舊橋加寬后的縱縫問題對改建方案的影響

周新東

摘 要：本文依托地處于肯尼亞首都郊區的一條國際交通干道的改擴建項目，現有主路有5座舊橋對應的原設計方案為加寬設計，舊橋不拆除，新舊橋結構形式不一致。通過對原設計的模擬分析，發現舊橋加寬方案中存在的問題，即主要是新舊橋結構形式不統一導致后期新舊橋橋面板間縱縫在移動荷載下因梁片撓度不一致在開放交通后快速破壞，影響交通安全。為避免此問題產生，并加快施工進度，將原設計方案變更為箱形橋并獲得批準。

關鍵詞：新舊橋加寬;縱縫;模擬分析;方案變更

1 工程背景

本項目為舊公路翻新與改擴建，舊路為1992年一家意大利公司承建，距今有28年歷史，當時的橋梁設計荷載等級僅適用于當時的交通情況，現有需要擴建的橋均為10+12+11M三跨單向雙車道簡支梁橋，其下部結構均為擴大基礎。然而，隨著本世紀肯尼亞當地經濟發展的需要，本項目路段已經成為一條繁忙的國際交通主干道，重載車車流量非常高，屬A級高速公路。

本工程設計方對舊橋的升級方案是拓寬，拓寬部分為一跨33m的預應力簡支梁橋，每側新增兩車道，中間沒有橋墩，新舊橋之間的橋面板連通，中間有一道縱向構造縫，構造形式與條形伸縮縫一致，擴建部分下部結構為擴大式基礎。

2 發現的問題

（1）已有問題：由于此時的橋梁已有28年歷史，且年久失修，部分橋梁已出現橋面板部破損，舊橋主梁較矮且間距大，而且所有橋梁主梁已經有了肉眼可見的撓度，無法滿足時下車輛載荷的要求，車輛經過現有橋時橋面出現人體可感知的明顯抖動。

（2）主要問題：設計方的加寬方案經過對比文獻[1]—[6]中的說明，確認此種加寬方案為新舊橋上部結構與下部結構互不連接的方式，雖然能一定程度簡化施工程序，但是帶來的后果就是由于新舊橋的結構形式不同，可能導致新舊橋梁片在車輛荷載作用下撓度并不一致，新舊橋面板間的縱向構造縫會在短期內受破壞并失效，從而影響行車舒適性與安全性。

（3）附屬問題：新舊橋會存在沉降不均勻問題，對縱向構造縫會產生進一步破壞。

3 針對發現問題對橋梁加寬方案的文獻研究

文獻[1]介紹了3種現今常見的舊橋拓寬方案，除了上述說明的本項目的（1）上部結構與下部結構與不連接的方式，還有（2）上部結構與下部結構與相連接，及（3）上部結構連接而下部結構分離的方式。

但這三種方案都存在一個分險：橋梁拓寬后，在運營中新舊橋面板間的橋面鋪裝均有開裂的風險，縱縫將受到破壞。

文獻[2]主要介紹了橋梁加寬后縱縫破損的原因并提出了防止其破損的對策，主要有通過樁基盡量減少/避免新建部分沉降及建議新舊橋加固成一個整體，甚至保持新舊橋結構形式一致等措施。但仍然提出舊橋拓寬后新舊橋連接處存在的隱患。

文獻[3]中作者主要介紹了橋梁拓寬設計中縱縫拼接的幾種現有的技術與若干種搭接方案及其優劣進行對比，并介紹了對應的破壞機理。其總結的缺點有一共同點，即新舊橋間的橋面板縱縫在開放交通后均會被破壞，而且工藝復雜，后期維護成本高。

文獻[6]中作者進行了非常詳細深入的研究，但基本上可視為文獻[2]的細化與深入，其核心思想基本與文獻[2]表達的觀點一致。

以上提及的文獻基本上涵蓋了新舊橋拓寬方案中縱縫所存在的問題及對策。經過對論文的研究，以及客觀實際案例基本上確定了新舊橋連接處橋面板上的縱縫必然存在安全隱患。

4 新舊橋間縱縫撓度差的分析

4.1 理論分析

文獻[5]規定橋梁承受的汽車荷載主要是車輛荷載與車道荷載。橋梁結構整體計算采用車道荷載。橋梁的局部荷載，橋臺與擋土墻荷載采用車輛荷載。本文主要關注新舊橋橋面板間的縱縫，故分析時主要考慮車輛荷載的影響。

以下主要針對新舊橋在A級公路車輛荷載下導致的撓度差異進行分析，并考慮了恒載影響。

對于簡支梁而言，最大撓度計算的公式：

集中荷載作用下：fmax=pl348EI

均布荷載作用下：fmax=5ql4384EI

其中，E為梁片彈性模量，I為梁片慣性矩，q為均布荷載，P為集中荷載，l為梁片計算長度。

移動荷載產生的位移采用如下影響線分析法：

通過影響線法撓度分析可確定橋梁梁片在移動荷載作用下最大撓度出現在跨中，此處不再展開詳細論述。

4.2 模擬分析

建立MIDAS力學模型如下：

為保證計算結果較為精確，對梁片進行了適當的單元劃分，并在梁片之間加入了適量的橫隔梁來保證梁片間的連接。為區別新舊橋，建模時單跨的新橋加入了下部結構的部分模型（次要部分，不是重點），三跨的舊橋部分只建立上部結構。全橋269個節點、304個單元。對擴建擴建部分的336m梁片施加預應力筋，自重，二期恒載（主要是橋面板）與汽車荷載，車道荷載等。為簡化分析過程，對原設計梁片進行了等剛度代換。

對擴建部分的梁片施加預應力，通過分析，證明模型中梁片的預應力在彈性階段應力驗證組合中生效，如下圖：

為研究最極端的情況下新舊橋間的撓度差，以下只針對最不利的情況進行分析，即假設移動荷載只發生在擴建橋部分，經過分析結果如下：

分析顯示極限荷載情況下最大的撓度為46.3mm（↓），其他移動荷載的分布情況下所產生的撓度在此不再討論。

4.3 小結

模擬分析反應了第2節中提出的問題，同時印證了第3節所參考文獻中提及的新舊橋間橋面板處縱縫處在開放交通后均會被破壞，且有實際案例證明（此處不再陳述）。

5 結語

公路舊橋加寬設計中，新舊橋如果結構形式不一致則將導致連接縱縫處因新舊橋梁片在荷載下撓度不一致而產生破壞，進而使行車安全性降低，同時影響橋梁使用壽命。為保證項目的順利進行，最終決定對舊橋進行拆除重建。

本文的研究僅針對依托項目而言，希望對從事類似項目的工作人員有一定的幫助。

參考文獻：

[1]丁士昭.全國一級建造師執業資格考試用書2019年版，1B413067.

[2]史斌，周謙.橋梁加寬時縱縫處理的技術對策[J].遼寧交通科技，2006（02）.

[3]彭凱，徐基平.公路舊橋加寬縱縫拼接技術進展[J].公路交通技術，2013（01）.

[4]周水興，何兆益，鄒毅松.路橋施工計算手冊.人民交通出版社，2001.5（2014.7）重印.

[5]城市橋梁設計規范 CJJ 11-2011.

[6]王亞東.T梁橋加寬中幾個問題的研究[D].北京交通大學，2009.