城市橋梁拼寬設計方法研究

湯春林

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西　西安　710064)

城市橋梁拼寬設計方法研究

湯春林

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安710064)

關鍵詞：城市橋梁；拼寬設計；設計方法

0引言

伴隨著城市化的迅猛發展，城市交通量成倍增長，對現有道路進行改造以緩解交通量增大的壓力是城市道路發展的趨勢[1]。一般而言，城市橋梁的改、擴建可提高原有公路的橋梁荷載等級。在實際的城市橋梁拼寬施工中，拼寬結構與原結構的連接問題是難點，科學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構的承載能力，延長橋梁使用壽命；但不合理的拼寬設計不但不能提高原橋梁結構的承載能力，還會使拼寬結構與原橋梁結構連接面出現裂縫等現象，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提高橋梁承載能力，需要對拼寬措施進行專項的設計研究并制定合理的施工方案。

1工程概況

某城市橋梁，長204.84 m，上下行分離式斷面，上部結構為跨徑20 m的預應力混凝土空心板梁，板高0.85 m，橫向預制板之間采用鉸縫連接，預應力鋼筋為φJ15.2預應力鋼絞線，主梁預制空心板上部的現澆10cm整體化混凝土參與結構受力，預制空心板主梁以及鉸縫的混凝土強度均為C38，其橫斷面示意圖如圖1～3所示，下部為肋式橋臺，采用擴大基礎，其設計技術標準以及原結構使用情況如表1所示。

表1　橋梁設計技術標準表

表2　橋梁原結構使用情況表

圖1　原橋梁結構標準橫斷面圖

圖2　邊板橫斷面圖

圖3　中板橫斷面圖

2拼寬設計前橋梁結構荷載試驗

對原城市橋梁結構進行荷載試驗，為確定拼寬設計的合理性以及制定相應的拼寬施工方案提供實際依據。

2.1靜載試驗

(1)靜載試驗概述

利用靜態應變測試系統與機電百分表結合對橋梁結構進行豎向撓度測量，利用電子水準儀測量橫向撓度，測定試驗荷載作用下橋梁跨中的最大撓度；利用振弦式應變計進行測點應變測試出主梁空心板控制截面的最大應力或應變值以及撓度橫向分布情況[2]。選擇控制截面為應力測點，控制截面以及控制截面兩側支點為撓度測點，各板跨中截面為撓度橫向分布測點。

(2)靜載試驗荷載設計

根據橋梁設計規范，靜載試驗檢驗原橋梁結構的工作性能及承載能力荷載效率取值為：

表3　加載車輛系數表

(3)加載注意事項

靜載試驗分3級進行加載，每1級增加1輛加載車輛；試驗過程中加載和卸載的持續時間由橋梁結構測點讀數變化達到穩定標準時間所需的時間決定；在每一級的荷載加載到規定數量后，橋梁結構在最后5 min內的變為增量不大于前一個5 min內的增量的15%，或不大于儀器最小分辨率值時，則認為結構變位相對穩定。

圖4　靜載試驗車輛加載布置圖

(4)靜載試驗結果分析

表4　撓度試驗結果及理論計算結果分析表

表5　應變試驗結果及理論計算結果分析表

表6　橫向分布系數試驗結果及理論計算結果分析表

由表4～5可以看出，撓度和應變的試驗結果均比理論計算值小，校驗系數為0.5～0.8，≤1，即原橋面結構安全度滿足要求。

由表6可以看出，在偏心荷載的作用下，斷面橫向分布系數測試值與理論計算值相差甚小，即原橋面結構未出現單板受力情況。

2.2動載試驗

(1)動載試驗概述

利用動態信號測試系統收集在不同行駛速度的車輛荷載作用下橋梁動撓度數據，通過分析數據得出活載的沖擊系數，以及進行橋梁的自振特性分析。

(2)動載試驗荷載設計

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，在測試儀器的輔助下測定橋梁結構的沖擊系數、自振頻率以及阻尼比。

(3)動載試驗結果分析

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實測沖擊系數0.090.110.05

圖8　橋梁結構脈動加速度時程曲線圖

通過分析跑車曲線和時程曲線(見圖5～8)，結合實測沖擊系數(見表7)，可以看出原橋梁結構的豎向一階頻率為6.26 Hz，理論值為4.25 Hz，橋梁實測尼阻比為6.34%，即橋梁動力性能良好。

2.3拼寬設計前橋梁結構荷載試驗小結

在橋梁荷載試驗過程中，撓度理論計算值皆大于實測值，可以看出該橋梁抗彎剛度良好，符合設計及滿足正常車輛行駛的荷載作用，可以進行拼寬設計。在動載試驗中，橋梁自振特性以及尼阻比等結果表明橋梁動力性能良好，宜進行同跨徑、同結構兩側皆進行拼寬設計。

3橋梁拼寬設計

橋梁拼寬設計材料見表8。

表8　拼寬設計材料表

3.1拼寬原則

(1)拼寬橋梁結構與原橋梁結構應同一跨徑、結構形式，拼寬后新舊橋梁的受力狀態和結構剛度盡可能保持一致，在相同荷載作用下的新舊橋梁結構產生的撓度差不得過大，避免新舊橋面接縫處產生縱向裂縫[3]。

(2)新舊橋梁空心板主梁結構應考慮濕接縫、鉸接以及橫隔板連接三種拼寬方案，進行方案比選，擇優取用。

(3)對舊橋下部結構應充分利用，承載能力不足的蓋梁應考慮加固設計。

(4)拼寬的新橋梁結構上部主梁應采用與舊橋主梁一致的預應力空心板，為了避免拼寬后新橋重量引起橋梁結構產生不均勻沉降，對行車安全造成威脅，對拼寬新橋基礎采用樁基礎加固措施。

(5)拼寬設計應遵循安全、耐用、經濟、美觀的原則。

3.2拼寬設計方案

(1)濕接縫連接

在原橋梁結構邊板外側植上連接鋼筋，將連接鋼筋與新拼寬橋梁結構的預埋鋼筋進行焊接，在新舊橋梁結構接縫處現澆45 cm寬度的混凝土并進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一道厚為30 cm的橫梁。見圖9。

圖9　濕接縫連接構造圖

(2)鉸縫連接

將原橋梁結構邊板外側腹板處的混凝土鑿除，同時用預制中板替換原橋梁結構的邊板，在新舊橋梁拼寬接縫處預留5 cm寬的縫，用于現澆混凝土鉸縫將新舊橋梁結構連接成一體。見圖10。

圖10　鉸縫連接構造圖

(3)橫隔板連接

在新舊橋梁預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均設置混凝土橫隔板，將新舊橋梁結構連接成體，共同受力。見圖11。

圖11　橫隔板連接構造圖

3.3拼寬設計方案比選

(1)各拼寬設計方案后橋梁橫向分布影響線比選分析

按照拼寬設計方案，擬設計拼寬后橋梁結構橫斷面圖如圖12所示，其中1#～12#為原橋梁結構，13#～19#為新拼寬橋梁結構。利用有限元軟件Ansys建立計算模型，計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計算模型圖

通過軟件的計算分析，可以得到各拼寬方案后橋梁橫向分布影響線結果，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構整體性能好，其中采用橫隔板連接的橫向分布影響線變化差異較大，即新舊橋梁結構整體性能較差。

(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對比表

分析表9可以看出，三個拼寬方案的的橫向分布系數中，橫隔板連接后的主梁橫向分布系數分布均勻，證明此拼寬設計后新舊橋梁結構聯接不良；濕接縫連接后的主梁橫向分布系數相對舊橋而言，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拼寬設計方案選取

通過分析拼寬后橋梁結構的橫向分布系數分布情況，可以知道濕接縫連接和鉸縫連接都能使新舊橋梁結構聯接良好，能達到共同受力狀態，新橋結構能分攤原橋梁結構的荷載，有效延長橋梁使用壽命。橫隔板連接的橫向分布系數分析表明，新舊橋梁結構的聯接一般，而且新橋在結構重力的作用下，支座會產生較大的不均勻沉降，橫隔板易發生開裂等現象，一般不建議采用此方案。鉸縫連接需要鑿除邊板，工序復雜，經濟損耗大，相對而言更建議使用濕接縫連接拼寬方案。

4結語

在城市橋梁的拼寬設計中，在確保新舊橋梁結構聯接良好，能共同受力、有效延長原橋梁結構使用壽命的同時，還需要考慮經濟的損耗以及拼寬施工時對交通的影響。本文結合具體的工程實例，簡述橋梁拼寬的要求、原則，分析了不同拼寬設計方案拼寬后的橋梁使用性能，并對城市橋梁拼寬設計提出了建議性的選取方案，希望能給后續類似工程提供參考。

參考文獻

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

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

[3]李王輝.石安高速公路預制拼裝梁橋加固與擴寬拼接技術研究[D].西安：長安大學，2014.

[4]黃燕燕.城市橋梁拼寬設計方式探討[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構，其拼寬設計的改建工作是公路改擴建工程的重點和難點。文章結合工程實例，探討橋梁拼寬設計的方法及注意事項。

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

作者簡介

中圖分類號：U445.6

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.04.017

文章編號：1673-4874(2016)04-0058-06

收稿日期：2016-03-28

湯春林(1983—)，工程師，研究方向：橋涵設計。