采用部分拼接方法拓寬的長聯橋梁設計與施工

■葛金城

（河北省高速公路石安改擴建籌建處，石家莊 050000）

采用部分拼接方法拓寬的長聯橋梁設計與施工

■葛金城

（河北省高速公路石安改擴建籌建處，石家莊 050000）

以三座長聯橋梁為背景，采用有限元方法分析了普通拼接方法拼寬的長聯橋受力性能，結果表明采用普通拼接方法的三座長聯新橋的靜置時間均需三年以上。通過不拼接段長度確定、不拼接段構造設計和拼接后各構件承載力驗算，介紹了采用“新、舊橋沿縱橋向部分拼接”拓寬的長聯橋梁設計方法，結果表明采用部分拼接方法的情況下，根據各新橋實際靜置時間，三座長聯橋兩端的不拼接段均為三跨；拼接后各構件受力均滿足要求。介紹了采用部分拼接方法拓寬的三座長聯橋梁施工，拼寬后三座長聯橋在運營狀況良好，部分拼接方法可在長聯橋梁的拓寬拼接中推廣。

長聯橋梁 部分拼接方法 拼接構造 鋼板連接

1 前言

在公路改擴建工程中面臨著大量的橋涵構造物的改擴建。橋梁拓寬拼接的方法有很多，其中“新、舊橋上部結構連接、下部結構不連接[1]”已成為目前國內橋梁拓寬的主要拼接方式。然而，采用這種拼接方法拓寬的橋梁在新、舊橋混凝土收縮和徐變差異等影響下，新、舊橋上部結構連接處會產生較大的附加內力，甚至出現裂縫。因而，進行橋梁擴寬研究顯得尤為重要。

目前已有許多學者對拓寬橋梁拼接后的整體受力性能以及各種因素對拓寬橋梁結構受力的影響開展了大量的研究工作，并取得了一定成果。文獻[2-4]采用了有限元、試驗、理論推導等方法分析了新、舊主梁混凝土收縮和徐變差異對拓寬橋梁內力變化、平面變形等的影響。Nie[5]通過試驗研究得到了組合鉸處新、舊混凝土接觸面的抗剪強度和失效模式。Chai等[6]通過現場監測和試驗研究指出拓寬橋梁新、舊橋連接構造的剛度決定了新橋建成后需要靜置的時間。方志等[7]研究成果表明新、舊橋之間的混凝土收縮、徐變差異會導致拓寬后的橋梁結構產生顯著的橫橋向變形，使支座發生剪切破壞。劉桂紅[8]指出新橋采用簡支結構可減少新、舊橋的混凝土收縮和徐變差，并且新橋建成3年后再拼接方可確保拓寬后橋梁結構安全。陳康明等[9]研究表明混凝土收縮是引起拓寬拼接后長聯橋梁產生縱、橫橋向變形最主要的因素，為避免3座長聯橋梁的舊橋支座發生剪切破壞，均需將新梁建成靜置3年后再進行拓寬拼接，這將嚴重影響長聯橋梁施工工期，增加建設成本。為此，文獻[10]提出了可縮短長聯橋梁拼接時間的“部分拼接”的方法。本文以長聯橋梁為研究對象，以三座實橋介紹采用部分拼接方法拼寬的長聯橋的設計與施工，為以后縮短長聯橋梁拼寬時間提供參考。

2 工程簡介

依托工程為某高速公路改擴建段的三座長聯橋梁，其聯跨組合見表1。拓寬用新橋與舊橋的結構形式相同，均為長聯多跨裝配式預應力混凝土連續箱梁橋。舊橋上部結構由4片主梁組成，新橋上部結構由3片主梁組成。圖1為新、舊橋主梁典型橫斷面構造圖，每片新、舊橋主梁均為單箱單室等高度箱梁，箱梁高分別為160cm和150cm，中梁截面頂板寬均為240cm，頂板厚度分別為18cm和15cm，底板寬度分別為100cm和110cm。

表1 三座長聯橋的聯跨組合

3 普通拼接方法設計計算

3.1 普通拼接方法

圖1 新、舊橋主梁跨中橫斷面構造（單位：cm）

長聯橋梁拓寬時常以“新舊橋上部結構連接、下部結構不連接”為原則，采用“部分預制+部分現澆”的施工方法將新、舊橋主梁間的橫隔板布置在每跨的跨中和端部，通過橫隔板將新、舊橋主梁的腹板連接起來，消除整體撓度差；通過現澆混凝土濕接縫將新舊橋主梁翼緣板連接起來，防止新舊橋主梁翼緣在外荷載作用下出現局部撓度差，影響拓寬橋梁的正常使用。拓寬后三座長聯橋上部結構的橫截面示意圖見圖2。

圖2 拓寬后上部結構的橫截面構造（單位：mm）

3.2 模型建立與分析

分別選取漳河特大橋12跨一聯，支漳河特大橋17跨一聯，和洺河特大橋18跨一聯的主橋作為分析對象，利用MIDAS/Civil有限元軟件，采用梁格法建立三座長聯橋的空間有限元模型。將主梁作為縱橋向單元，根據實際橫向剛度建立虛擬橫梁與主梁連接。虛擬橫梁只有剛度不計重量，由此實現現澆混凝土濕接縫的模擬。支座采用彈簧單元模擬其實際剛度，主梁與支座連接方式為彈性連接中的剛接。以18跨一聯的洺河特大橋為例，其有限元模型如圖3所示。

有限元模型計算表明長聯橋梁新、舊橋主梁沿縱橋向全部拼接時，由于縱橋向拼接縫的存在使得由于混凝土收縮和徐變等長期荷載產生的新橋主梁縱橋向變形受到舊橋主梁的約束，導致新、舊橋主梁在橫橋向均發生彎曲變形。

由圖4可知，當漳河特大橋、支漳河特大橋、，洺河特大橋的新橋建成后靜置時間為3年時，混凝土收縮等長期荷載造成的舊橋支座橫橋向位移最大值分別為19.14mm、19.01mm和18.99mm，仍然大于相應的容許值17.50mm，說明對于三座長聯橋結構，若新、舊橋主梁沿縱橋向采用橫隔板和濕接縫的拼接方式，要使舊橋支座不會因混凝土收縮造成的橫橋向位移過大而發生剪切破壞，拼接時間必須大于3年，即采用普通拼接方法拓寬的長聯橋梁，其新橋形成連續梁結構體系后的靜置時間需超過3年，這將嚴重影響實橋建設工期。

圖3 洺河特大橋有限元模型

圖4 舊橋支座橫向變形隨拼接時間影響

4 采用部分拼接方法拓寬的長聯橋梁設計

4.1 不拼接段長度確定

受工期要求，漳河特大橋、支漳河特大橋和洺河特大橋的新橋建成后靜置時間如表2所示。根據長聯橋梁新橋建成后的實際靜置時間和文獻[10]提出的部分拼接方法，采用第2節中相同的建模方法，分別計算新、舊橋主梁沿縱橋向采用普通拼接方法全部拼接、一聯兩端2跨和3跨不拼接3種情況下，新、舊橋拼接完畢10年后的橋梁結構在混凝土收縮和徐變等荷載作用下產生的橫橋向變形。結果表明為使長聯橋梁在施工期間3年內進行拼接，且使新、舊橋拼接10年后支座在混凝土收縮和徐變作用下產生的橫橋向變形小于容許值，不拼接段長度均為一聯兩端各3跨，見表2。

表2 三座長聯橋沿縱橋向拼接長度

4.2 不拼接段拼接構造設計

為保證不拼接段橋面鋪裝不出現裂縫，且新、舊橋主梁橫橋向不發生碰梁，根據文獻[10]，在不拼接段新、舊橋主梁翼緣間沿縱橋向每隔一段距離設置一道連接構造進行拼接。不拼接段的拼接構造見圖5，新、舊橋主梁翼緣間沿縱橋向每隔 1.5m設置一道長×高×厚為：40cm× 18cm×1.5cm的Q235鋼板進行連接，縱向鋼筋分段焊接在鋼板上；橋面現澆混凝土層中心線處設置一道高10cm的鋅鐵皮用來隔斷橫向鋼筋和混凝土；橋面瀝青層鋪裝完成后，在鋼板拼接段范圍內由表面切割一條深度為瀝青鋪裝厚度1/2縫隙，并用瀝青瑪蹄脂填縫。斷縫兩側各10cm現澆層上應先設一層2mm厚的聚氨酯防水卷材或瀝青油氈并加熱密封粘結，再全橋統一采用防水涂料。

圖5 不拼接段拼接縫構造（單位：cm）

4.3 結構驗算

為保證拓寬后長聯橋梁的安全性與耐久性，對新橋主梁、濕接縫、橋面鋪裝、拼接鋼板等構件進行抗剪、抗彎、抗扭承載力驗算。以漳河特大橋的主橋為例，根據《公路鋼筋混凝土與預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D60-2004）[11]進行結構驗算，各構件的承載力驗算結果匯總于表3。由表3可知，離散拼接段各構件承載力滿足規范要求。

表3 漳河特大橋主橋結構驗算結果匯總表

5 采用部分拼接方法拓寬的長聯橋梁施工

對于采用部分拼接方法拼寬的長聯橋梁，其拼接過程包括兩次。第一次為為了縮短拼接時間，沿縱橋向新、舊橋主梁采用部分拼接方法拼接；第二次為待混凝土收縮徐變結束后，將采用鋼板連接的不拼接段按照全拼節段的拼接方式進行拼接。

5.1 一次拼接施工方法

對于采用部分拼接方法拼寬的長聯橋，首先，由橋梁中跨向兩邊整跨施工連續拼接段。連續拼接段按照普通的鋼筋搭接方式進行包含橫隔板和橫梁在內的拼接，直至兩端各剩3跨。然后，進行不拼接段的施工。

采用鋼板拼接構造的不拼接段體施工步驟為：

（1）離散拼接區段橫隔板、橫梁不拼接，橫向鋼筋不連接。

（2）每隔1.5m設置一塊40cm×18cm×1.5cmQ235鋼板連接新、舊橋主梁。

（3）濕接縫及橋面現澆混凝土層中心線處設置一道高28cm的鋅鐵皮用來隔斷橫向鋼筋。

（4）在鋼板兩側設置8cm×5cm×18cm的軟木塊，縱向鋼筋分段焊接在鋼板上，橫向鋼筋用鋅鐵皮隔斷不連接。

（5）橋面瀝青層鋪裝完成后，在鋼板拼接段范圍內由表面切割一條深度為瀝青鋪裝厚度1/2縫隙，然后用瀝青瑪蹄脂填縫。

（6）斷縫兩側各10cm現澆層上先設一層2mm厚的聚氨酯防水卷材或瀝青油氈并加熱密封粘結，再全橋統一采用防水涂料。

圖6 采用部分拼接方法拼寬的長聯橋照片

5.2 二次拼接施工方法

二次拼接的施工工序為：

（1）定出離散拼接段縱向濕接縫的中心線。

（2）鑿除橋面鋪裝層：由靠近連續拼接段的一跨開始，依次鑿除中心線左右兩側95cm范圍內的橋面鋪裝層，三跨的橋面鋪裝全部鑿開。

（3）鑿除舊橋翼緣板：橋面鋪裝層鑿除以后，同樣由靠近連續拼接段的一跨開始，鑿除中軸線左右兩側20cm范圍內的新、舊橋主梁翼緣板。翼緣板每次的鑿除長度不應大于一跨。在翼緣板鑿除時，保留拼接構造鋼板。

（4）進行橫隔板連接，澆筑混凝土，完成橫隔板的施工。

（5）安裝濕接縫模板，與鋼筋焊接，混凝土澆筑，完成濕接縫的施工。

（6）鋪設濕接縫處的橋面鋪裝層。

目前，采用“部分拼接方法”與“采用鋼板連接的拼接構造”進行拓寬后的漳河特大橋、支漳河特大橋、洺河特大橋運營狀況良好。在連續拼接段，未發現任何破壞現象。對于不拼接段，鋼板與翼緣連接處以及橋面鋪裝與主梁翼緣結合面等關鍵未出現任何破壞現象。說明鋼板連接的拼接構造在三座長聯橋梁中的應用效果良好。

6 結語

通過不拼接段長度確定、不拼接段構造設計，以及拼接后各構件驗算介紹了三座采用部分拼接方法拼寬的長聯橋的設計，介紹了三座采用部分拼接方法拼寬的長聯橋的施工步驟。目前，三座長聯橋梁運營狀況良好，部分拼接方法可推廣應用于長聯橋梁拼寬中，為今后長聯橋拼寬設計與施工提供參考。

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