京臺高速德齊段改擴建工程既有簡支板分車道加載分析

朱保華，張祚龍，徐永成

（山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250101）

引言

當前，高速公路改擴建項目逐漸增多，如何合理利用既有橋梁并確保結構安全，是高速改擴建工程中一項重要工作。《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）規定，拼接加寬利用的原有橋涵的承載力應滿足現行技術標準的要求［1］。早期改擴建項目，簡支板多采用拆除新建或維修加固，以提升改擴建后橋梁承載力。實際上，拆除新建方案，原板多被廢棄，造成了很大的浪費；承載力加固方案也難以解決既有板抗剪承載力不足的問題［2］。

1 項目概況

本項目施工始于2019 年，將原有四車道改造為雙向八車道高速公路。原有橋面寬2×12.5 m，拼寬橋每側各加寬8 m，擴建后橋面寬2×20.5 m。在分車道設計的基礎上，為確保橋梁的安全，拆除更換位于第3 車道重車道范圍內外側3 塊板，保留利用原有內側9 塊板；并拆除既有橋面鋪裝，改造為15 cm整體化混凝土層+10 cm 瀝青鋪裝。

2 分車道加載方法［2］

2.1 分車道布載斷面

按車輛類型在拼寬橋梁實行分車道交通組織管理，降低拼寬橋中既有橋梁的荷載效應。改擴建后既有橋梁部分主要承擔輕型車荷載，新建橋梁部分主要承擔重型車荷載。分車道布載斷面見圖1。

圖1 分車道布載斷面/cm

2.2 計算方法

按照《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）第6.0.10 條的補充說明計算。在計算某板橫向分配系數時，不再考慮橫向位置的車輛最不利布置，而是按分車道交通組織管理的車輛固定位置作為橫向分布計算荷載位置。

式中：m—分車道布載橫向分布系數；ηi—重車道處橫向影響線縱坐標；ηj—輕車道處橫向影響線縱坐標；β—輕車與重車軸重比，上述參數均為無量綱量。

3 橫向分布系數參數分析

每塊板的橫向分布系數，直觀反映出單片板承受荷載大小。以10 m 加寬板為例，分析第1 車道、第2 車道不同軸重比下橫向分布系數變化情況，計算結果見圖2、圖3。

圖2 軸重比β1 變化橫向分布系數對比曲線

圖3 軸重比β2 變化橫向分布系數對比曲線

（1）由圖2 可知，第1 車道軸重比β1由1.0 減小到0.1，分車道加載與《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）相比， 跨中橫向分布系數1 ～5 號板降幅較大；13 ～18 號基本不變。當β1＜0.7 時， 分車道加載6 ～7 號板跨中橫向分布系數降低。表明分車道加載，對靠近中分帶側第1 車道既有板具有卸載作用，對遠離的板活載影響不明顯。分車道加載9 ～12 號板跨中橫向分布系數比《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）大。表明固定車道分車道加載，第3 車道范圍及鄰近板活載增大。（2）由圖3 可知，第2車道軸重比β2由1.0減小到0.1，分車道加載與《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）布載相比， 跨中橫向分布系數1 ～5 號板減小明顯；13 ～18 號拼寬板略有減小。6 ～9 號板降幅達45.5%～56.0%，1 號板降幅為12.0%，12 號板降幅為21.2%，表明分車道加載，對緊鄰的既有板活載卸載明顯。

4 工程實例

4.1 軸重比分析

利用京臺高速公路車輛稱重資料，通過分析，得到第1 車道軸重比β1為0.650，第2 車道軸重比β2為0.821 4，兩者均＞0.1。

4.2 跨中橫向分布系數分析

10 ～16 m 板跨中橫向分布系數按分車道布載、《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）及橋梁拓寬前分別進行計算，結果見圖4 ～圖6。

由圖4 ～圖6 可知，同一跨徑分車道加載，跨中橫向分布系數與《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）布載相比，第1 車道1 ～5 號板，第2車道6、7 號板減小，8 號板基本持平，9 號板增大。第3 車道10 ～12 號板增大；第4 車道13 ～14 號板增大，15 號板減小；硬路肩范圍16 ～18 號板減小。分車道加載，1 ～12 號板跨中橫向分布系數比橋梁拓寬前跨中橫向分布系數小很多，表明橋梁拓寬對既有板具有卸載作用。

圖4 10 m 簡支板橫向分布系數

圖5 13 m 簡支板橫向分布系數

圖6 16 m 簡支板橫向分布系數

與《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）相比，分車道布載對第3 車道板的活載增大。拆除10 ～12 號既有板，更換為新板對提升橋梁安全儲備是有利的。

4.3 支點橫向分布系數分析

支點橫向分布系數m0按杠桿法計算。1 ～9 號保留利用板考慮內側兩輕型車道荷載的影響，其他板分析與常規方法相同，計算結果見表1。

表1 支點橫向分布系數

由表1 可知，與《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）相比，分車道加載，第1車道范圍內1～5號板支點橫向分布系數降低33.3%，第2 車道范圍內降低16.7%。更換板及拼寬新建板支點橫向分布系數與《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）結果相同。

4.4 既有板承載力分析

分車道加載時，選取1 號邊板及相應中板進行承載力分析，彎矩計算結果見表2，支點剪力計算結果見表3。

由表2 可知，10 ～16 m 組合板抗彎承載力不滿足《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）要求。分車道布載，抗彎承載力可滿足要求，富裕度為12.3%～29.1%。表明分車道布載板降低了跨中活載彎矩效應。

表2 組合板跨中彎矩

由表3 可知，10 ～16 m 組合板支點抗剪承載力不滿足《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）要求；分車道布載，10 ～16 m 邊板及16 中板抗剪承載力可滿足要求；10 m、13 m 中板抗剪不足。考慮到10 ～16 m 板縱向僅能布載一輛車長15 m 的55 t 五軸車。分車道布載僅考慮車輛荷載作用時，支點抗剪可滿足要求，剪力富裕度10 m 板為7.5%～10.1%，13 m板為0.1%～7.7%，16 m 板為7.7%～14.8%。綜上，分車道加載有效降低了跨中活載彎矩、支點抗剪效應。

表3 組合板支點剪力

5 結語

通過對京臺高速公路德齊段既有簡支板分車道加載分析可知，分車道加載設計與常規設計的不同之處就是按固定車道位置進行橫向分布系數計算并進行活載加載。在將原四車道擴建為整體八車道高速公路工程中對既有板進行分車道加載設計是可以實現的。分車道加載設計可有效降低內側2 車道既有板活載及其效應。橋梁分車道布載避免了既有板的拆除或過度加固，整體來看，該方法是可行的、合理的，具有一定的推廣價值。