公路橋梁拓寬設計方案分析

尹棟佳（上海城建市政工程(集團)有限公司，上海200065）

公路橋梁拓寬設計方案分析

尹棟佳
（上海城建市政工程(集團)有限公司，上海200065）

橋梁拓寬改造可以提升橋梁通行能力，適應現代交通發展的要求。橋梁拓寬的工程實例還很有限，拓寬工程的方案設計還沒有成形理論及特定設計方法。本文簡述某橋梁拓寬工程項目設計方案，該方案在設計過程中對于橋梁拓寬設計存在的問題提出了一些解決方式，希望對同類工程提供參考。

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，部分早建橋梁已經不能適應交通運輸的需求，嚴重制約公路通行水平及服務質量。通常基于考慮路網布局、對沿線城市的發展、占用土地、環保及工程造價等因素，采用對原公路進行加寬。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，同時兼具經濟性與實用性[1]。目前，橋梁拓寬工程案例較少，設計方案及設計理論還不系統完善，在拓寬案例中還有很多問題出現。本文通過工程實例，介紹在工程拓寬設計過程中對某些實際問題的解決方案及思路，希望為同行提供一些參考價值。

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，單幅橋寬16.75m，主橋為3×30m后張預應力空心板簡支梁。橋梁拓寬改造是在既有橋拆除護欄等附屬構造，在左右幅各拼寬3.50m，單側可以增大一個車道的通行能力，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構統一，新橋采用與既有橋相同的布置形式。上部結構采用30m后張預應力空心板簡支梁，下部采用柱式橋墩。設計荷載：既有橋汽車荷載汽-超20，新橋設計汽車荷載公路-I級。本工程橋梁抗震設防類別為B類，抗震設防烈度為6度，地震動峰值加速度0.05g，橋梁抗震設防措施等級為7級。跨越鐵路橋梁安全系數采用1.3。

圖2 拓寬工程產生的橋面縱縫

2 拓寬方案比選

橫向連接是橋梁拓寬設計的重點。不同的橫向連接其結構傳力形式完全不同，內力分配也不一樣，因此橋梁建成后的命運也大相徑庭。

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

第一種方案不存在連接的技術問題，但在汽車荷載作用下新舊橋梁不能協調變形，下部結構不同沉降差等都會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，新橋容易產生較大的附加內力，新梁截面長期處于受拉工作狀態，對于上部結構的受力狀態是不利的。第三種方案同樣存在附加內力過大導致的上部結構易損的問題。

案例工程在進行新橋設計時，綜合了上述三種連接方案的優劣，取長補短，確定采用第二種設計方案，同時采取可靠構造措施保證橋梁的安全性與工作性能。

主要設計思路是，下部結構采取可靠的半剛性連接，盡量減少下部結構對上部結構受力的不利影響。上部結構采取施工、構造等措施減少新舊板梁之間的受力干擾，既保證新舊結構變形協同，又避免上部結構產生結構性破壞，如圖3所示。

圖3 新建橋梁上部結構與既有橋的關系

3 拓寬方案連接設計

設計時，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導致蓋梁結構及橋面鋪裝層的破壞。為避免此類問題產生，主要采取以下設計措施：

（1）增大新橋設計樁徑及構造，減少沉降差異。根據橋址地質情況，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，新橋設計時采用1.4m樁直徑。增大樁徑可以有效增加樁基單樁側摩阻力和樁端承載力。

按照文獻[2]推薦的彈性理論法計算，1.4m樁基比1.2m樁基的側摩阻力增大16.7%，樁端承載力增大36%。假設既有橋不再沉降的條件下，通過上述構造處理措施可控制新墩沉降和在5mm以內，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力的產生。新舊蓋梁的懸臂采用植筋技術連接，同時在蓋梁埋置傳力鋼板，防止混凝土表面應力集中產生的拉裂。蓋梁之間可以傳遞剪力作用，同時傳遞彎矩。為防止不均勻沉降造成的下部結構開裂，留有2cm沉降縫。

新舊蓋梁在沉降差異下傳力途徑明確，變形協調，同時又能夠防止產生較大的附加應力，不會引起結構性破壞。但是，這種設計方式對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，設計在縫隙填充微膨脹混凝土、保護鋼筋的同時，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計的難點，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。

彈性伸縮縫廣泛應用于橋面修復與道路養護領域[3]。工程設計借用這一技術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良，適應變形能力更強，實現橋面結構的無縫化連接，如圖5所示。

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

圖5 無縫彈性伸縮縫構造圖

4 新舊橋梁收縮徐變效應分析

收縮徐變效應是橋梁拼寬工程的另一難點。新橋的收縮徐變效應遠大于既有橋梁，一般認為既有橋收縮徐變效應已經完成，兩者的效應差均由新橋引起。在此效應下，舊梁呈受壓狀態，受力狀態改善，新梁呈受拉狀態，對新梁不利。

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力重分布進而造成的主梁橫向拉裂普遍存在。筆者在橋梁設計過程中對這一問題進行了研究。

為避免此類問題產生，主要考慮采取以下設計措施：

（1）延長存梁時間，新梁變“舊梁”。文獻[4]規定的收縮徐變計算公式分別為：

從上述公式可以看出，收縮徐變效應與混凝土齡期呈線性關系。混凝土齡期越長，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梁格法建立模型進行計算，如圖6所示。在新舊板剛性接連時，新梁存放28d后拼裝，新梁產生的拉應力為2.07MPa，大于C50混凝土軸心抗拉強度設計值1.83MPa。新梁存放200d后拼裝，新梁產生的拉應力為1.58MPa，小于混凝土軸心抗拉強度設計值。新梁存梁200d計算的新板拉應力比存梁28d的拉應力減少31%，效果十分明顯。

圖6 新舊板梁梁格法模型

因此，設計要求預制梁廠首先預制拼寬梁進行存放，存放時長在200d以上。需要注意的是，為防止收縮徐變產生過大反拱值，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，新舊板梁之間的鉸縫是受力最薄弱的環節，鉸縫開裂脫落影響結構的整體性，同時導致橋面破壞。

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合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內部微裂縫的擴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，抗拉強度可提高40%～80%。

圖7 新舊板梁鉸縫構造

5 結論與建議

（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，拓寬方案應考慮后期養護及和新舊橋梁的易性問題。

（2）新建部分的下部結構應盡量做強，樁基礎采用增大樁徑的方法提高樁側摩阻力，減少不均勻沉降產生的不利影響，下部結構連接應避免結構受力過大。

（3）新梁處于受拉狀態，延長存梁時間可有效減少收縮徐變產生的影響。

（4）連接部位是最薄弱環節，通過無縫彈性伸縮縫和鋼纖維混凝土填筑等構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[J].公路，2011，（7）.

[2]JTGD63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[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計與應用[J].鐵道勘察，2006，42（2）.

[4]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范.北京：人民交通出版社，2004.