高速公路空心板橋拼寬設(shè)計和施工技術(shù)研究

■彭胤涵 歐智菁 丘福連

（福建工程學(xué)院，福州 350118）

0 引言

橋梁在現(xiàn)代高速公路中占有較大比重，隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展，交通量迅速增長，原有的高速公路橋梁難以滿足交通需求。新建橋梁費時多費用高，因此對舊橋進行適當加寬改造，可充分利用舊橋的潛能，經(jīng)濟效益顯著。當前的高速公路橋梁加寬存在技術(shù)復(fù)雜、實施難度高、對現(xiàn)狀交通影響大等特點，已成為改擴建工程的難點。本文以高速公路空心板橋為研究對象，結(jié)合具體橋例重點介紹了其上部結(jié)構(gòu)拼寬設(shè)計與施工方法，旨在為類似工程提供參考和技術(shù)指導(dǎo)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述

國外高速公路橋梁建設(shè)起步較早，從20世紀70年代起，許多歐洲國家開始了高速公路橋梁拓寬擴建研究，形成了較為系統(tǒng)的理論體系[1]。烏克蘭公路勘察設(shè)計院和國家道路科學(xué)研究院研究并提出了橋梁拓寬方法和基準拓寬模式；美國橋梁拓寬設(shè)計中要求新舊橋的結(jié)構(gòu)性能盡可能接近，并制定了完整的橋梁拓寬規(guī)程AASHTOLRFD Bridge Construction Specifications[2]；德國公路部門出版了橋梁拓寬初步技術(shù)設(shè)計圖集，提出了用標準裝配式板拓寬板橋的拓寬圖式（在拓寬橋梁時，主要采用加筋榫頭聯(lián)接新老構(gòu)件）。英國、俄羅斯、日本等國在部分高速公路橋梁加寬擴建時，應(yīng)用了縱向伸縮縫的新技術(shù)，實現(xiàn)新舊橋一體化。

自上世紀90年代中期起，我國的基礎(chǔ)設(shè)施進入大規(guī)模建設(shè)時期，在借鑒國外公路建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我國高速公路橋梁改擴建的研究日益成熟。目前國內(nèi)現(xiàn)有的研究主要集中在新舊橋不均勻沉降分析及結(jié)構(gòu)受力變化情況；廣泛應(yīng)用植筋技術(shù)?，F(xiàn)有的相關(guān)規(guī)程主要有《高速公路改擴建設(shè)計細則》（JTG/T L11-2014）[3]，不足之處是沒有專門針對高速公路橋梁的改擴建規(guī)范，其改擴建施工技術(shù)與方法也有待改進。

2 設(shè)計原則

我國高速公路橋梁拼寬，應(yīng)貫徹環(huán)境保護、耕地保護和資源節(jié)約的基本國策，遵循“利用與改擴建充分結(jié)合、建設(shè)與運營相互協(xié)調(diào)”的基本原則，進行科學(xué)論證，提出合理方案。對拼接加寬利用的老橋梁和新建橋梁，其極限承載能力應(yīng)滿足現(xiàn)行標準要求。宜采用“同結(jié)構(gòu)型式、同跨徑布置”方式，力求標準化、裝配化、外觀一致性。同時需要有效控制新舊橋基礎(chǔ)差異沉降。應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)形式、跨徑布置、拼寬部分自身穩(wěn)定性、地質(zhì)等因素，確定新結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)間是否連接。

3 高速公路橋梁拼寬方式

當前我國高速公路橋梁拼寬常采用的方法為單側(cè)拓寬和雙側(cè)拓寬兩種方法，而橋梁拓寬中橫向連接方式的選擇成為施工中主要面對的問題[4]?，F(xiàn)有橋梁拼寬橫向連接方式主要有上部連接下部不連接，上、下均連接，上、下均不連接這三種類型。橋梁拼寬橫向連接方式方案比較見表1。

表1三種橫向連接形式中，常采用“上連下不連”，其關(guān)鍵是控制上部結(jié)構(gòu)混凝土收縮徐變差值以及新、舊橋梁基礎(chǔ)之間的不均勻沉降，造成上部結(jié)構(gòu)混凝土和橋面鋪裝開裂等危害[5]。上連下不連方式示意圖如圖1所示。當原橋梁板滿足現(xiàn)行規(guī)范標準時，可將原邊板移動到拼寬部分外側(cè)使用，以中板直接通過鉸縫進行連接，如圖2，此種方式適用于下部結(jié)構(gòu)相互連接的情況。上下均不連接指新建拼寬橋梁與既有橋梁分離、相互獨立，新老結(jié)構(gòu)各自受力明確，如圖3所示。

表1 橋梁拼寬方式比較分析

圖1 上連下不連拼寬方式

圖2 上、下均連接拼寬方式

圖3 上、下均不連接拼寬方式

4 橋梁橫向連接設(shè)計與施工方法研究

橋梁橫向連接方式的選擇是橋梁拼寬設(shè)計的關(guān)鍵，影響因素包括：原有橋梁的承載能力和耐久性的評估結(jié)果、上部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形要求、橋梁活載及基礎(chǔ)差異沉降和施工的難易程度等[6]。拼接縫的三種方案如下：

4.1 方案一：植筋現(xiàn)澆濕接縫連接法

該拼接方法的設(shè)計原理為：拆除舊橋外側(cè)護欄，并在其外側(cè)邊板上種植連接件（鋼板、種植螺栓、連接鋼筋）。新加寬橋外側(cè)邊板預(yù)埋的鋼筋要與連接件焊接，沿橋配縱向主筋，形成現(xiàn)澆段板梁。同時，板梁上繼續(xù)澆注橋面混凝土，應(yīng)注意新舊蓋梁之間需要設(shè)置分隔縫，不用切除擋塊，最后通過現(xiàn)澆段將新舊橋上部結(jié)構(gòu)連接在一起。如圖4所示。

圖4 植筋現(xiàn)澆濕接縫連接法

在石安高速公路某段改擴建中采用了 “上部結(jié)構(gòu)連接，下部結(jié)構(gòu)不連接”的橋梁拼接加寬方式[7][8]。左幅新建小橋和原橋采用上連下不連的連接形式，即上部結(jié)構(gòu)剛性連接，下部結(jié)構(gòu)各自獨立。上部結(jié)構(gòu)簡支，橋面連續(xù)，橋頭和中間墩處設(shè)置聯(lián)接鋼板。原橋內(nèi)側(cè)護欄拆除，翼緣鑿除，植入鋼筋，新建小橋預(yù)留現(xiàn)澆段，與原橋原有鋼筋及植入鋼筋連接，澆注成整體，實現(xiàn)剛性連接；原橋橋面鋪裝鑿出1m寬(含原橋護欄寬度)與新建小橋橋面鋪裝橫向鋼筋綁扎，澆注防水混凝土；原橋內(nèi)側(cè)橋臺、橋墩擋塊鑿除，為上部結(jié)構(gòu)連接預(yù)留空間。鑿除原橋上部瀝青路面，按照設(shè)計橫坡重新鋪筑橋面鋪裝。

4.2 方案二：采用型鋼臨時加固法

該拼接方法的設(shè)計原理為：沿縱向接縫將兩側(cè)空心板用型鋼臨時加固，拆除舊橋外側(cè)護欄、原蓋梁的端部以及防震擋塊，用混凝土重新澆筑新空心板與舊橋外側(cè)空心板間的企口縫和橋面鋪裝，等混凝土達到設(shè)計強度后，拆除臨時型鋼。其蓋梁植筋連接方案如圖5。

滬杭甬高速公路的某座橋梁[8]，首先將老護欄鑿除到梁板頂面的位置，不割除老梁板內(nèi)預(yù)埋的護欄鋼筋，把鋼筋彎向縱縫側(cè)使其與種植鋼筋共同受力；其次在老梁板上種植螺栓；鋼筋與鋼板焊好后，將鋼板安裝在種植好的錨栓上并與梁板粘結(jié)，之后將鋼筋進行焊接，老橋鋪裝層的鋼筋網(wǎng)與縱縫拼接頂部設(shè)置的鋼筋網(wǎng)及拼寬橋梁橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)綁扎在一起；工字鋼與梁板之間的支撐點要墊入鋼板，以保證梁體傳力的可靠性；接著制作模板；在混凝土澆筑時先澆筑下部，用插入式振搗器振搗密實再澆筑T梁部分的上部，并用平板振搗器振搗密實?；炷烈坏╅_始澆筑就不能停頓，直至完成半幅橋。

圖5 蓋梁植筋連接方案

縱縫混凝土澆筑完后，應(yīng)進行適當?shù)母采w，表面收漿后立即開始養(yǎng)生，灑水時間應(yīng)在7d以上，待混凝土強度達到設(shè)計強度70%(35MPa)以上時，即可拆除工字鋼和底模。施工圖如圖6所示。

圖6 采用型鋼臨時加固法

4.3 方案三：懸臂邊板拼接法

蓋梁、邊板不動，即拆除舊橋外側(cè)護欄，新加寬橋的邊板采用帶懸臂的形式，沿縱向接縫臨時用型鋼加固兩側(cè)空心板，并澆筑橋面鋪裝混凝土，待混凝土達到設(shè)計強度后，拆除臨時型鋼。蓋梁不相連接方案如圖7。

圖7 懸臂邊板拼接法

5 橋梁拼寬新技術(shù)及運用

高速公路新舊橋連接，受混凝土收縮徐變、差異沉降和運營荷載等因素影響，可能引起一系列安全問題。為確保橋面平順、安全行車，目前國內(nèi)外高速公路橋梁拼寬工程中采用了多項新技術(shù)。

5.1 縱向伸縮縫技術(shù)

縱向伸縮縫是橋?qū)捚磳捁こ讨校贾迷谛屡f橋之間的鉸接位置上的連接裝置，如圖8所示。設(shè)置縱向伸縮縫的目的是為了滿足橋面變形的要求。

圖8 縱向伸縮縫（Brit flex LJ型）

縱向伸縮裝置能充分吸收車輛的振動沖擊，且接頭平順，具有良好的耐久性、較強的彈性恢復(fù)力，對溫度和荷載變化產(chǎn)生的影響有較強的適應(yīng)能力，橋梁整體沿橋梁橫向能自由伸縮，結(jié)構(gòu)牢固可靠，承載能力優(yōu)越。縱向伸縮縫具有良好的防排水性能，平整舒適性好，與其相連接的路面在同一水平面上，行車效果和在路面上基本相同，不會出現(xiàn)與橫向伸縮縫一樣的跳車現(xiàn)象，噪聲小，且其施工簡便快捷，經(jīng)濟效益好，成本低廉。

廣州市南沙區(qū)省道S111線上的一涌中橋采用了縱向伸縮縫裝置[9]，如圖9。該橋的連接方式為上部橫向連接，下部不連接。施工時在橋頭增設(shè)伸縮縫，重新澆筑搭板，采用鋼筋除銹外加環(huán)氧樹脂砂漿對舊橋空心板梁底板及欄桿剝露的混凝土進行修補。接縫施工時先要鑿掉現(xiàn)有橋面鋪裝，用環(huán)氧樹脂砂漿或環(huán)氧樹脂混凝土對梁板尤其是縱縫兩側(cè)裂縫進行修補，并用聚氨脂膠泥對縱縫進行填充；最后對橋面鋪裝進行維修。

圖9 廣州一涌中橋單側(cè)縱向設(shè)置伸縮縫

5.2 剛度漸變技術(shù)

剛度漸變技術(shù)即：將新舊橋板之間的剛度差異漸變，擴展其變化區(qū)域，由原來兩塊板之間的剛度突變轉(zhuǎn)換為多塊板之間的剛度漸變，這樣使新舊橋板結(jié)合部位產(chǎn)生的位移差和附加應(yīng)力大大減小，從而實現(xiàn)橋面鋪裝的整體性[10]。新橋板與舊橋板的單板剛度差異較大，這樣會導(dǎo)致新橋板與舊橋板連接后在連接部位出現(xiàn)橋面鋪裝破壞。基于此，提出新舊空心板橋剛度漸變的方法。對剛度漸變的鋼筋混凝土空心板橋的靜力力學(xué)性能進行分析，研究結(jié)果表明：施加橫向剛度漸變構(gòu)件前后的整橋在過渡區(qū)域位移有較大的不同，在施加橫向剛度漸變構(gòu)件前，新內(nèi)板和舊板之間出現(xiàn)較大的剛度突變，引起位移突變；施加橫向剛度漸變構(gòu)件后，各個橋面板的位移呈現(xiàn)逐步變化的趨勢。施加橫向剛度漸變構(gòu)件前承受荷載的空心板荷載橫向分布系數(shù)突起明顯，即單板受力明顯；施加橫向剛度漸變構(gòu)件后，荷載橫向分布系數(shù)突起值減小，突起寬度增大，說明施加的集中荷載由多塊板共同承擔，各個空心板的變形相差不大。對比施加橫向剛度漸變構(gòu)件前后的靜力力學(xué)性能，證明了施加橫向剛度漸變構(gòu)件的有效性，橫向剛度漸變效果良好。

通過對比空心板在施加橫向剛度漸變構(gòu)件前后的受力和變形特征，證明了施加橫向剛度漸變構(gòu)件可有效緩解單板受力情況，改善空心板橋的整體受力性能。不同剛度空心板板之間的連接圖示見圖10，圖中由空心板①到空心板⑧的剛度以較小的剛度差逐漸變化，形成剛度漸變的整體結(jié)構(gòu)。

圖10 剛度漸變模型

6 結(jié)語

本文以高速公路空心板橋為研究對象，探討了常見的三種拼寬類型，依托具體橋例，詳細介紹了拼寬橋梁橫向連接設(shè)計及施工方法，并概述了空心板橋拼寬新技術(shù)，得到以下幾點結(jié)論：

（1）我國高速公路橋梁拼寬，應(yīng)遵循“利用與改擴建充分結(jié)合、建設(shè)與運營相互協(xié)調(diào)”的基本原則，宜采用同結(jié)構(gòu)型式、同跨徑布置方式，力求標準化、裝配化、外觀一致性。在滿足極限承載能力要求基礎(chǔ)上，有效控制新舊橋基礎(chǔ)差異沉降。

（2）對高速公路空心板橋三種拼寬方式進行對比研究，其中“上連下不連”拼寬方式的優(yōu)點在于能緩解新、舊橋梁基礎(chǔ)之間不均勻沉降對結(jié)構(gòu)受力的影響，且施工便捷，可推薦應(yīng)用；并針對該拼寬方式，詳細論述了“植筋現(xiàn)澆濕接縫連接法” “型鋼臨時加固法”、“懸臂邊板拼接法”三種拼接方法。

（3）縱向伸縮縫技術(shù)具有耐久性強、平整舒適性好、防排水性能優(yōu)、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，在實際工程應(yīng)用效果良好，值得推廣。剛度漸變技術(shù)能有效防止由于新舊主梁剛度差異較大而造成的新舊橋梁接縫處易發(fā)生局部破壞的現(xiàn)象，可供類似工程參考。