閆金剛

（中鐵十四局集團(tuán)第五工程有限公司，山東濟(jì)寧 272000）

1 引言

當(dāng)前，我國高速公路網(wǎng)已基本形成。然而，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路交通流量越來越大，造成既有公路運(yùn)輸無法滿足現(xiàn)有交通需求。為改善這一不利現(xiàn)狀，公路拓寬已成為緩解交通壓力的重要手段。在公路拓寬建設(shè)中，橋梁工程的拓寬拼接是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在役橋梁拓寬拼接后，新舊橋梁的力學(xué)性能將會互相影響、互相制約，給橋梁拓寬拼接設(shè)計與施工均帶來了較大挑戰(zhàn)。因此，合理的拓寬拼接方式尤其重要，不僅可以保證拓寬拼接橋梁的協(xié)同變形與受力，還能有效提升公路通行能力。我國已經(jīng)有了不少成功的公路橋梁拼接實(shí)例，見表1。

表1 部分橋梁拓寬拼接實(shí)例

隨著國內(nèi)外公路拓寬改造需求的不斷增加，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對公路橋梁拓寬拼接問題均做了大量工作，也取得了一定研究成果[1-11]。然而，橋梁拓寬拼接是一個系統(tǒng)的工程，在設(shè)計與施工過程中涉及的因素眾多，當(dāng)前仍存在很多問題。本文將重點(diǎn)針對橋梁拓寬拼接中涉及的連接方案、混凝土收縮徐變及橋梁基礎(chǔ)沉降差3 個方面對現(xiàn)有研究進(jìn)行綜述。

2 橋梁拓寬拼接方案

在我國，梁式橋在高速公路中應(yīng)用較多，特別是中小跨徑的梁式橋梁應(yīng)用更為普遍。梁式橋梁的拓寬拼接是一個比較復(fù)雜的問題，通常采用與舊橋相同的結(jié)構(gòu)形式，從而確保拓寬拼接后的橋梁協(xié)調(diào)勻稱。根據(jù)工程實(shí)際情況，3 種連接方式已獲得了廣泛應(yīng)用，分別為：上、下部結(jié)構(gòu)均不連接；上、下部結(jié)構(gòu)均連接；上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)不連接。

2.1 上、下部結(jié)構(gòu)均不連接

當(dāng)采用上、下部結(jié)構(gòu)均不連接的方式時，新橋與舊橋的受力互不影響，施工相對比較方便。通常，只需要在新舊橋梁結(jié)構(gòu)之間留1 條縱縫，這種拓寬拼接方式不僅大大簡化了施工程序，而且消除了拼寬連接技術(shù)上的問題。然而，此種連接方式中，新舊橋梁無法協(xié)同受力與變形，造成新橋沉降量遠(yuǎn)大于舊橋沉降量，可能會造成鋪裝層的破壞，嚴(yán)重時可能會造成新舊橋梁在接縫處的錯位較大，影響橋梁美觀，增加了后期的運(yùn)營維護(hù)成本，不適用于大規(guī)模的橋梁拓寬拼接工程。目前，我國廣佛高速公路拓寬工程、廣州北環(huán)高速改造工程及銀川黃河大橋改擴(kuò)建工程均采用了此類拓寬拼接方案。

2.2 上、下部結(jié)構(gòu)均連接

當(dāng)采用上、下部結(jié)構(gòu)均連接的方式時，拓寬拼接完成后的新舊橋梁整體性比較好，能夠協(xié)同受力與變形，各片主梁內(nèi)力分布比較均勻，增大了拓寬橋梁的橫向剛度，有效減小了拼寬連接處的變形量。目前，常用的做法包括T 梁翼緣板連接和利用橫隔板將整個上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接2 種，后者較前者連接效果更好些。事實(shí)上，在新橋修建時，舊橋基礎(chǔ)沉降已經(jīng)多年，基本上達(dá)到不再沉降狀態(tài)，而新橋基礎(chǔ)的不斷沉降會嚴(yán)重影響新舊結(jié)構(gòu)連接處的受力，且新橋混凝土的溫度應(yīng)力、收縮徐變等因素均會在接縫處產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，嚴(yán)重時可能會產(chǎn)生裂縫，給后期運(yùn)營維護(hù)帶來困難。目前，我國沈大高速公路擴(kuò)建工程采用了上、下部結(jié)構(gòu)均連接的拓寬拼接方案。

2.3 上部結(jié)構(gòu)連接，下部結(jié)構(gòu)不連接

當(dāng)采用上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)不連接的方式時，綜合了前2 種橋梁拓寬拼接方式的優(yōu)點(diǎn)。此時新舊橋梁基礎(chǔ)相互獨(dú)立，下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力之間的相互影響甚微，且上部結(jié)構(gòu)整體性較好，基本可以保證上部結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力，同時又能保證上部結(jié)構(gòu)之間的連接對下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較小。此種拓寬拼接方式已被廣泛應(yīng)用且迄今運(yùn)行情況較好，尚未出現(xiàn)嚴(yán)重的橋梁裂縫問題。目前，我國滬杭甬高速公路及滬寧高速公路等工程項(xiàng)目均采用了上、下部結(jié)構(gòu)均連接的拓寬拼接方案。

上述3 種連接方案均有各自的優(yōu)勢與缺點(diǎn)，在進(jìn)行方案比選時，應(yīng)充分考慮新舊橋梁結(jié)構(gòu)形式、施工裝備及經(jīng)濟(jì)成本的影響，盡量做到拓寬拼接后的新舊橋梁變形協(xié)調(diào)、內(nèi)力分布均勻，且造價合理。

3 混凝土收縮徐變

事實(shí)上，混凝土的收縮與徐變是完全不同的2 個概念。收縮是指在混凝土凝結(jié)初期或者硬化過程中出現(xiàn)的一種體積縮小的現(xiàn)象；而徐變是指混凝土在長期荷載作用下所產(chǎn)生的變形。據(jù)相關(guān)研究，混凝土收縮徐變的影響因素主要有混凝土的齡期、構(gòu)件厚度、水灰比、空氣濕度、環(huán)境溫度等。收縮徐變過程除了會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失，還會影響梁體結(jié)構(gòu)的線形。

混凝土收縮徐變對新舊橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是新舊橋梁的齡期差造成的。根據(jù)我國JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》，橋梁需要考慮10 a 的混凝土收縮徐變的影響。對于拓寬拼接橋梁，舊橋相對于新橋齡期較長，大多數(shù)情況下超過了10 a，因此，新舊橋梁混凝土收縮徐變并不同步，可以近似認(rèn)為舊橋相對于新橋不發(fā)生收縮徐變，這將會導(dǎo)致拓寬拼接后的新舊橋梁在結(jié)構(gòu)受力與變形方面產(chǎn)生差異，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題，嚴(yán)重情況下會威脅行車安全。

在開展橋梁拓寬拼接設(shè)計時，應(yīng)充分考慮新舊橋梁混凝土收縮徐變差異對結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力的影響，并采取一定的技術(shù)措施來保證舊橋結(jié)構(gòu)的承載力與剛度，從而保證橋梁安全。實(shí)際上，混凝土的收縮徐變是隨著時間逐漸發(fā)展的，分析混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)，要對其作用過程進(jìn)行分析，提高評價精度。通常分析新橋收縮徐變對舊橋結(jié)構(gòu)的影響可分3 步：首先，假定新舊橋梁結(jié)構(gòu)之間不存在連接，計算某一個時段內(nèi)新橋混凝土收縮徐變大??；其次，考慮新舊橋梁連接的影響，根據(jù)新舊橋梁變形協(xié)調(diào)條件，建立方程，進(jìn)而獲得連接面上收縮徐變產(chǎn)生的內(nèi)力；最后，根據(jù)求得的連接面內(nèi)力，進(jìn)一步求解節(jié)點(diǎn)位移，并將節(jié)點(diǎn)位移代入單元剛度方程，求得各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力：

式中，ε(t)為t 時刻的應(yīng)變值；σ0為初始應(yīng)力；t0為初始時刻；E(t)為t 時刻的彈性模量；E(t0)為t0時刻的彈性模量；εsh(t,t0)為從t0到t 這一時段的內(nèi)應(yīng)變值；φ(t,t0)為從t0到t 這一時段內(nèi)的剪切角值；σ(t)為t 時刻的應(yīng)力值；t 為時刻值。

4 新舊橋梁基礎(chǔ)沉降差

對于橋梁拓寬拼接而言，新舊橋梁基礎(chǔ)沉降差也是不可避免的一個關(guān)鍵問題。在橋梁拓寬拼接完成后，新橋的基礎(chǔ)沉降開始發(fā)展，而舊橋基礎(chǔ)的沉降則接近完成狀態(tài)，此時，如果新橋基礎(chǔ)地基條件不好，可能過早出現(xiàn)沉降過大的情況，將會影響橋梁結(jié)構(gòu)。新舊橋梁基礎(chǔ)的沉降差對橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在變形上，具體為新橋主梁、拼接縫、舊橋主梁在豎向上的變形，由于混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，沉降差引起的橫向拉應(yīng)力成為控制因素，當(dāng)沉降差達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度極限時，可能會引起新舊橋連接部位產(chǎn)生順橋向的裂縫、主梁混凝土開裂及支座脫空。在服役過程中，雨水可能會滲入裂縫，影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

事實(shí)上，橋梁基礎(chǔ)的沉降是一個漫長的發(fā)展過程，而影響因素較多。在分析新舊橋梁基礎(chǔ)沉降差對橋梁結(jié)構(gòu)影響時，應(yīng)首先明確基礎(chǔ)的沉降規(guī)律，然后，根據(jù)相關(guān)公式計算樁基沉降值。當(dāng)前，樁基沉降值的計算大體可分為2 部分：基礎(chǔ)的最終沉降量和基礎(chǔ)沉降隨時間的變化過程。主要計算方法有理論公式法（如分層綜合法）和數(shù)值方法（如有限元法）。

為減輕或避免基礎(chǔ)沉降差對新舊橋梁結(jié)構(gòu)的影響，在拓寬設(shè)計過程中，可以考慮采取以下2 種方法：（1）進(jìn)行拓寬拼接時，將上部結(jié)構(gòu)做成分離式；（2）對新橋基礎(chǔ)進(jìn)行處理，進(jìn)而確保其沉降值控制在一定的許可范圍內(nèi)。事實(shí)上，將上部結(jié)構(gòu)做成分離式是存在一定弊端的，如結(jié)構(gòu)整體性削弱、會產(chǎn)生明顯的撓度差、影響結(jié)構(gòu)美觀等。在實(shí)際工程中，推薦采用第2種減小基礎(chǔ)沉降差的方法。

5 結(jié)語

當(dāng)前，既有公路網(wǎng)絡(luò)已無法滿足現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)男枨?，開展公路改擴(kuò)建是解決這一問題的重要手段，而橋梁拓寬拼接是公路改擴(kuò)建的重中之重。在橋梁拓寬拼接設(shè)計中，拼接方案比選、混凝土收縮徐變、新舊橋梁基礎(chǔ)沉降差是必須考慮的關(guān)鍵問題。為此，本文對上述3 個關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的技術(shù)策略，即在拼接方案方面推薦采用上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)不連接的方法。進(jìn)行混凝土收縮徐變分析時，應(yīng)提前預(yù)估新橋收縮徐變對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。進(jìn)行基礎(chǔ)沉降差控制時，應(yīng)通過技術(shù)措施將新橋沉降控制在一定范圍內(nèi)。期望本文的成果能為公路橋梁拓寬拼接設(shè)計提供一定的參考和指導(dǎo)。