空心板橋拼寬后老橋承載力驗算

李 攀 孫東生 王丹，2

1 河南省交通規劃勘察設計院有限公司（450052） 2 河南中原高速公路股份有限公司（450052）

空心板橋拼寬后老橋承載力驗算

李 攀1孫東生1王丹1，2

1 河南省交通規劃勘察設計院有限公司（450052） 2 河南中原高速公路股份有限公司（450052）

隨著交通量增大，高速公路改擴建項目的增多，高速公路逐漸進入拼寬時代。這里以鄭州機場高速公路為背景，通過對老橋空心板拼寬方式的研究，計算拼寬后橋梁整體橫向分布系數，并結合新規范設計荷載驗算老橋承載力，為空心板拼寬及拼寬后運營養護提供參考和建議。

高速公路；空心板；拼寬；橫向分布；承載力

1 項目背景

鄭州市機場高速公路作為新鄭國際機場與鄭州市的主要連接通道始建于1994年,起于中州大道下穿隴海鐵路通道南側，終于機場高速機場互通立交，路線全長26.41公里，其前身是京港澳國家高速公路鄭州至新鄭段。2004年，京港澳國家高速公路席莊至薛店段建成后，正式成為鄭州市機場高速公路。機場高速公路建成以來，成為鄭州市南部最重要出入口，2012年1～9月交通量達46 137輛/日（折算小客車47 845 pcu/d）。現有機場高速已難以承擔鄭州市“南大門”和南部重要出入通道的需求，并且隨著航空港區建設的不斷發展，機場高速的擴容更是勢在必行。

2 老橋介紹

本項目已建成橋梁上部結構主要采用預應力混凝土空心板，跨徑為10 m、16 m、20 m。下部構造采用樁柱式橋墩，樁柱式或肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎，橋面簡易連續。老橋橋面寬度為2×12 m，由12塊1.0 m的空心板組成,其中中央分隔帶3 m。老橋采用85年設計規范的要求，設計荷載標準為汽-超20級、掛車-120。

3 加寬情況

綜合路線通道資源利用、社會經濟效益、解決運輸能力、占地和投資、通行能力和交通安全、環境保護比選，本次擴容在現有鄭州至航空港高速公路的基礎上實施雙側拓寬方案，老橋左、右半幅分別加寬8.0 m，由6塊板寬1.25 m的空心板組成。

橋梁結構拼寬形式大致有“上下相連”和“上連下不連”兩種方式。“上下相連”方式：上部新老板間通過濕接縫和橋面鋪裝相連；下部拆除原蓋梁端部變截面端,加鋪負彎矩鋼筋與新橋拓寬部分蓋梁的鋼筋連接后，新老蓋梁澆筑一體，蓋梁銜接處設置假縫。這種方式的優點是新老橋連接剛度大，結構整體性較好，橫向受力明確。缺點是對通行影響較大，下部蓋梁施工難度較大；新老橋上部材料混凝土收縮、徐變引起的變形及新老橋沉降差異產生的附加內力，易造成下部墩臺連接處拉裂；新老橋的不均勻沉降還會在原有橋梁蓋梁外邊柱頂處產生附加負彎距，且會較大增加原有橋梁外邊墩的豎向內力。“上連下不連”方式：上部連接方法同上，但下部新老橋蓋梁設縫隔離、互不連接。該設計方案保證了上部結構共同參與受力，同時亦避免了下部結構剛性連結對橋梁結構的不利影響。參照國內橋梁加寬的經驗，“上連下不連”拼接方式具有一定的設計合理性和施工可行性，但該方式要求嚴格控制擴建橋梁的工后沉降，避免上部結構接縫產生橋面裂縫。通過對比，選擇“上連下不連”拼接方式。

空心板橋具體拼接方案為切除老橋護欄，新老橋間濕接縫通過老橋邊板外側植筋與新板預埋筋相連（如圖1）。加寬橋梁中，20 m跨徑共14座，總長750.16 m；16 m跨徑共2座，總長58.16 m；10 m跨徑共3座，總長123.24 m。

4 承載力計算

4.1 基礎資料

老橋預應力混凝土空心板采用C40混凝土，其中20 m、16 m空心板板寬99 cm、高75 cm;10 m空心板板寬99 cm、高50 cm（如圖2）。空心板采用18根Фj15鋼絞線，其標準強度Rby=1 500 MPa，每根鋼絞線控制張拉力16.09 t，公稱面積140 mm2。

4.2 計算要點

1）上部構造預應力混凝土空心板橋面簡易連續，每一跨仍作為簡支空心板橋。

2）新老橋濕接縫連接,共同參與荷載橫向分配。

3）全橋采用新規范設計荷載，計算考慮其橫向分配，按橫向鉸接板法計算。

圖1 空心板拼寬斷面圖

4）按先張法A類構件進行計算。

5）橋面鋪裝不參與受力，按外荷載考慮。

圖2 空心板斷面圖

4.3 空心板結構計算

4.3.1 橫向分布系數

老橋空心板拼寬后橋面凈寬19 m，設計車道數分別采用5車道、6車道，考慮車道橫向折減，采用橋梁博士鉸接板法計算全橋橫向分布系數，并取較大橫向分布系數值計算共同參與荷載橫向分配下的老橋承載力。

表1 20m跨徑拼寬后橫向分布系數

表2 16m跨徑拼寬后橫向分布系數

表3 10m跨徑拼寬后橫向分布系數

4.3.2 承載能力極限狀態驗算

承載能力極限狀態驗算采用MIDAS軟件建模計算。建立梁單元構成單梁模型，設計荷載按公路-Ⅰ級，橫向分布系數取最大值；空心板橋采用簡支梁約束，鋼束兩端張拉，張拉力為1 120 MPa。

4.3.2.1 正截面抗彎承載力驗算

按JTG D62-2004第5.2.2條，矩形截面或翼緣位于受拉邊的T型截面受彎構件,正截面抗彎承載力應符合：

及第5.2.3條

20 m空心板橫向分布系數取0.245；16 m空心板橫向分布系數取0.263；10 m空心板橫向分布系數取0.284，驗算結果如圖3～5、表4～6。

表4 20m空心板正截面彎矩值

圖3 20m空心板正截面抗彎承載力

圖4 16m空心板正截面抗彎承載力

表5 16m空心板正截面彎矩值

表6 10m空心板正截面彎矩值

4.3.2.2 斜截面抗剪承載力驗算

按JTG D62-2004第5.2.9條，矩形、T型和I型截面的受彎構件，其抗剪截面應符合：

按第5.2.10條，T型和I型截面的受彎構件，當符合下列條件時：

可不進行斜截面抗剪承載力驗算。

圖5 10m空心板正截面抗彎承載力

圖6 20m空心板斜截面抗剪承載力

圖7 16m空心板斜截面抗剪承載力

表720 m空心板斜截面剪力值

表8 16m空心板斜截面剪力值

圖8 10m空心板斜截面抗剪承載力

表9 10m空心板斜截面剪力值

從圖6～8、表7～9中可以看出老橋跨徑10 m、16 m、20 m預應力混凝土簡支空心板在公路Ⅰ級荷載作用下，截面抗彎、抗剪承載力均滿足現行規范要求。

5 結論

老橋涵設計荷載標準為汽-超20級、掛車-120，根據運營狀況和老橋涵初步檢測結果顯示，主體結構能滿足85年設計規范的要求,但需對原老結構物局部病害加以處置，防止病害進一步發展以影響結構物整體健康狀況。經過雙側拼寬后，單純從結構計算考慮，按照全寬20 m進行活載橫向分配計算，老橋涵基本可以滿足公路-I級標準的使用要求，但在安全等級和耐久性方面有所欠缺。運營階段應對車道進行劃分，要求減少大型車輛行駛到內側車道即老橋空心板的概率。養護階段應加強日常養護、減輕和防止病害的發生，從而延長拼寬后老橋使用壽命，保持良好運營。

[1]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[2]陳寶春.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社,2008.

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[4]吳萍.洛三高速公路改擴建橋涵設計要點[J].中外公路, 2011(10)：164～167.

[5]於文超,顧超平,馬曉謙.舊橋加寬方案設計與比選[J].公路交通技術,2011(2)：68～71.