探討改擴建公路橋梁拼寬設計

楊 俊

（貴州省公路工程集團有限公司,貴州 貴陽 550000）

0 引言

近年來，我國經濟發展迅速，交通量不斷增加，對目前的道路運輸系統提出了更高的要求。由于設計理念落后、設計標準低、施工材料陳舊等原因，許多在使用中的道路橋梁不但不能保證行車的舒適度，也不能保證其安全，同時也限制了交通運輸的發展[1-3]。在高速公路改擴建工程中，橋梁的擴容一直是工程的重中之重，一般都是通過拓寬橋面或者新建橋墩來擴展原來的橋型。拓寬橋面既能保證工程中舊橋的安全運行，又能節省資金。但由于新橋基礎的連續下沉導致的沉陷差，對新增寬橋的上部構造產生了較大的沖擊，尤其對拓寬后的橋面結構產生了較大的沖擊。為解決山地高架橋拓寬技術難題，該文對非均勻沉降對橋梁的受力等問題進行了研究。通過調查、分析、整理各種影響因素，采用模型試驗方法，對不同沉降條件下的橋梁進行了受力響應分析，得出了各種因素對橋梁承載力的影響，為以后的橋梁加寬設計提供了依據[4]。

1 拓寬橋梁橫向拼接

1.1 橫向連接方式

1.1.1 上下部結構均不連接

如果在原橋沒有與橋面相連的情況下，新老橋不會發生交互作用，可以避免地基不均勻下沉對橋面的破壞，降低搭設的難度。

1.1.2 上下部結構均連接

在橋梁上下兩層均為聯體時，地基沉降對其內力的影響較大，因而對其技術參數提出了更高的標準[5]。同時，在采用這種方法的情況下，對下層結構進行拼接，必須采用植筋技術。

1.1.3 上部結構互連、下部結構不連

該方案可保證原橋的上層建筑在不均勻沉降條件下仍然能保持其整體的完整。其基礎無接縫，施工過程簡單，可以利用粘結部分的位移，使其具有較小的承載力。

1.2 上部結構拓寬

1.2.1 空心板梁橋

這種類型的梁橋可分成兩種：即預應力和RC，它們的橫徑通常是10 m、16 m和20 m，它們的橫斷面與原橋基本相同。在進行擴建時，應先將橋面板的邊梁翼切去，再利用植筋技術將新老橋梁結合，并按照關節形式進行結構分析。如果在末端設置了橫向隔離層，那么該構件的計算方式應該是剛體。

1.2.2 T梁橋

T梁橋因其本身的構造特點，在施工中會遭受周圍的腐蝕，尤其是邊梁[6]。并且，在T梁橋加寬時，應考慮將側梁翼板剪掉，將其與新橋T梁的肋骨連接起來，如圖1所示。原橋的邊梁在加寬時的受力狀況發生了很大的改變。在T梁橋的加寬過程中，除在連接點兩端增設橫隔梁外，還需在橋梁的中部指定位置增設橫向隔板。例如，在加寬橋梁和原橋的橫向連接上，通常會在擴大段的四分之一跨徑和中間位置設置隔板。

圖1 上部結構拼接示意圖(單位：mm)

1.2.3 不同梁截面連接

在橋梁擴建過程中，采用具有更高剛性的擴張橋斷面，可以極大地提高新橋的整體剛性，從而減輕原橋承載力。在T梁（原橋）+中空板梁（拓寬橋）的橫斷面結合中，采用的中空板梁的橫截面具有很強的橫向剛性，采用鋼板對新橋進行錨固，可以極大地改善新橋的整體水平剛性和承重性能，T梁和空心板拼接橫斷面見圖2。

圖2 T梁和空心板拼接橫斷面

2 不均勻沉降下拓寬橋梁拼接結構力學響應

2.1 影響基礎沉降對上部結構作用的因素

2.1.1 沉降模式

原橋地基經過長時間的使用，地基的沉陷已趨于平穩。但對于新建加寬大橋，地基沉降比較大，老橋的沉陷差異大，對新橋的結構也會有很大的影響。在假設原橋地基為0的情況下，在原橋的限制作用下，新橋地基離原橋較近，地基沉降較少，而地基沉降較大。地基的沉降方式是直線的，并根據地基的位置進行直線布置[7]。

2.1.2 影響因素

根據以上的線型沉降模型，隨著沉降差異的加大，連接處上部的上部結構的張應力也隨之增大。為了防止連接處的上部邊緣出現結構性裂紋，應當滿足σ≤[σ]。

2.2 計算數值模型

2.2.1 橋梁類型

在此基礎上，選取了兩種常用的橋梁——簡支中空板橋和簡支T梁橋。采用FEA軟件對其進行了詳細的分析。鋼筋仿真則是在主單元中增加剛性。模型中的材料都是線性的，沒有考慮到材料的非線性。

2.2.2 計算荷載

（1）恒變的負載。新舊橋的主要構件為靜荷載，而橋墩及橋面則為第二等靜荷載。

（2）位移負載。為了防止連接構件的斷裂，梁的受力應在一定的彈性區間之內。實驗中的沉降值應當小于拓寬橋，而拓寬橋的沉降控制在5 mm以下。

（3）氣溫負荷。根據技術要求設定的溫度梯度對區域溫差進行控制。文中所述的體系為一種簡單的支撐體系，其自身的溫度波動不會產生任何的內力，因此不需要計算其內部的溫差。

2.2.3 幾何尺寸

（1）中空結構的簡支中空板—簡支中板的基礎模式。原橋是一座20 m長的簡支中空板橋梁，橋梁寬度9 m，采用8根中空板梁柱，采用上段連接，下段不相連。擴容橋梁在擴容時，采取與原橋同樣的中空鋼板，并在兩端增加50 cm寬的橫向隔梁，兩側梁翼上插入一根鋼筋。

（2）簡支T梁+簡支T梁。原橋采用T型單層T梁，跨度20 m，寬度8.6 m，包括6個T形梁，采用上下不連接的形式進行加寬。擴容時采用同一T形梁，在原橋側梁的側向側梁后插入鋼筋，并在兩端和中間各增設30 cm寬的橫向隔梁，間隔為4.8 m。

2.3 拓寬橋梁拼接部分在沉降荷載下的受力

2.3.1 截面配筋

從圖3可以看出，在加勁比條件下，加勁度對加勁性的影響具有類似的特征。結果表明：兩種不同類型的橋式拼裝形式，不同的截面配筋比對其上部邊緣的拉伸強度均有一定的作用，并且其規律是一致的。隨著截面配筋度的增大，連接構件上邊緣的張應力也相應減小。但區別在于，對于中空板橋梁，其加勁度與其受力部位的關系密切，其最大應力量為4個跨距，且在從支撐向跨中方向運動時，其應力量會隨梁向梁中部方向的變化而降低。但在T梁橋加寬過程中，其張應力與斷面的位置沒有明顯的相關性，其應力值只有跨中部位的1.3倍。一方面，當截面配筋比例增大時，連接構件的中線軸線會逐步向上移動；在簡支梁橋加寬實驗中，支架對梁體豎向位移的限制從支撐到跨中的限制作用是逐步減小的，這將有助于擴大橋梁的主框架，使其在不同的變形情況下減小不均衡的沉降[8]。另外，跨梁的布置提高了橋梁的橫向剛性，從而使其上部的張應力增大。在加寬中空板橋梁實驗中，承臺與中梁的受力情況存在很大差異。通過對T梁橋加寬實驗的分析，發現在橫向梁的作用下，其上邊緣的張應力沒有發生明顯的改變。

圖3 不同橋梁拓寬拼接部分在不同配筋情況下的應力值

2.3.2 拓寬寬度

結果表明，在不同加寬條件下，連接梁上邊緣的張應力的取值與計算結果一致。在T梁橋與中空板橋梁加寬實驗中，加寬對連接構件的受力有很大相似之處。隨著加寬的增加，連接件的上邊緣的拉伸強度會降低。在相同的沉陷條件下，隨擴大寬度增大，對應的傾角位移也隨之降低，上邊緣的張應力也隨之降低。

2.3.3 拼接部分寬度

新橋的連接線寬度對其產生的張應力數值如圖4所示。結果表明：隨著接縫的寬度的增大，黏合部分的上邊緣張應力將會降低。然而，T梁橋與中空板連接處的粘結長度的改變對其上邊緣的張應力有很大的差異。當剖面的位置不一樣時，這個差異也會隨之改變。特別是在兩種斷面的橋面連接處，由于連接的寬度對上邊緣張應力的作用是從支架到中間的。在加寬中空橋梁時，支架位置的受力是中間段的4.7倍[9]。在T梁橋實驗中，只有1.7個百分點?？梢?，在各種加寬的橋面連接處，拼裝寬度對上邊緣的拉伸強度有顯著的作用[10]。而連接截面的寬度對橋面的彎曲系數有很大的影響，因此，增大橋面的接縫寬度會使橋面的彎矩增大，從而使橋面的張應力也隨之減小。另外，由于新橋橫橋在剪力墻上存在著一些位移，因此，搭接截面的寬度會影響到橫橋的拉應力。T梁橋與空心板橋在各部位受拉應力的作用差異很大。

圖4 不同橋梁拼接結構在不同拼接部分寬度下的應力值

3 結論

該文運用有限元分析技術，重點討論了橋梁拓寬工程中截面配筋、拓寬寬度、接縫寬度等3項影響因素，并提出如下建議：

（1）隨著搭接截面寬度和截面配筋比例增大，上緣拉應力減小。在中空板橋梁結構中，由于各部位的作用對其產生的作用也各有差異，且從中間到另一端的作用強度均有較大的變化。

（2）參考有關資料，所選擇的地基沉陷數值是5 mm。結果表明，在5 mm的沉陷條件下，連接構件上邊緣所引起的橫橋拉應力沒有超出標準水平。對于20 m直徑的簡支中空梁橋，在不均沉陷小于5 mm的情況下，可以確保其正常工作。