高速公路橋梁拓寬關鍵技術分析研究

何玉寶 曹 景 謝 斌

(天津市市政工程設計研究院, 天津 300051)

高速公路橋梁拓寬關鍵技術分析研究

何玉寶*曹 景 謝 斌

(天津市市政工程設計研究院, 天津 300051)

橋梁拓寬是高速公路拓建中的技術關鍵所在，以唐津高速公路擴建中橋梁拓寬工程為依托，針對橋梁上下部結構的拓寬方式、橫向拼接技術、新老結構收縮徐變效應及沉降的控制方法等問題開展研究。經理論分析和試驗研究，采用了新老橋上部連接下部不連的拓寬方案，提出了調整與老梁拼接新梁鋼筋配置和延后拼接時間減小收縮徐變效應的方法，以及采取了樁底壓漿技術減小沉降、提高承載力的措施。研究成果已成功用于唐津高速拓寬工程中，對類似的橋梁橫向拓寬工程也有一定的工程參考價值。

拓寬方式， 拼接設計， 收縮徐變， 沉降差， 樁底注漿

1 工程概況

唐津高速公路分為北段一期、北段二期和南段。北段一期工程1998年10月建成通車，長度42.96 km；北段二期工程2000年10月建成通車，長度17.0 km；南段于2003年建成通車，長度66 km，高速全長共126.66 km。近些年來交通量快速增加,原設計的雙向4車道路幅已嚴重不能滿足交通量的需求,制約了其快速通道的發揮作用,因此對其的拓寬改造已刻不容緩。公路全線橋梁的上部結構主要為10 m、13 m先張法預應力混凝土空心板梁[1]；16 m和20 m先張、后張預應力混凝土空心板梁；20 m、25 m后張法預應力混凝土T梁及連續梁，尚有較多的中小跨徑橋梁上部結構采用預制混凝土梁(板)。為了使拓寬工程達到經濟、合理、可行[2]的目標，對橋梁設計提出了如下原則和技術標準：

(1)拓建工程在既有道路走廊內進行，采用兩側拼接為主、局部分離的總體方案。拓建后公路總體實現雙向6車道，路基寬度34.5 m；局部雙向8車道，分離路段路基寬度43 m(13.5 m+26 m+13.5 m)。

(2)為了利于新老橋梁的拼接，拓建橋梁采用與相應原橋相同的跨徑和相同的上部結構形式，即采用“同結構、同跨徑”的構造原則。

(3)為維持被交鐵路的通行凈空標準不變，拓寬部分的上部結構采取降低建筑高度的措施；對于被交高速、地方路等情況，則采取減少原富余的凈空高度或采取降低地方道路的標高等措施。

(4)公路從原斷面雙向4車道拓建為6車道后，橋面橫向布置將由原來的雙幅橋面全寬26 m，即：2×[0.75 m(中護欄)+凈11.25 m+0.5 m(邊護欄)]+1.0 m(橋間間距)，拓寬為雙幅全寬34.0 m，即2×[l.0 m(中護欄)+凈15.0 m+0.5 m(邊護欄)]+1.0 m(橋間間距)，北段兩側各加寬4.0 m，南段兩側各加寬3.25 m。

圖1 拓寬前后的橋面橫向布置(單位:cm)

2 新老橋梁拼接方式與構造

目前，新老橋梁上部結構和下部結構的拼接方式可分為三種：①新老橋梁的上、下部結構均不連接；②新老橋梁的上、下部結構均連接；③新老橋梁的上部結構連接、下部結構分離。通過對國內多條高速公路橋梁拓寬工程運營情況的調研與考察，并結合唐津高速沿線軟基路段很長、橋梁基礎沉降量較大的特點，確定采用上部結構連接、下部結構分離的拓寬方式。同時，針對不同的上部結構類型，進行從老橋施工至新老橋拼接后長期正常使用的全過程分析，提出如下拼接構造：

2.1 板梁的橫向拼接

新橋上部結構采用原有的簡支結構，橫向對應位置相互拼接拓寬。具體的拼接方式分為兩種。

1) 原橋邊板重做

由于采用原邊板直接與拓寬結構拼接的方式，原邊板的荷載橫向分布系數將會增大，邊板上橋面附屬構造的拆除也會導致其損傷，故考慮將原邊板拆除并原位更換一片與原外形一致的邊板。該邊板的外側懸臂板端預留鋼筋，與其相鄰加寬部分內邊板的懸臂板也類似地預留鋼筋；然后將這兩懸臂板對應位置的鋼筋焊接，現澆接縫混凝土后實現拼接，見圖2。

圖2 板梁拼接方式一

2) 原橋邊板保留

對于原邊板懸臂較大的情況(大于50 cm)，采用將原邊板懸臂部分人工鑿除并確保不損傷主體結構，通過縮短懸臂長度減小原邊板的橫向分布系數；保留鑿除部分懸臂板的鋼筋并植入新鋼筋[3]，然后將這些鋼筋與加寬部分內邊板懸臂板對應位置的預留鋼筋焊接，現澆混凝土后實現拼接，見圖3。

圖3 板梁拼接方式二

2.2 T梁的橫向拼接

先將原橋外側邊T梁拆除后更換為新T梁，加寬部分的T梁則調整其懸臂長度和濕接縫的寬度，各T梁對應橫梁的鋼筋焊接，采用現澆混凝土實現剛性連接。采用該連接方式后，橋梁整體性好、后期沉降等因素不容易引起連接部位開裂，見圖4。

圖4 T梁拼接方式

2.3 箱梁的橫向拼接

箱梁拼接時僅將新箱梁與原箱梁的懸臂板橫向連接在一起。但新老箱梁懸臂板連接后，應考慮到老箱梁懸臂板原橫向設計受力情況的變化(原來主要承擔負彎矩)。具體拼接方式如下。

1) 懸臂板部分鑿除后拼接

鑿除原箱梁一定長度范圍的懸臂板，露出懸臂板鋼筋，將原箱梁懸臂板的鋼筋與新箱梁懸臂處預留鋼筋焊接，然后澆筑新老梁懸臂端處的濕接縫混凝土，見圖5。

圖5 箱梁拼接方式一

2) 懸臂板部分切除真縫對接

對于錯跨布置的箱梁[5]，切除原箱梁一定長度的懸臂板，同時新老箱梁懸臂板之間設置1cm真縫，待橋面鋪裝施工完成后采用反開槽方式施做水泥混凝土，真縫間采用注膠方式填充，見圖6。

圖6 箱梁拼接方式二

3 新老橋梁拼接后的受力及應對措施

新老橋梁采用上部結構連接、下部結構分離的構造方式后，需對新老梁的混凝土收縮徐變、濕接縫的厚度及新老結構基礎差異沉降等不利影響，進行分析并提出應對措施，以確保新老梁拼接成功。下面以跨徑16m板梁橋為例，采用Midas FEA軟件建立橋梁實體模型，進行從老橋施工至新老橋拼接后長期正常使用的全過程分析[4]。

3.1 混凝土收縮徐變效應

施工階段(原橋板梁吊裝后初期)，板梁的縱向正應力基本處在-11.62～1.52 MPa。原橋中板跨中截面的上緣縱向壓應力為-0.33 MPa左右，下緣壓應力為-10.85 MPa；邊板上緣應力為-0.43 MPa，下緣應力為-10.20 MPa。板梁跨中截面縱向正應力分布見圖7。

圖7 原橋板梁吊裝后初期跨中截面上下緣縱向正應力(單位：MPa)

施工階段(新橋板梁徐變收縮10年后)，板梁縱向正應力為-9.76～0.53 MPa。原橋中板跨中截面上緣縱向壓應力為-8.85 ～-6.49 MPa，下緣壓應力為-9.33～-6.54 MPa；原橋邊板跨中上緣應力為-5.81 MPa，下緣應力為-6.51 MPa；新橋邊板(含老橋更換的新邊板)跨中上緣應力為-5.42～-2.85 MPa，下緣應力為-5.06～-1.77 MPa。板梁跨中截面縱向正應力分布見圖8。

上述各施工階段板梁跨中截面縱向正應力見表1。

圖8 新橋板梁徐變收縮10年后跨中截面上下緣縱向正應力(單位：MPa)

表1 跨中截面縱向正應力

Table 1 Longitudinal stresses in the mid-span cross section MPa

從表1跨中截面應力可知，徐變收縮使新老板梁應力趨于不均勻。靠近新橋側老橋Lz1板的壓應力較大，而遠處的壓應力逐漸減小，上下緣應力具有類似的變化規律。新橋板梁的應力表現為越靠近老板梁壓應力越小，其中老橋更換的新板Xb2板應力變化較大。混凝土收縮徐變對原橋更換的新板Xb2板及老板Lz1板應力的影響最大。

2.2 基礎沉降差影響

新老橋梁沉降差會明顯增大橋面鋪裝的拉應力，且量值與濕接縫的厚度有關。與濕接縫相鄰的兩個接縫處鋪裝層將產生較大的拉壓應力帶。即在老橋更換的新板Xb2與老板Lz1之間的鋪裝層及新中板Xz1與新邊內板Xb3之間的鋪裝層，前者的上緣出現拉應力帶、下緣出現壓應力帶，后者則上緣產生壓應力帶。

濕接縫厚度越大，Xb3板與Xb2連接的剛度就越大，引起的拉壓應力帶越明顯。新老橋沉降差10 mm時，不同濕接縫厚度的鋪裝層縱向拉應力基本處在2.3 MPa，橫向拉應力均約為13.0 MPa；近支點附近橫向最大拉應力可達到15.5 MPa。

濕接縫的應力與其厚度有關。根據分析結果，濕接縫的控制拉應力位于支點正面下緣(表面),橫向正應力、背面支點上緣橫向正應力及近支點的橫向最大拉應力，見表2。

表2 板梁主要截面的濕接縫應力

Table 2 Stresses in wet joints of the main cross sections in plate girders

圖9分別列出三種濕接縫厚度情況下，沉降差引起的橫向控制拉應力。從圖中可見，濕接縫厚度越大，橫向拉應力越小；但當濕接縫厚度大于20 cm時，拉應力反而增大。

圖9 沉降差引起的濕接縫橫向控制拉應力

3.3 主要應對措施

(1) 混凝土收縮徐變效應。新老板梁混凝土收縮徐變差異，使得板梁的應力趨于不均勻化，收縮徐變對原橋更換的新板Xb2板及原板Lz1板應力的影響最大。相應的措施為：首先調整這些板梁的配筋，確保它們的應力滿足使用階段要求；同時通過調整新老板梁的拼接時間以減小拼接后收縮徐變的影響，拼接時間一般控制在3～4個月以上。

(2) 基礎沉降差影響。控制新老橋之間的沉降差，是保證板梁拼接效果的主要因素。為此，對鉆孔灌注樁樁底采用后注漿措施，將漿液壓入樁端土層，通過對沉渣滲透、填充、壓密、劈裂、固結等作用增強樁端土的強度，達到提高樁基極限承載力、減少樁沉降量的目的。表3給出了壓漿對樁尖承載力提高的效果[5]。

表3 壓漿對樁尖承載力提高的效果

Table 3 Improvement of bearing capacity of pile tip due to grouting

通過樁底注漿可有效提高樁基的承載力，提高比例約為28%，同時其樁尖承載力的比例也由原來的7.5%可提高至約15%。這項措施也將有效減少樁的沉降量。

(3) 新老板梁濕接縫厚度影響。濕接縫厚度越大橫向拉應力越小，但當濕接縫厚度大于20 cm時拉應力反而增大。若以橫向最大拉應力的指標判別沉降差，則以單位mm沉降差為標準，濕接縫18 cm厚的應力為0.255 MPa/mm，20 cm厚時為0.193 MPa/mm，25 cm厚時為0.198 MPa/mm。因此，濕接縫選擇合適的寬厚比(厚度宜控制在20 cm左右)對其變形的適應性會更好，更利于新老結構間的協調作用。

4 結 論

(1) 通過對已有工程情況調研分析，結合唐津高速情況，橋梁整體拓寬方案選用上部結構連接、下部結構分離的方式是合理、可行的。

(2) 選取橋梁拓寬方案需要考慮諸多因素，如原橋的技術狀況、沿線的地質條件、合理的拼接方式、新老結構間的變形協調、新老結構的合理拼接時間等。

(3) 新老板梁之間混凝土收縮徐變差效應、新老基礎沉降差影響，都是橋梁拼接設計的技術重點。針對性的設計優化和施工措施是確保結構受力滿足要求的關鍵。

(4) 實踐表明，樁底后注漿技術具有操作簡單、造價低的特點，可作為減少樁沉降量的一項技術措施。

(5) 唐津高速公路改擴建項目探討的橋梁加寬設計應遵循的原則及技術要點，對橋梁拼接加寬不同方式優缺點的分析結果，對類似項目的設計、建設將有所幫助。

[1] 中交公路規劃學設計院.JTGD 60—2004 公路橋涵設計通用規范[S]. 北京：人民交通出版社，2004.

CCCC Highway Construction Co. Ltd. JTGD 60—2004 General code for design of highway bridges and culverts [S]. Beijing: People Transportation Press, 2004 (in Chinese)

[2] 范立礎.橋梁工程[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

Fan Lichu. Bridge engineering[M]. Beijing: People Transportation Press, 2001.(in chinese)

[3] 中華人民共和國建設部．GB 50367—2006 混凝土結構加固設計規范[S]．北京:中國建筑工業出版社，2006．

Ministry of Construction of the People ’s Republic of China． GB 50367—2006 Design code for strengthe-ning concrete structure [S]． Beijing: China Architec-ture and Building Press，2006． ( in Chinese)

[4] 譚茶生,溫靖贊,曾慶敦.混凝土橋面鋪裝層受力分析研究[J].結構工程師,2006, 22 (5 ):34-39.

Tan Chasheng, Wen Jingzun, Zeng Qingdun. Investi-gation into mechanical analysis of concrete bridge o-verlays [J]. Structural Engineers, 2006, 22 (5): 34-39. (in Chinese )

[5] 劉偉偉,巢斯.鉆孔灌注樁后注漿的分析和探討[J].結構工程師,2010,26(6):84-88.

Liu Weiwei, Chao Si. Discussion and analysis on post-grouted bored pile [ J ] .Structural Engineers,2010,26(6) :84-88. (in Chinese)

Analysis of Key Technology in Expressway Bridge Widening

HE Yubao*CAO Jing XIE Bin

(Tianjin Municipal Engineering Design Institute，Tianjin 300051, China)

Bridge Widening is the key technology in the reconstruction projects for highway extension. Based on the project of bridge widening in Tangjin Expressway extension, the problems have been researched which are related to bridge superstructure and substructure widening methods, transverse jointing technology, shrinkage and creep effects and settlement control methods of the new and old structures. A widening solution, joining the superstructure and keeping the substructure separated between the new and old structures, is adopted base on theoretical analysis and experiments. Besides, other measures have also been proposed that adjusting the configuration of the steel bars in new girders, postponing the jointing of superstructures in order to mitigate the shrinkage and creep effects and grouting at the piles’bottoms to reduce the settlement and enhance the load carrying capacity. The research results have been successfully used in Tangjin expressway widening project, which is worth referring to for other similar bridge transverse widening projects.

widening methods, jointing design, shrinkage and creep, settlement differences, pile bottom grouting

2014-03-14

*聯系作者，Email:33128579@qq.com