公路橋梁拼寬改造應用與研究現狀調查

羅文藝，李雅杰，嚴宇，崔玉龍，邱凌煜，王金安

（1.中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410000；2.福州大學土木工程學院，福建 福州 350108）

0 前言

隨著我國經濟建設的快速發展，交通量的需求不斷增大，許多橋梁出現設計荷載較低、橋齡較長，橋面寬度不足以及通行能力逐漸趨于飽和等問題，交通量不斷增長與現有公路通行能力不足的矛盾日益突出，增加現有公路的通行能力是當前的一個重要而緊迫的任務。為了解決承載能力不足的問題并提高交通量，往往選擇將橋梁加固、加寬甚至拆除重建等措施[1-2]。橋梁的拆除重建一般較浪費資源并且違背低碳原則，舊橋拆除過程會對環境造成破壞，拆除舊橋的廢棄混凝土會污染環境。當橋梁剩余承載力仍然較大時，在原有橋梁基礎上進行加固是一種較好的選擇[3-5]。因此，若能充分利用這些舊窄橋，將會節約大量的施工時間和社會資源、保護自然環境，是實現可持續發展戰略的要求。目前，橋梁加固的研究得到了較多的關注。文獻[6]邵志元對常見的橋梁加固技術做了較為全面的總結論述，介紹了當今普遍使用的幾種橋梁加固方法。文獻[7]潘勇等人研究了預應力CFRP（碳纖維復合材料）板加固技術在公路橋梁上的加固效果及長期性能，研究結果表明預應力CFRP板可在不中斷交通情況下加固橋梁。不過，相對來說，為提高橋梁的通行量而進行橋梁加寬的研究相對不多[8]，原因主要是其通常以新建橋梁的方式在原橋旁相鄰位置進行拓寬，形成上、下幅橋梁，從而不改變原橋的結構和受力。這種加寬方式主要適用于新建不久的橋梁，如高速公路的拓寬改造等。

然而，對于城市橋梁來說，由于空間有限，在舊橋相鄰位置新建橋梁較為困難，特別是對于城市高架橋或立交橋來說，通常為曲線橋梁，新建橋梁更為困難。因此，在城市空間有限條件下，選擇在舊橋的兩側拼接加寬是一種較適宜的改造方式[11]。拓寬以后的新橋可以增加新的車道數目，保留舊橋的上下部結構繼續使用，從而提高原有的交通流量[9-10]。不過，這種加寬措施不可避免會影響到原橋的受力性能，因此需要進行深入的分析。

目前，關于橋梁拼接加寬改造的研究不多，需要考慮新舊梁橋由于成橋時間差異所帶來的一系列作用差異，如新建橋梁存在新的地基沉降變形、混凝土新拼橋的收縮徐變以及鋼梁橋拼寬產生的焊接應力問題等，這些差異都會給拓寬后的橋梁帶來不同的作用效應[12-13]。為深入分析了解城市公路橋梁拼寬改造研究現狀，本文開展了廣泛的調查研究，分析了該類型橋梁的受力特點，指出了發展方向，為今后該類型橋梁的拼寬改造提供參考與借鑒。

1 公路橋梁拼寬改造應用現狀調查

隨著我國經濟的快速發展，部分已建的橋梁已經無法滿足日益增長的交通量需求，為了改善這這一狀況，越來越多的橋梁進行了拓寬改建。我國自廣佛高速公路改擴建后，已經完成了多條高速公路的改擴建。京津唐高速公路改擴建工程中，拓寬的特大橋有2座，合計491315m；大橋4座，合計102216m；中橋26座，合計1396m；小橋18座，合計380m。涿州—石家莊段改擴建工程中，拓寬橋梁共計84座，合計2253.8m，均為中、小橋。此外，滬寧高速公路、沈大高速公路，沈海高速公路等都已進行拓寬改建。

目前橋梁拓寬工程中新橋與舊橋橫向拼接多數采用上部結構連接、下部結構分離的方式，該拼接方式的新橋與舊橋的下部結構內力不會產生相互影響，同時上部結構的連接對舊橋內力影響也較小，因此被廣泛應用于橋梁拓寬工程中。本文共調查收集了我國169座拼寬橋的基本信息。分析發現，在拼寬橋中舊橋大部分為混凝土梁橋，占比達90%以上，而新橋上部結構或與舊橋相同，或采用與舊橋上部結構不同的鋼箱梁和鋼-混凝土組合結構等。

圖1 拼寬橋總長度分布圖

圖1為這169座拼寬橋按小橋（8m≤橋長L≤30m）、中橋（30m＜橋長L＜100m）、大橋（100m≤橋長L≤1000m）以及特大橋（1000m＜橋長L）分類的分布圖。由圖1可以看出，拼寬橋的橋長以100～1000m的大橋最多，共占81座，占比47.9%；其次為橋長30～100m的中橋，共占51座，占比30.1%；而小橋和特大橋數量則相對較小，分別為26座和12座。其中最長的橋是潭州大橋，橋梁總長為8777.06m，為預應力混凝土連續箱梁；最短的橋是朱塢1小橋，橋梁總長為16 m的簡支混凝土空心板梁。

圖2 拼寬橋結構類型分布圖

圖2給出了這169座拼寬橋的橋梁結構類型分布圖。從圖中可以看出，拼寬橋主要還是以連續梁橋和簡支梁橋為主，其中連續梁橋94座，占比55.6%；簡支梁48座，占比28.4%；而剛構橋、拱橋和斜拉橋僅為11座、15座和1座。

圖3 拼寬橋跨徑分布圖

圖3給出了這169座拼寬橋的橋梁跨徑分布圖。從圖中可以看出，拼寬橋梁的單孔跨徑小于等于25m的最多，共有69座，占比40.8%，其次為跨徑25～50m的，共61座，占比36.1%。其余跨徑范圍只有40座，占比23.7%。最大單孔跨徑為305m，是廣州市洛溪大橋，上部結構為（30+95+305+110+30）m雙塔雙索面疊合梁斜拉橋。從跨徑指標來看，中國的拼寬橋主要以小跨徑橋梁為主。

圖4給出了這169座拼寬橋的橋梁跨數分布圖。從圖中可以看出，拼寬橋主要是以小跨數為主，3跨、4跨和5跨的拼寬橋梁在中國應用較多，占比分別為26.6%、10.7%和11.8%。跨數最多的是潭州大橋，上部結構為（22×20+17+2×20+43+3×30+（75+125+75）+30+40+30+6×20+20+25+15+14×20）m 鋼筋混凝土T形梁。

圖4 拼寬橋跨數分布圖

調查表明，公路橋梁按材料分主要為混凝土橋、鋼橋和鋼-混凝土組合結構橋，圖5給出了這169座拼寬橋的橋梁不同材料分布圖。從圖中可以看出，拼寬橋主要是以混凝土梁橋為主，共占164座，占比達90%以上；鋼梁橋和鋼-混凝土梁橋很少，分別為2座和3座。因此，鋼梁橋與鋼-混凝土梁橋的拼寬改造還有較大的發展空間。

圖5 拼寬橋材料分布圖

2 三種主要橋梁拼寬改造研究現狀

從上節應用現狀調查可知，公路橋梁主要有混凝土橋、鋼橋和鋼-混凝土組合結構橋這三種。因此，本文主要針對這幾種橋梁結構進行論述，并介紹這三種橋梁的特點和拼寬改造研究現狀。

2.1 混凝土梁橋

對于公路梁橋，隨著交通量的發展，越來越多的橋梁承載能力不足，對于這些橋梁，多采用加寬的方式進行改造。而許多已經存在的公路橋梁采用的是混凝土結構和鋼結構，對于如今混凝土施工已經成熟的中國來說，更多的人會重視混凝土橋梁的拓寬改造，所以改擴建項目從混凝土梁橋開始，最多的也是混凝土橋梁。文獻[14-17]介紹了關于混凝土橋梁拼寬的一些實施例和設計。文獻[18]采用有限元建模的方法進行接縫結構設計的研究，探討了新舊橋梁差異沉降、差異剛度、局部偏載等因素對拓寬橋梁受力的影響。文獻 [19]以唐津高速公路擴建中橋梁拓寬工程為依托，針對橋梁上下部結構的拓寬方式、橫向拼接技術、新舊結構收縮徐變效應及沉降的控制方法等問題開展研究。混凝土主梁多采用箱梁、T梁、空心板結構。對混凝土T梁、空心板梁、箱梁橋改造中，一般均以采用增設主梁的方法進行拼寬改造，所增設的主梁（T梁或板梁）可以是與原上部結構相同截面尺寸的，也可采用增設大主梁的方法。拓寬后的橋梁因主梁數目的增加，而減小荷載的橫向分布系數，從而提高原橋的承載能力。文獻[20]中常國強等人利用梁格法對中小跨徑橋梁進行分析，研究得出：無論單側拓寬還是兩側拓寬，舊橋各梁荷載橫向分布系數均隨新梁片數增加而減小，邊梁、中梁均可提高承載能力。所以，混凝土橋梁拼寬是一種理論可行，且對承載更有利的一種增加橋梁通行能力的方式。混凝土梁橋的拼寬改造主要應用于公路橋梁，城市橋梁應用較少。

2.2 鋼-混凝土梁橋

鋼-混凝土組合梁橋是一種將混凝土橋面板與鋼梁組合成整體共同受力的結構形式。與混凝土梁橋相比，可以減輕自重，減小地震作用，減小構件截面尺寸，增加有效使用空間，降低基礎造價，節省支模工序和模板，縮短施工周期，增加橋梁的延性等。同鋼橋相比，可以減小用鋼量，增大剛度，增加穩定性和整體性，增強橋梁的抗火性和耐久性等[21]。近年來鋼-混凝土梁橋已廣泛應用于新建橋梁工程中，然而在對現有橋梁進行的拓寬改造工程中，大部分還是以傳統的混凝土梁橋為主。目前，關于鋼-混凝土梁橋拓寬研究的文獻很少，文獻[22]以深圳市“濱海大道接科苑大道新建匝道工程”項目中后海濱立交跨線橋拼橋工程為背景，通過比選推薦采用鋼-混凝土組合梁結構，認為對比于傳統的預應力混凝土梁和鋼梁，鋼-混凝土組合結構在制造、運輸、安裝特別是快速施工等方面具有顯著的優勢，最大程度的發揮了組合結構的技術經濟優勢。文獻[23]提出了一種采用鋼-混凝土組合體系的橋梁加寬技術，并發展了一種更為精確的計算梁橋活荷載分布的分析方法。目前國內也在進行鋼-UHPC混凝土梁橋的研究，UHPC高強混凝土材料具有很強的抗壓能力，適用于很多公路高架橋。所以，鋼-混凝土梁橋的拼寬改造也是一種可以擴大交通量的發展方式，但是文獻較少，還需要進一步研究。

2.3 鋼梁橋

鋼梁具有自重輕、跨越能力大、安裝操作簡單方便、施工工期短以及對交通影響小等優點，近年來在市政立交工程和公路橋梁工程中廣泛應用[24]。隨著交通量的不斷增長，一些鋼梁橋已經不能滿足現有交通流量。目前國內對鋼梁橋的拓寬改造已經有了一定的成果，比如蘇州市獅山橋和福州市二環五四路口高架橋拓寬改造工程等。文獻[25]介紹了獅山橋拓寬工程中鋼箱梁的拓寬設計方案以及施工工藝。無論對于國內還是國外，關于鋼梁橋的拓寬研究相關文獻少之又少，對鋼梁拓寬后的受力性能研究目前還少有文獻報道。鋼梁橋的拓寬是一種可以實際應用的改造方式，但是鋼橋拓寬改造的文獻很少，還有待研究。

與混凝土橋梁的新舊橋采用現澆拼接進行鉸接連接方式不同，鋼梁橋的新橋與舊橋通常采用焊接方式進行剛接，其除使箱梁頂板或翼緣連接外，還可使上部結構主梁相連接；新加寬橋預制后現場焊接，施工方便，新舊橋的連接更緊密，可以避免混凝土現澆的收縮徐變問題，但自身存在焊接殘余應力問題。因此，新舊橋之間的相互影響相比混凝土橋梁來說更大，同時加寬后的舊橋內力也會發生改變。

3 研究要點

對于拼寬后的橋梁，需要考慮新舊梁橋由于成橋時間差異所帶來的一系列作用差異，如基礎的不均勻沉降、橫向分布系數的改變等，這些差異會對拼寬后原橋的受力產生一定影響，本節主要針對這些拓寬研究要點進行論述。

3.1 收縮徐變

收縮徐變主要是對于混凝土結構，這里主要是針對混凝土梁橋和鋼-混凝土梁橋。在拼接時舊橋往往已經服役若干年，其混凝土收縮徐變絕大部分均已完成，而新橋混凝土齡期較短，其收縮徐變仍在發生。由于混凝土的收縮、徐變，新橋的變形會受到舊橋的約束作用，從而引起新舊橋之間的相互作用，進而導致新舊橋特別是拼接段混凝土應力重分布。混凝土收縮徐變差對拼寬橋梁的影響，目前已有研究者進行了研究。溫慶杰、葉見曙[26]采用錯位法對新舊梁橫向拼接后收縮徐變產生的應力重分布進行了分析，在不考慮重力情況下推導了拼接后新舊梁橫截面上的縱向應力及拼接處的縱向剪應力計算公式，認為新梁中的縱向拉應力可能會引起新梁橫向開裂,縱向配筋率對混凝土梁的受力影響較大，而新舊梁拼接處的剪應力則較小。文獻[27]對不同加寬方案的預應力混凝土箱梁橋因收縮徐變引起的結構橫向效應進行了分析，認為是否考慮結構上、下部共同工作對拓寬橋梁結構的橫向受力狀態影響顯著，且拼接后既有主梁內的橫向和軸向效應遠大于豎向效應。黃學漾、夏樟華[28]等對實橋拼寬后的應變和位移進行了監測并且進行了非線性有限元分析，研究了混凝土收縮徐變對斜交空心板梁橋拼寬結構受力性能的影響，并指出斜交空心板拼寬橋梁中，新橋收縮徐變會導致中跨跨中梁底縱橫向應變顯著增加；并且研究得出了收縮徐變對拼寬斜交橋位移的影響，以橫向位移最大，縱向位移次之，豎向位移最小。在國外，Kenneth.W、Shushkewich[29-30]等人提出了兩種橋梁拼寬的原理和方式：支撐梁法和支柱箱法，闡述了將雙向四車道預制箱梁拼寬成雙向六車道或八車道的方法，支撐梁法在橋梁拼寬時無需施工下部結構，支柱箱法能簡便快速的將橋梁拼寬并且滿足交通量需求。Hosseini.M[31]采用數值模擬對一座拼寬橋梁進行受力分析，得出混凝土在700d時間內收縮徐變、沉降和溫度等各種因素下的計算值要小于應變實際檢測數據。

3.2 不均勻沉降

在橋梁拓寬工程中，基礎不均勻沉降是影響所有拓寬橋梁的重要問題之一。拓寬后舊橋基礎基本不發生沉降，而新橋基礎沉降將造成上部結構尤其是新舊橋梁主梁處產生過大的應力應變，影響拓寬橋梁的耐久性和安全性[32]。一些研究者對此進行了研究，文獻[33]通過建立新舊箱梁橫向拼接后的簡化力學計算模型，采用紐瑪克數值法分析了支座差異沉降產生的附加內力，并對影響附加內力的主要因素進行了參數分析，指出將基礎沉降差容許值控制在10 mm內可以保證新、舊箱梁橋的整體工作性能。文獻[34]和[35]對拼寬T梁橋基礎容許沉降差進行分析，認為新舊T梁在接縫處跨內設置橫隔板可以顯著改善荷載橫向分布，降低主梁縱向應力和接縫橫向應力。文獻[36]通過分析不均勻沉降對拓寬橋梁拼接板的受力影響，得出拼接部分的橫橋向截面配筋、拓寬寬度、拼接部分寬度是影響沉降差的主要因素，且基礎不均勻沉降差對支座附近接縫處的截面內力影響最大，由支座向跨中呈現遞減趨勢。文獻[37]提出在舊橋連接中梁（原舊橋邊梁）設置低剛度支座可以提高拓寬T梁橋承受基礎沉降差的能力，改善拓寬T梁橋基礎沉降差對上部結構不利的影響，且低剛度支座還具有實施簡單、時間短和成本低等優點，值得推廣應用。

3.3 焊接殘余應力

焊接殘余應力主要針對于鋼結構，這里主要是針對于鋼梁橋和鋼-混凝土梁橋。焊接殘余應力是一種典型的力學初始缺陷，而且工程材料及結構在其形成、熱處理、機械加工等加工工藝進程中，都會不可避免的生成殘余應力。在焊接工況中，連接金屬熔化為液態，在焊件溫度降下去后，熔化材料再次轉為固體，兩個部件就由焊縫金屬結實的相連了。焊接材料在焊接加工過程中被迅速加熱而產生部分熔化，金屬因為高溫膨脹之后會遭遇結構周邊較冷材料的束縛，并且材料的屈服極限會隨著溫度的增加而下降。在之后的冷卻進程中材料體積擴大，導致焊接部位出現殘余壓力，周圍區域承擔殘余拉力，這類由焊接生成的應力概括為焊接殘余應力。

鋼梁橋的拼接一般采用焊接的方式，新舊鋼橋梁的連接方法也為焊接連接，所以焊接對新舊橋的受力影響較為明顯，尤其是焊接殘余應力。文獻[38]為了研究殘余應力對焊接工字形不銹鋼梁側扭屈曲的影響，采用有限元方法對殘余應力分布模型的主要因素進行參數化分析，完善了對焊接工字形不銹鋼梁的整體穩定性能的研究。文獻[39]為了研究初始負載對焊接加固后鋼梁的受力特性的影響，進行了加固鋼梁的受彎靜力試驗研究，并對試驗結果和規范計算結果進行了對比。不僅如此，焊縫的變形也需要一定的控制。在焊接過程中由于受熱的不均勻引起的近縫區金屬的塑性變形和相變，焊接完成后焊縫收縮作用將引起變形。變形是客觀存在的，變形控制的好壞直接關系到焊接后的矯正難度、結構的幾何尺寸、構件之間的連接精度等。主要從預留收縮量、調整焊接順序、焊接方向、剛性約束等方面控制變形[40]。

鋼-混凝土組合結構結合了鋼和混凝土的優點，有著廣闊的應用前景。目前已經有一些學者對鋼-混凝土梁橋的設計要點進行了研究。文獻[1]、[41]和[42]介紹了鋼-混凝土組合梁在橋梁拓寬工程中的應用，并對梁橋的橫向分布系數以及組合橫梁界面受力性能進行研究，給出了能夠考慮組合梁與原T梁的抗彎和抗扭剛度、組合梁與原T梁的寬度以及新橫梁與原橫梁抗彎剛度的差別的修正剛接梁法，用于計算組合梁加寬后的橋梁荷載橫向分布系數，并認為減少新舊結構間變形不協調、增強橋面系橫向連接和合理計算新舊結構的空間作用是鋼-混凝土組合梁拓寬設計和施工中需要重點解決的問題。鋼-混凝土梁橋由混凝土和鋼材料組成，所以其研究要點包含以上所有，是一種較為復雜的結構，也是由混凝土梁橋拓寬改造向鋼梁橋拓寬改造過渡的一種結構。

3.4 橫向分布

對比拼寬前的橋梁，拼寬后的橋梁由于主梁個數增加，荷載均勻分布在所有的新舊主梁上，荷載橫向分布系數產生變化。無論單側拓寬還是兩側拓寬，舊橋各梁荷載橫向分布系數均隨新梁片數增加而減小，邊梁、中梁均可提高承載能力，對于行車等產生有利的影響[21]。文獻[43]、[44]采用不同連接形式拓寬后，均可明顯降低既有主梁的荷載橫向分布系數，即降低單片梁承受的荷載大小，提高舊橋承載能力。文獻[45]以實際工程中一座簡支箱梁橋為例，結合橋梁拓寬類型和拼接方式對橋梁拓寬進行歸類總結，采用有限元分析軟件Midas建立實橋模型，針對新舊橋梁不同的拼接方式來計算分析拓寬前后荷載橫向分布規律及內力橫向分布規律，為改擴建中小跨徑梁式橋的設計提供有益的參考。

對于目前的文獻，多采用新舊橋整體完全共同作用來計算拼寬后的橫向分布系數。但是，新橋是在舊橋基礎上施工拼接而成，而按照新舊橋整體完全共同作用計算橫向分布系數是不利的和偏不安全的。因此，拼寬后橋梁的車道折減系數計算方法還需進一步研究。

3.5 連接方式

新舊橋梁上部構造的連接可采用有縫連接（不連接）、鉸接、半剛接、剛接等多種方式；下部構造可采用連接或不連接等形式。有縫連接、鉸接屬于弱連接，半剛接、剛接屬于強連接。連接形式及特點見下表。主要構造材料有鋼筋、鋼板、混凝土以及超高強混凝土（UHPC）材料等。

文獻[46]較詳細的介紹了目前已有的橋梁拓寬和拼接方法，并比較分析了各種方法的優缺點，并據此提出各種拓寬方法及拼接方法的適用性。同時根據依托工程的特點提出不同結構形式及不同截面形式適用的拓寬和拼接方式。文獻[47]系統的介紹了已有橋梁拓寬及銜接方法，并比較分析了各自的優缺點，在此基礎上系統闡述了各拓寬及銜接方法的適用性。分析表明，拓寬后舊橋邊梁在活載作用下的撓度及內力均大大降低，不同銜接方式對舊橋主梁通行能力的影響不大。

4 結語

要解決橋梁工程問題需要理論與工程經驗的結合，通過應用更多的知識理論得到更為合理的橋梁結構，是橋梁工程技術研究追求的方向。本文引用了大量的文獻和應用實例，證實了不同類型橋梁的拓寬前景和可能性，并針對拓寬后橋梁受力的主要影響因素進行了詳細介紹，表明了橋梁拓寬的可行性和應用前景，主要得到以下結論。

①混凝土橋梁的拓寬改造已經大量應用于國內，其研究的主要影響因素是不均勻沉降和混凝土收縮徐變等，國內有大量學者針對這些控制因素進行了研究，混凝土橋梁拓寬改造研究已初步成熟。不過對于預應力作用及預應力損失等對新舊橋受力性能的影響研究還不多。

②鋼橋梁的拓寬改造在國內應用最少，其實例僅有本文作者應用于福州市五四路某高架立交橋中的幾座。在國外，鋼梁橋的拼寬改造得到了一定的應用，但是數量也不多，其研究的主要影響因素是不均勻沉降和焊縫變形、焊接殘余應力等。關于公路鋼梁橋的拼寬改造研究還有待進一步的發展應用。

③鋼-混凝土梁橋的拓寬改造介于上述二者之間，其拓寬改造應用實例也較少，拓寬前后的橋梁受力還有待研究，其研究的主要影響因素是不均勻沉降、混凝土收縮徐變和焊縫變形、焊接殘余應力等。

④公路橋梁拓寬是一種適合使用的、有發展前景的改造方式。不過，本文主要針對的是中小跨徑梁式橋，對于特大跨橋梁，特別是拱橋、斜拉橋（僅一座）和懸索橋的拼寬改造還有待進一步的調查研究。另外，對于UHPC混凝土、納米混凝土等新材料在拼寬改造上的應用也還需要進一步的研究。

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