高速公路橋梁改擴(kuò)建的設(shè)計(jì)研究

何玉寶 謝斌 李焱

0 引言

公路、橋梁是現(xiàn)代公路與水運(yùn)交通的重要組成部分，它不僅起著交通運(yùn)輸紐帶的作用，同時(shí)也對(duì)發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)文化交流等方面都具有非常重要的作用。

高速公路是公路中的一個(gè)重要組成部分，高速公路的設(shè)計(jì)必須遵照適用耐久、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、協(xié)調(diào)美觀的原則;它必須有足夠的承載能力，能保證行車(chē)的暢通、舒適和安全［1］;既滿(mǎn)足當(dāng)前的需要，又照顧今后的發(fā)展;同時(shí)要具有一定的經(jīng)濟(jì)性，要求其在建造時(shí)消耗最少量的材料、工具和勞動(dòng)力;在適用、經(jīng)濟(jì)和安全的前提下，盡可能具有美觀的外形，并與周?chē)沫h(huán)境相協(xié)調(diào)、相得益彰。

我國(guó)高速公路發(fā)展的4個(gè)階段:

1)第一階段為1985年以前，20世紀(jì)80年代初期，我國(guó)大陸還沒(méi)有高速公路，在這以前我國(guó)建設(shè)的公路都屬于一級(jí)以下公路。

2)第二階段為1986年～1995年期間，為適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要，在“七五”期間，我國(guó)建設(shè)了一批高速公路，實(shí)現(xiàn)了高速公路零的突破，這一階段開(kāi)始嘗試將一級(jí)公路、二級(jí)公路改造為高速公路。

3)第三階段為1995年～2000年期間，這一階段開(kāi)始全采用四車(chē)道以上的高速公路，并開(kāi)始探索將四車(chē)道路面加寬改造為六車(chē)道路面的探索。

4)第四階段為2000年至今，這一階段探索將原有高速公路車(chē)道改造為六車(chē)道、八車(chē)道的研究。

近年來(lái)，隨著我國(guó)公路交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，早期修建的高速公路通行能力日趨飽和，服務(wù)水平逐漸降低，部分四車(chē)道的高速公路已不能滿(mǎn)足交通量的增長(zhǎng)需求，因此對(duì)其進(jìn)行改擴(kuò)建，由四車(chē)道加寬為六車(chē)道或八車(chē)道，提高其通行能力已成為當(dāng)務(wù)之急。橋梁在現(xiàn)代高速公路中占有較大比重，且橋梁加寬存在技術(shù)復(fù)雜、實(shí)施難度高、對(duì)現(xiàn)狀交通影響大的特點(diǎn)，因此橋梁加寬改造設(shè)計(jì)成為高速公路改擴(kuò)建工程的重點(diǎn)。本文重點(diǎn)分析總結(jié)了高速公路構(gòu)造物的常見(jiàn)病害，探討分析高速公路橋梁改擴(kuò)建設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題，總結(jié)了橋梁拼接加寬設(shè)計(jì)的主要拼接方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為類(lèi)似工程提供參考。

1 橋涵構(gòu)造物類(lèi)型及存在的主要問(wèn)題

高速公路的常規(guī)橋梁工程中，大部分橋梁其上部結(jié)構(gòu)主要為混凝土板梁和預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁及混凝土箱梁;下部結(jié)構(gòu)多為鋼筋混凝土薄壁臺(tái)、鋼筋混凝土薄壁U臺(tái)、鋼筋混凝土肋板臺(tái)和柱式墩臺(tái)等。由于初期的高速公路建設(shè)是在高速公路整體設(shè)計(jì)和施工規(guī)范還不完善等條件下進(jìn)行的，因此早期的高速公路在設(shè)計(jì)和施工方面存在諸多不足。如上跨跨線(xiàn)橋橋孔跨徑偏小;橋梁結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較低，耐久性差，嚴(yán)重影響著結(jié)構(gòu)和車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的安全。尤其隨著后來(lái)交通量的急劇增長(zhǎng)，重車(chē)、超載車(chē)輛的增加，原有的橋涵構(gòu)造物出現(xiàn)了破損，存在一些問(wèn)題或缺陷，常規(guī)構(gòu)筑物病害［2］主要為:

1)橋面瀝青鋪裝多存在坑槽、網(wǎng)裂，甚至破損比較嚴(yán)重。

2)橋面伸縮縫存在不同程度的損壞，致使行車(chē)不通暢，橋頭跳車(chē)。

3)橋梁支座主要病害表現(xiàn)形式為:支座位置偏移、支座脫空、支座丟失、支座剪切變形超標(biāo)等。

4)板梁多存在不同程度的氯離子腐蝕，梁板混凝土剝落和剝蝕、滲水。帶翼緣式空心板板間鉸縫破壞嚴(yán)重，形成橋面梁板單板受力現(xiàn)象。

5)箱梁結(jié)構(gòu)主要病害表現(xiàn)為跨中附近梁底出現(xiàn)橫向裂縫，腹板出現(xiàn)裂縫及墩頂負(fù)彎矩處的裂縫。

6)T梁結(jié)構(gòu)橋普遍存在橫隔板開(kāi)裂;翼板、后澆帶滲水病害，見(jiàn)圖 1，圖 2。

圖1 T梁開(kāi)裂

圖2 T梁橫隔板滲水

7)橋梁橋墩多采用矩形截面蓋梁下接圓形立柱結(jié)構(gòu)，橋墩立柱主要病害為存在環(huán)狀裂縫。

8)下部結(jié)構(gòu)的薄壁橋臺(tái)中的混凝土臺(tái)身和側(cè)墻存在嚴(yán)重的縱、橫向裂縫等。

2 擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)原則

根據(jù)項(xiàng)目的建設(shè)條件、要求及技術(shù)特點(diǎn)及橋涵結(jié)構(gòu)物加寬、加固的特殊性，主要遵循以下原則:

1)首先收集舊橋的設(shè)計(jì)、竣工資料和地質(zhì)資料，對(duì)全線(xiàn)原有橋梁構(gòu)造物進(jìn)行歸類(lèi)分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并進(jìn)行必要的研究、論證，同時(shí)充分吸收國(guó)內(nèi)外高速公路擴(kuò)建工程建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)理念，特別是類(lèi)似地質(zhì)、地形條件下的類(lèi)似拓寬工程的成功經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)真做好重點(diǎn)部位的方案比選工作，以選擇合理可行的建設(shè)方案。

2)橋涵構(gòu)造物的改擴(kuò)建，本著“安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀”的原則［3］，因地制宜，盡量利用原有構(gòu)造物，最大限度地利用現(xiàn)有工程，靈活運(yùn)用新、舊橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范。

3)對(duì)現(xiàn)有構(gòu)造物進(jìn)行逐一分析歸類(lèi)的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)、驗(yàn)算，以此對(duì)構(gòu)筑物的承載能力和可靠度做全面的準(zhǔn)確的評(píng)價(jià);在對(duì)既有構(gòu)筑物準(zhǔn)確評(píng)估后，確定合理的處理方案。

4)橋涵構(gòu)造物的改擴(kuò)建的拼接加寬方案宜采用“同結(jié)構(gòu)型式、同跨徑布置”方式，力求標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化、外觀一致性。

5)在研究橋梁改、擴(kuò)建方案時(shí)，應(yīng)合理的選擇方案以減少對(duì)現(xiàn)有道路交通的影響，應(yīng)將擬實(shí)施的技術(shù)方案與施工期的施工組織、交通組織緊密結(jié)合、統(tǒng)籌考慮，做到技術(shù)方案與施工組織、交通組織方案的協(xié)調(diào)及統(tǒng)一，將施工期對(duì)現(xiàn)有交通的影響程度降到最低。

6)加強(qiáng)課題研究，積極應(yīng)用新技術(shù)。加強(qiáng)科學(xué)研究，積極采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，解決擴(kuò)建中的技術(shù)難題。運(yùn)用高新技術(shù)進(jìn)行本項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)，提高項(xiàng)目的科技含量和可靠度。

3 橋梁改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)、要點(diǎn)

3． 1 荷載標(biāo)準(zhǔn)

由于原高速公路的構(gòu)筑物是按照舊橋規(guī)設(shè)計(jì)的，而新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范的頒布執(zhí)行，設(shè)計(jì)荷載由橋規(guī)89規(guī)范的汽—超20提高到04規(guī)范的公路—Ⅰ級(jí)［4］;且新橋規(guī)對(duì)結(jié)構(gòu)在正常使用狀況下的各項(xiàng)應(yīng)力要求也有較大提高，使得既有橋梁構(gòu)筑物已不可能全面滿(mǎn)足新橋規(guī)的要求?；谝陨蠈?shí)際情況，本文認(rèn)為應(yīng)本著“盡量最大限度的利用既有構(gòu)造物、靈活運(yùn)用新、舊橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范”的原則，務(wù)實(shí)采用“舊橋舊標(biāo)準(zhǔn)、新橋新標(biāo)準(zhǔn)”的方法處理;同時(shí)通過(guò)對(duì)舊橋進(jìn)行驗(yàn)算、加固，使其承載能力極限狀態(tài)以達(dá)到公路Ⅰ級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3． 2 橋梁橫向拼接加寬方式

橋梁橫向連接方式的選擇是橋梁改擴(kuò)建成敗與否的一個(gè)重要因素，橫向連接方式受許多因素的影響，如原有橋梁的承載能力和耐久性的評(píng)估結(jié)果、上部結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形要求、橋梁活載的影響、基礎(chǔ)的差異沉降及施工的難易程度等，通過(guò)對(duì)廣佛高速公路、滬杭甬高速公路一期、沈大高速公路、滬寧高速公路、哈大高速公路、連霍高速公路鄭州段等改擴(kuò)建項(xiàng)目的調(diào)研與考察，可知上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的連接方式分為三種:

1)上下均不連的優(yōu)點(diǎn)是:加寬橋與原橋各自受力、互不影響、簡(jiǎn)化了施工程序、消除了連接的技術(shù)問(wèn)題，減小了連接的施工難度。缺點(diǎn)是:活載作用下兩橋主梁會(huì)產(chǎn)生不均衡撓度，同時(shí)新橋后期沉降大，易造成新舊橋之間橋面鋪裝層的破壞，從而形成縱向裂縫和橫向錯(cuò)臺(tái)，影響行車(chē)安全舒適和橋面外觀，增加后期養(yǎng)護(hù)維修工作。廣佛高速公路早期多數(shù)采用了上下均不連的方式，但運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)結(jié)果表明橋面鋪裝層極易損壞，縱向裂縫隨著瀝青鋪裝層啃邊現(xiàn)象的發(fā)展而日益擴(kuò)大，嚴(yán)重影響行車(chē)安全和路容美觀。

2)上下均連即新拓寬上部結(jié)構(gòu)與舊橋?qū)?yīng)的上部結(jié)構(gòu)橫向連接起來(lái)，同時(shí)新拓寬下部結(jié)構(gòu)(墩臺(tái))的蓋梁及系梁、承臺(tái)也通過(guò)植筋、布設(shè)鋼筋骨架，澆筑混凝土連接件與舊橋下部結(jié)構(gòu)形成整體，其適用于橋梁基礎(chǔ)較好的條件及小跨徑。其優(yōu)點(diǎn)是:原橋與新橋形成一體，減少了基礎(chǔ)不均勻沉降、汽車(chē)活載、溫度荷載等作用下，新舊橋連接處的不均勻變形。缺點(diǎn)是:新舊橋混凝土收縮徐變引起的變形不一致、新舊橋不均勻沉降會(huì)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，易在下部結(jié)構(gòu)蓋梁、系梁、墩臺(tái)連接處產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致使用功能下降，維修困難。同時(shí)對(duì)下部結(jié)構(gòu)的拼接成本高，對(duì)交通影響大，施工繁瑣。沈大高速公路中、小跨徑結(jié)構(gòu)采用了這種方式。

3)上連下不連的優(yōu)點(diǎn)是:新橋與原橋上部結(jié)構(gòu)連接，形成整體，有利于上部結(jié)構(gòu)受力，行車(chē)舒適美觀。下部結(jié)構(gòu)不連接，各自受力互不影響，減小附加應(yīng)力對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響。主要注意:a．應(yīng)保證現(xiàn)澆混凝土接縫在養(yǎng)護(hù)和使用過(guò)程中不出現(xiàn)過(guò)大的變形和開(kāi)裂，這是新舊橋面是否真正連接的關(guān)鍵;b．控制新、舊橋之間的沉降差。

綜上所述，通過(guò)對(duì)三種拼接方式各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)的比較可知，“同結(jié)構(gòu)、同跨徑、上連下不連”的連接方式既可以使上部結(jié)構(gòu)形成整體，行車(chē)舒適美觀;同時(shí)也解決了下部結(jié)構(gòu)拼接中的繁瑣問(wèn)題。對(duì)于其新舊結(jié)構(gòu)的沉降差的關(guān)鍵問(wèn)題可以通過(guò)適當(dāng)增加樁長(zhǎng)、采用樁底注漿等方式予以解決;結(jié)合部位的構(gòu)造及施工的關(guān)鍵問(wèn)題可以通過(guò)采用合適的連接剛度(減少剛度差異)、適當(dāng)加強(qiáng)連接部位的構(gòu)造處理、延遲新舊結(jié)構(gòu)的拼接時(shí)間(使其發(fā)生一部分收縮、徐變，一般時(shí)間為3個(gè)月～5個(gè)月，以減小新舊結(jié)構(gòu)齡期差引起的收縮、徐變效應(yīng))等措施予以解決。

目前上部構(gòu)造相互連接、下部構(gòu)造不連接的擴(kuò)建方式已得到國(guó)內(nèi)專(zhuān)家、同行的肯定。該拼接方式已被國(guó)內(nèi)多個(gè)擴(kuò)建工程采用，如滬寧、海南東線(xiàn)高速公路、滬杭甬高速公路等且已通車(chē)多年，效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

在研究橋梁拓寬方案是需考慮諸多的因素，如需要考慮原橋的技術(shù)狀況、沿線(xiàn)的地質(zhì)條件、合理的拼接方式、新舊結(jié)構(gòu)間的協(xié)調(diào)變形、新舊結(jié)構(gòu)的合理拼接時(shí)間等。橋梁的橫向拼接方式是橋梁拼接設(shè)計(jì)的技術(shù)重點(diǎn)，作者在對(duì)國(guó)內(nèi)已實(shí)施的幾條高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目的調(diào)查研究基礎(chǔ)上，介紹了常規(guī)橋梁的常見(jiàn)病害并重點(diǎn)探討了橋梁加寬設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的主要原則及技術(shù)要點(diǎn)，分析了橋梁拼接加寬不同方式優(yōu)缺點(diǎn)，希望對(duì)類(lèi)似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)有所幫助。

［1］ 范立礎(chǔ)．橋梁工程［M］．北京:人民交通出版社，1996:2．

［2］ 蒙 云．橋梁加固與改造［M］．重慶:重慶大學(xué)出版社，1989:1．

［3］ JTJ 021-89，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］．

［4］ JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］．