公路橋梁拓寬改建設計分析

文/曾海、劉麗

1 前言

公路橋梁拓寬改建工程涉及內容較多，且對技術應用標準有著非常高的要求。為了達到改擴建后的安全性、穩定性要求，在項目開展之前施工單位務必要做好拓寬改擴建設計控制工作，保證設計方案指標要求達到改擴建需求。因此，對公路改擴建拓寬設計內容進行研究，探尋行之有效的設計方案尤為重要。

2 橋梁拓寬改建設計要求

在設計前，工作人員需要進入工程現場收集一手資料，并對全線的構造物進行科學分類，分析地質結構影響因素，合理計劃設計方案。在檢修橋涵構造物改擴建設計時，按照“經濟、適用、安全、環保”等原則設計，設計時要盡量保留原始構造物，創新設計方法，保證設計方案具備科學性。設計時，對現有老舊橋梁需要進行一一驗算、檢測，做好分類，同時確定科學的加固方案，提高橋梁結構基礎承載力[1]。針對相關加固設計方案，要考慮結構的可靠性與耐久性；在改建、擴建方案確定上，需要通過BIM 技術對技術的方案以及施工過程進行統籌分析，保證技術方案實施能與交通組織方案具備一致性，按照“不中斷交通通行”原則開展設計。在開展橋梁以及橋涵等區域改擴建工程時，需要考慮通行靜空區，按照交通規劃要求，做好相關組織協調工作。一般而言，在頂升、下挖設計上，可適當提升靜空區標準，以減少后續工作開展的難度。

3 基本資料

3.1 工程概況

某二級公路項目的路基頂部寬度尺寸為12m，斷面形式如下：1.5m(土路肩)+9m(車行道)+1.5m(土路肩)。水泥混凝土路面結構形式由于寬度比較小，機動車道的運行受到非機動車的嚴重影響，通行質量比較差，需要及時進行拓寬改造處理，考慮到當地的實際情況，做好多個方面對比和分析，最終選擇使用單側加寬7m 的改造方式，并且使用瀝青混凝土路面結構，保證路面通行質量和效果，但是改造后還是按照二級公路標準進行。

3.2 橋梁現狀

該公路項目總計分布著8 座橋梁，其中包含單跨、多跨兩種形式，上部結構都是預制板梁的形式，梁體結構長度為8m、12m、16m 三種情況。單跨橋梁的橋臺主要是重力式擴大基礎的結構形式，多跨橋則采用的是墻式墩的形式，橋臺為排架的結構形式。

4 技術標準

道路等級：二級公路，設計最高行駛速度80km/h。設計荷載：公路—Ⅱ級；新改建部分的工程設計基準期為100年；該橋梁結構設定為3 級安全標準，重要性參數為0.9。抗震設計：橋梁項目地震加速度為0.05g，抗震設防烈度為6°；環境類別為Ⅰ類(一般環境)。

5 老橋利用的可行性研究

按照整體性的設計方案分析可以發現，該項目最終選擇單側加寬7m 的方式進行改建施工，結合現場的勘察結論和標準，除了有少數的梁板發生嚴重損壞問題，比如底部裂縫嚴重、混凝土結構脫落、鋼筋腐蝕等問題，其他大部分的梁板都處于良好的運行狀態中，沒有任何病害問題。本次改造以經濟、安全、實用、美觀為出發點，首先需要綜合分析原有橋梁結構的利用問題。經過現場的全面分析和研究，總結出原橋梁結構有如下方面的問題：通過竣工資料的分析和研究，采用平面桿系有限元程序驗算和分析上部結構8m、12m、16m 的板梁結構，確定汽車荷載橫向分布系數，根據鉸接板梁法進行計算分析，為了能夠達到路拱要求的當前板梁標準，需要加鋪10.5cm 的鋼筋混凝土結構層作為恒載要求[2]。

經過現場計算分析可以發現，主梁在正常運行下的裂縫寬度、撓度，在承載力作用下會達到運行的標準。下部結構：根據目前所應用的橋臺和橋墩做好驗算和分析，使其都能夠達到設計標準。基礎：全面收集和掌握地質勘察的資料與數據，做好重力式橋臺擴大基礎計算和分析。重力式擴大基礎嚴格執行國家標準和要求，多年使用下并未有任何損壞的路基結構形式，地基承載力容許值乘以抗力系數1.5，路拱結構中進行橋面鋪裝作業，造成改造實施后樁頂反力出現上升的情況。通過改造處理后地基的承載力均得到了提高，滿足改建設計方案標準要求，整體效果良好。

6 老橋拓寬改建方案

從前文分析發現，經過改造處理后老橋梁可以達到應用的標準，僅僅是根據整體設計方案的要求進行拼寬改建即可，下面本文將會從上、下結構以及基礎分別進行分析。

6.1 上部結構及橋面鋪裝

本次工程項目中，上部結構應用的是預制板梁結構形式，保證車輛行駛舒適度，降低養護工作量，最終確定采取“鉸接”的方式開展施工。

按照當前設計標準，該橋梁項目單側拼寬為7m，新加寬的道路中心線和原道路中心線是不重合的，向南移動約3.5m 的距離，且拼寬結束后依然是雙面坡的形式，施工單位應該根據原橋面拼裝作業進行加罩處理。另外，因為原鋪裝層結構有病害問題存在，所以本次改造施工進行全部鑿除處理，然后整體進行鋪裝作業，加罩之后將原鋪裝層厚度8cm 增加到18.5cm。

此外，為了避免出現橋梁恒載過大的情況，保證車輛行駛舒適度，確保防水效果滿足要求，提升耐久性，在新加罩的鋼筋混凝土面層結構鋪裝一層7cm 厚的環氧抗滑層結構，具體改造后的結構可見圖1所示。

圖1 改建后的橋面鋪裝示意圖

6.2 下部結構

在橋梁下部結構設計的過程中，為了切實提升下部結構受力條件，并達到承重力要求，設計時需要考慮拼接施工給老橋梁結構帶來的影響問題，同時還需要做好新舊橋梁搭接性能的測試。

在本工程中主要操作方式為：首先將橋梁南側位置的欄桿全部清除，其次把邊梁拆除以后在進行中梁施工，最后和加寬后的蓋梁設置2cm 的環形縫，詳見圖2、圖3。

圖2 改建后的橋臺橫斷面（重力式橋臺）圖

圖3 改建后的橋墩橫斷面圖

6.3 基礎

從現場的全面分析可以發現，當前的橋梁運營時間在20年左右，沉降處于穩定的狀態。為了防止新舊橋梁出現沉降不均勻而產生開裂問題，需要通過合理處理以減少新結構沉降絕對值，比如：通過樁基礎的方式進行。此外，還要考慮到預制打入樁環節給原橋梁結構帶來的不良影響，本次改造應用的是鉆孔灌注樁的方式，可以防止發生嚴重后期沉降問題，保證結構強度性能合格。同時，在基礎設計環節中，需要考慮原有基礎結構承載力是否達到工程需求，若承載欠佳，則應采用擴大基礎設計的方式提升基礎承載力[3]。

6.4 減少差異沉降的措施

經過分析研究，減少新、老橋梁沉降差非常重要，由于老橋梁沉降有很長時間，基本完成沉降，所以沉降差異控制就是要進行新建設橋梁絕對沉降的控制。本次工程中，通過采取如下措施進行處理：后壓漿方法：鉆孔樁進行后壓漿施工，可以有效預防出現沉降問題。后澆帶：新建設橋梁施工后，橋面鋪裝暫時不和老橋梁連接，預留50cm 左右的后澆帶。預加載：新橋梁建設結束后進行加載處理，此時要連續觀測沉降量參數，如果一個月之內沉降量控制在2mm 以內，后澆帶澆筑施工，可以通過應用微膨脹混凝土方式，避免產生收縮裂縫的問題。

7 結語

綜上所述，本次工程中應用的老橋梁改造項目成本較低，發揮出了老橋梁的重要作用，提高了設計水平，做好現場的勘察和設計工作，保證了新舊橋梁連接性能合格，新建設的橋梁各個結構的性能達標，運行效果非常好，為今后類似工程建設提供了良好的范例。