝層的破壞（如圖2所示），影響行車舒適性及安全性。第二種方案橋梁整體性最好，但由于新舊橋梁存在收縮徐變差異，新橋容易產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，新梁截面長(zhǎng)期處于受拉工作狀態(tài)，對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)是不利的。第三種方案同樣存在附加內(nèi)力過大導(dǎo)致的上部結(jié)構(gòu)易損的問題。

案例工程在進(jìn)行新橋設(shè)計(jì)時(shí)，綜合了上述三種連接方案的優(yōu)劣，取長(zhǎng)補(bǔ)短，確定采用第二種設(shè)計(jì)方案，同時(shí)采取可靠構(gòu)造措施保證橋梁的安全性與工作性能。

主要設(shè)計(jì)思路是，下部結(jié)構(gòu)采取可靠的半剛性連接，盡量減少下部結(jié)構(gòu)對(duì)上部結(jié)構(gòu)受力的不利影響。上部結(jié)構(gòu)采取施工、構(gòu)造等措施減少新舊板梁之間的受力干擾，既保證新舊結(jié)構(gòu)變形協(xié)同，又避免上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，如圖3所示。

圖3 新建橋梁上部結(jié)構(gòu)與既有橋的關(guān)系

3 拓寬方案連接設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到新橋后期可能存在較大的沉降，新舊橋梁之間沉降差會(huì)導(dǎo)致蓋梁結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝層的破壞。為避免此類問題產(chǎn)生，主要采取以下設(shè)計(jì)措施：

（1）增大新橋設(shè)計(jì)樁徑及構(gòu)造，減少沉降差異。根據(jù)橋址地質(zhì)情況，橋梁既有橋及新橋均采用摩擦樁樁基。不同的是，既有橋樁直徑為1.2m，新橋設(shè)計(jì)時(shí)采用1.4m樁直徑。增大樁徑可以有效增加樁基單樁側(cè)摩阻力和樁端承載力。

按照文獻(xiàn)[2]推薦的彈性理論法計(jì)算，1.4m樁基比1.2m樁基的側(cè)摩阻力增大16.7%，樁端承載力增大36%。假設(shè)既有橋不再沉降的條件下，通過上述構(gòu)造處理措施可控制新墩沉降和在5mm以內(nèi)，即新舊樁之間的沉降差小于5mm。

（2）連接采用半剛性連接（如圖4所示），以減少新舊蓋梁附加內(nèi)力的產(chǎn)生。新舊蓋梁的懸臂采用植筋技術(shù)連接，同時(shí)在蓋梁埋置傳力鋼板，防止混凝土表面應(yīng)力集中產(chǎn)生的拉裂。蓋梁之間可以傳遞剪力作用，同時(shí)傳遞彎矩。為防止不均勻沉降造成的下部結(jié)構(gòu)開裂，留有2cm沉降縫。

新舊蓋梁在沉降差異下傳力途徑明確，變形協(xié)調(diào)，同時(shí)又能夠防止產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)性破壞。但是，這種設(shè)計(jì)方式對(duì)于外露鋼筋的防腐要求較高，需采取可靠的鋼筋防腐措施。最后，設(shè)計(jì)在縫隙填充微膨脹混凝土、保護(hù)鋼筋的同時(shí)，形成最終形式的蓋梁半剛性橫向連接。

圖4 新舊蓋梁的半剛性連接

（3）新舊橋梁的縱向連接是橋梁拓寬設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，橋面鋪裝縱向裂縫破壞是橋梁拓寬工程常見的病害。無縫彈性伸縮縫的鋪裝形式可以有效解決這一難題。

彈性伸縮縫廣泛應(yīng)用于橋面修復(fù)與道路養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域[3]。工程設(shè)計(jì)借用這一技術(shù)連接新舊橋梁鋪裝層，將新舊橋面接縫范圍的橋面鋪裝層替換為一種高彈性的特殊瀝青混合料無縫伸縮縫。采用的瀝青混合料彈性性能優(yōu)良，適應(yīng)變形能力更強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)橋面結(jié)構(gòu)的無縫化連接，如圖5所示。

彈性接縫能吸收各方面的變形和震動(dòng)，且阻尼性高，對(duì)橋梁減震有利，可滿足彎橋、坡橋、料橋、寬橋的縱、橫、豎三個(gè)方向的伸縮與變形。

圖5 無縫彈性伸縮縫構(gòu)造圖

4 新舊橋梁收縮徐變效應(yīng)分析

收縮徐變效應(yīng)是橋梁拼寬工程的另一難點(diǎn)。新橋的收縮徐變效應(yīng)遠(yuǎn)大于既有橋梁，一般認(rèn)為既有橋收縮徐變效應(yīng)已經(jīng)完成，兩者的效應(yīng)差均由新橋引起。在此效應(yīng)下，舊梁呈受壓狀態(tài)，受力狀態(tài)改善，新梁呈受拉狀態(tài)，對(duì)新梁不利。

在新舊橋梁具有可靠橫向連接的情況下，由新橋收縮徐變引起的混凝土應(yīng)力重分布進(jìn)而造成的主梁橫向拉裂普遍存在。筆者在橋梁設(shè)計(jì)過程中對(duì)這一問題進(jìn)行了研究。

為避免此類問題產(chǎn)生，主要考慮采取以下設(shè)計(jì)措施：

（1）延長(zhǎng)存梁時(shí)間，新梁變“舊梁”。文獻(xiàn)[4]規(guī)定的收縮徐變計(jì)算公式分別為：

從上述公式可以看出，收縮徐變效應(yīng)與混凝土齡期呈線性關(guān)系?；炷笼g期越長(zhǎng)，收縮徐變完成的越徹底，橋梁拼接后，新舊橋梁之間的影響越小。

利用MIDASCivil梁格法建立模型進(jìn)行計(jì)算，如圖6所示。在新舊板剛性接連時(shí)，新梁存放28d后拼裝，新梁產(chǎn)生的拉應(yīng)力為2.07MPa，大于C50混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.83MPa。新梁存放200d后拼裝，新梁產(chǎn)生的拉應(yīng)力為1.58MPa，小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。新梁存梁200d計(jì)算的新板拉應(yīng)力比存梁28d的拉應(yīng)力減少31%，效果十分明顯。

圖6 新舊板梁梁格法模型

因此，設(shè)計(jì)要求預(yù)制梁廠首先預(yù)制拼寬梁進(jìn)行存放，存放時(shí)長(zhǎng)在200d以上。需要注意的是，為防止收縮徐變產(chǎn)生過大反拱值，存放28d后，梁體施加與二期恒載差不多的均勻荷載，直到架梁階段。

（2）新舊板梁之間鉸縫采用鋼纖維混凝土填筑，如圖7所示。由于收縮徐變效應(yīng)，新舊板梁之間的鉸縫是受力最薄弱的環(huán)節(jié)，鉸縫開裂脫落影響結(jié)構(gòu)的整體性，同時(shí)導(dǎo)致橋面破壞。

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。纖維體積率在1%～2%之間的鋼纖維混凝土，較之普通混凝土，抗拉強(qiáng)度可提高40%～80%。

圖7 新舊板梁鉸縫構(gòu)造

5 結(jié)論與建議

（1）橋梁拓寬改造是提升公路通行能力、緩解交通壓力的有效途徑，拓寬方案應(yīng)考慮后期養(yǎng)護(hù)及和新舊橋梁的易性問題。

（2）新建部分的下部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量做強(qiáng)，樁基礎(chǔ)采用增大樁徑的方法提高樁側(cè)摩阻力，減少不均勻沉降產(chǎn)生的不利影響，下部結(jié)構(gòu)連接應(yīng)避免結(jié)構(gòu)受力過大。

（3）新梁處于受拉狀態(tài)，延長(zhǎng)存梁時(shí)間可有效減少收縮徐變產(chǎn)生的影響。

（4）連接部位是最薄弱環(huán)節(jié)，通過無縫彈性伸縮縫和鋼纖維混凝土填筑等構(gòu)造措施可有效減少連接部位的橋梁病害。

[1]王法雨.高速公路橋梁加寬拼接技術(shù)[J].公路，2011，（7）.

[2]JTGD63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2007.

[3]林峰.TST彈塑體伸縮縫在拼寬橋上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].鐵道勘察，2006，42（2）.

[4]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：人民交通出版社，2004.