高速公路空心板橋梁拼寬方案研究

李 濤，胡清和

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司；公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著時代的發展，已建成的高速公路已經難以滿足日益增長的交通流量需求。高速公路改擴建成為“十三五”期間高速建設的重點任務之一[1]。

以安徽省為例，目前國土空間規劃中滁新高速淮南至阜陽段、濟廣高速阜陽至周集段、京臺高速合徐南段、寧洛高速界首至蚌埠段、滬陜高速大顧店至葉集段均有“四改八”改擴建規劃。

早期高速公路20 m以下跨徑90%以上采用預制裝配式空心板結構[2]。在某高速公路“四改八”工程施工圖設計中，對空心板橋梁拼寬進行了相關研究，可供后期高速公路“四改八”橋梁工程設計時參考借鑒。

1 空心板橋梁使用現狀

裝配式預應力空心板橋由于施工方便、造價低廉，在高速公路橋梁建設中大規模使用，孔徑主要有10、13、16、20 m。

根據近期對安徽省現有高速公路空心板橋梁的檢測情況，既有空心板梁橋大多使用狀況良好，由于鉸縫失效造成單板受力病害情況出現較少[3，4]，大部分橋梁均為2類橋以上，如果全部拆除新建必然會造成資源浪費，因此改擴建應以橋梁拼寬為主。

2 拼寬方案

2.1 總體拼寬方案

目前高速公路改擴建采用的拼寬方案主要有以下三種[5]：

(1) 橋梁上、下部均不連接，形成獨立收力體系。

(2) 橋梁上、下部均連接。

(3) 橋梁上部連接，下部不連接。

其中方案(1)橋面易損壞，影響行車安全和路面美觀；方案(2)成本高、工期長；方案(3)利于施工，利于橋梁受力，利于橋面整體化，推薦采用。本方案已在滬寧、杭甬、合寧等高速擴建中成功運用。

2.2 上部結構選擇

由于原高速公路預制裝配式空心板梁高較低，受道路凈高控制，拼寬時若選擇梁高相差較大的上部結構，則下方道路需下挖改建，影響通行且增加工程投入。目前部頒預制裝配式空心板橋圖紙僅在原標準圖紙基礎上增加5～10 cm梁高，對凈空影響較小。

2.3 保通方案

以往高速公路“四改八”橋梁改擴建過程中，為滿足施工需要，往往需采用“半幅封閉，半幅通行”的方式，僅采用雙車道保通，對交通影響大，常會帶來一定的行車負面情緒。為保證施工期間四車道保通，同時為確保橋梁拼接縫澆筑質量，提高拼接橋梁耐久性，常采用臨時連接保通、半幅超加寬保通、設置鋼夾具保通三種方案。結合相關項目經驗，采用臨時連接保通方式可以有效節約資源，減小投入。

具體保通方案如下：

(1) 原有橋梁四車道通行，同步完成兩側拼寬梁板架設(圖1)。

圖1 空心板拼寬保通方案階段一

(2) 拆除臨時保通側老橋護欄，設置臨時隔離設施，臨時彎折新橋板懸臂鋼筋，設置T型鋼板，敷設橋面鋪裝，將車道轉移至保通側，雙向四車道通行。銑刨另半幅橋梁瀝青路面，鑿除部分鋪裝和空心板懸臂，拆除老橋護欄(圖2)。

圖2 空心板拼寬保通方案階段二

(3)結合具體改擴建方案頂升非保通側原橋，進行永久性連接，并完成橋面鋪裝。

(4)將車輛轉移至已完成拼接半幅,雙向四車道通行。銑刨原保通側臨時鋪裝瀝青及局部中面層瀝青，鑿除局部橋面及原板懸臂，根據改擴建方案頂升原橋后進行永久性連接。最后恢復雙向八車道通行。

2.4 結構計算

針對高速公路“四改八”標準斷面(既有橋梁段為裝配式預應力混凝土簡支空心板，共11片邊板寬1.435 m，中板寬1.17 m，鉸縫0.01 m。拼寬段裝配式預應力混凝土簡支空心板共5片，外側邊板寬1.62 m，內邊板及中板寬1.24 m)，采用有限元分析軟件MIDAS CIVIL對拼寬前后橋梁進行整體分析。實際項目老橋為2004年建成，較有代表性。設計標準如下[6]：

(1) 橋梁總寬度41.5 m；凈寬2×19.25 m。

(2) 設計安全等級：一級。

(3) 設計荷載:公路-I級。

(4) 設計行車速度：100 km/h。

車道荷載按《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)[7]中的新車道荷載考慮。其中10 m空心板為鋼筋混凝土構件，13、16、20 m跨徑空心板為A類預應力混凝土構件。

計算要點如下：

(1) 本計算按后張法部分預應力混凝土A類構件設計，橋面鋪裝層100 mm混凝土不參與截面組合作用。

(2) 根據組合空心板橫斷面，采用荷載橫向分布系數的方法將組合空心板簡化為單片梁進行計算，計算方式采用鉸接板法。

(3) 預應力張拉控制應力值，混凝土強度達到90%時才允許張拉預應力鋼束。

(4) 計算混凝土收縮、徐變引起的預應力損失時張拉錨固齡期為7 d。

(5) 環境平均相對濕度RH=70%，混凝土收縮應變和徐變系數按規范規定取值[8]。

(6) 承載能力檢算系數應結合實際橋梁情況確定，本橋采用0.90[9]。

按照單梁模型建模，橫向系數通過鉸接板梁法計算，計算結果見表1～表4。

表1 成橋階段正截面抗彎承載力計算結果

表2 成橋階段斜截面抗彎承載力計算結果

表3 成橋階段正截面抗裂計算結果

表4 成橋階段斜截面抗裂計算結果

由表4可知，各跨徑空心板橋成橋后斜截面抗裂滿足要求。綜合計算結果得出成橋后空心板橋梁縱向靜力計算結果滿足相關規范要求。

縱向梁單元對于濕接縫受力計算存在相當的失真，為更好模擬濕接縫在荷載作用下的受力情況，采用MIDAS FEA建立全橋模型[10]。上部結構均采用實體單元模擬20 m跨徑空心板橋(圖3)，忽略普通鋼筋對混凝土抗拉的貢獻。每塊板底按雙支座一般支撐模擬，一端約束y、z方向平動位移，另一端約束z方向平動位移，釋放了所有旋轉位移。

圖3 空心板實體單元模型

車輛荷載分為兩方面進行布置：

(1) 車輛荷載縱向布置:車輛荷載選用55 t標準車，重車車輪布置在跨中位置。

(2) 車輛荷載橫向布置:車輛荷載橫向布置采用兩種方式，工況一為偏載模式，此時接縫上緣橫向拉應力最大，下緣橫向壓應力最大；工況二為重車車輪作用在拼接縫模式，此時接縫下緣橫向拉應力最大，上緣橫向壓應力最大。計算濕接縫，結果為：① 縫處橫橋向最大拉應力為8.3 MPa，發生在接縫下緣支點處角點，范圍較小;接縫上緣跨中最大橫橋向拉應力為1.9 MPa，接縫上緣支點拉應力在5～8 MPa，拉應力支點較大，從支點到跨中整體遞減;② 接縫處橫橋向最大壓應力為18 MPa，發生在接縫下緣支點處，小于0.6×fck，滿足要求;③ 對于拼寬橋梁，由于修建時間較長，原橋基礎沉降已基本完成，而拼寬部分的基礎還有可能發生沉降，整體沉降差必然存在，沉降差會在橋梁梁體，特別是拼接縱縫中產生不利影響，進而影響結構安全及正常使用。假設新橋基礎沉降按線性規律反映到新橋空心板，分別取新橋最大沉降量為3、5 mm進行分析,結果見表5。

表5 沉降引起的截面應力結果

由表5可見，沉降引起的接縫混凝土應力隨著沉降量的增加而顯著增大的趨勢，極易造成混凝土開裂。在設計時應對新建橋梁基礎進行相應的處理，以保證其沉降值在許可的范圍之內。

根據計算結果采取措施如下：

(1)因考慮接縫在梁端部受力較大的因素，在支點1.5 m范圍內采用加厚處理。

(2)支點1.5 m 范圍內將橋面鋪裝層內的鋼筋直徑變為16 mm，以提高濕接縫橋面處抗裂能力。

(3)由于沉降產生的橫向拉應力水平較高，適當加大樁長、樁徑，控制新樁總的沉降量，如工期允許，建議延后新老空心梁的拼接時間，可在吊裝完新空心梁后放置6個月以上時間，既可減小新、老空心梁的收縮徐變差的影響，也可降低新老基礎的沉降差；

(4)在接縫處采用抗裂性能好的高性能混凝土。

3 結束語

本文在實際高速公路空心板拼寬工程基礎上，通過對多種跨徑高速公路空心板拼寬進行研究，采用臨時鋪設鋼板連接滿足雙向四車道保通下對橋梁整體、局部分別進行力學計算，得出：

(1)選取代表性的空心板老橋結構進行計算，拼寬后，橋梁縱向靜力計算結果滿足新規范需要。

(2)采用濕接縫連接新老空心板橋時，為保證橋梁耐久性，濕接縫端部應予以加厚。

(3)新橋沉降對濕接縫受力影響巨大，有條件的工程應盡量先期施工新橋，盡量待樁基沉降完全后永久連接新老橋梁。