高速公路拼寬橋梁的設計及實踐

鐘萬林 ZHONG Wan-lin

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司上海綜合院杭州分院，杭州 310051）

0 引言

近年來我國經濟快速發展，交通行業取得巨大跨越。很多公路橋梁運營中需要不斷進行養護維修，需維修橋梁中高等級公路橋梁約占35%。由于國民對交通出行需求快速增長，現有公路難以滿足發展要求。橋梁涵洞等公路構造物設計施工是重要的環節，如何保證橋梁拼接后安全是改擴建工程的難點。目前現行公路改擴建方式分為一側與雙側拼寬，橋梁拼寬是關鍵分項工程，對現有橋梁拼寬需對舊橋進行加固。采用恰當的加固措施可以增加原有橋梁使用壽命，滿足交通運輸量的需求[1]。橋梁貧困易出現各種問題，如舊橋易出現不均勻沉降等。研究橋梁拼寬設計具有重要意義。

1 高速公路拼寬橋梁設計研究

1.1 國外相關研究

70 年代烏克蘭學者通過理論結合實驗方法進行橋梁結構擴寬研究，目前國內外學者對擴寬橋梁新舊橋梁接縫受力情況進行大量研究。1978 年白俄羅斯開始研究公路橋梁拓寬問題，對小跨徑橋梁拼接中大部分新老構件連接[2]。40 年代后美國對高速公路開始大規模改擴建。橋梁拓寬通常拆除老橋上下部，利用新建一幅通車，僅增加寬度橋梁對原橋進行同結構加寬[3]。日本是地震災害多發國家，需對原橋直接拼接加寬處理時上下部結構為連接，預應力砼連續箱梁施加橫向預應力結構不連接。

1.2 國內研究現狀

90 年代初我國經濟迅速發展，高速公路成為人們主要的交通選擇[4]。橋梁擴寬工程設計中關鍵是處理新舊梁體的連接，橋梁體截面形式不同，合適的擴寬形式影響橋梁整體質量。隨著橋梁擴寬研究深入，設計施工日益成熟。但對關鍵部位接縫受力問題不充分，國內部分學者對橋梁不均勻沉降影響，不中斷交通施工等進行理論實驗研究。

2014 年中國成為全世界高速公路里程第一的國家。高速公路建設為我國社會經濟發展起到促進作用，既有道路無法滿足交通量增長需求[5]。對未達到設計年限的既有橋梁采用拆除重建方案不符合可持續發展原則。自70 年代后舊橋加固技術成為改造重要課題，我國形成成熟的舊橋測評體系，舊橋可以在測評基礎上加固利用。高速公路常見橋梁多為預應力砼橋，需保證新舊橋梁有效連接。《公路工程技術標準》提出新建橋涵應滿足現行設計標準要求，拼寬橋涵進行測評滿足設計荷載標準要求[6]。《高速公路改擴建設計細則》圍繞技術標準采用，改擴建方案選擇等方面總結實踐經驗，針對橋梁拼接縫尺寸形式等作出規定。

2 高速公路改擴建橋梁構造形式

隨著我國經濟的跨越式發展，沿海地區完成大批高等級公路擴建拼寬工程[7]。由于大規模橋梁拼寬項目近幾年興起，橋梁拼寬連接技術有待研究。部分高速公路建設由不同低等級公路連接改造為專用公路，部分發達地區高速公路沿線城市化進程加快，原道路由于受技術標準等因素遺留較多問題[8]。由于舊橋運營時間長，橋梁擴寬形式多樣，橋梁擴寬部分結構類型選擇復雜。

2.1 公路橋梁擴寬形式

橋面擴寬是由于公路等級提高提出，公路橋梁改造要求主干線公路橋梁載重能力達到II 級標準。干線公路橋梁達到公路II 級荷載標準，跨徑小的橋梁要求與路基同寬，橋面行車道拼寬應考慮加寬橋梁對加寬路基路面工程技術合理性問題。由于中小型橋梁拼寬工程量小，可根據路線技術標準確定。大中型橋梁主要考慮橋梁技術經濟合理性，結構拼寬難度大的橋梁應采用單邊加寬，橋梁結構整體性較高。此外需考慮地形限制等多種因素，橋梁拼寬方式結合實際綜合比較分析作出合理的技術方案。

目前我國公路橋梁擴寬工程采用形式包括上下部結構連接等形式。施工中不需考慮新舊梁體連接問題，新舊部分受力相互獨立，缺點是新舊部分形成受力體系，主梁發生過大撓度變形。擴寬方式造成橋梁壽命縮減，后期養護費用高等問題。我國現行廣佛高速公路擴寬工程采用上下部結構不連接方式，橋梁鋪裝層出現破壞。上下部結構連接擴寬形式將新舊橋梁連接為整體共同受力，下部結構中橋臺通過植筋等技術連接。優點是可以將新舊橋部分連接形成橋梁整體，缺點是新建橋梁基礎發生不均勻沉降使連接處產生較大拉應力，不利于橋梁正常使用。上下部結構連接擴寬方式適用于橋梁基礎較好地區，如軟土地區橋梁基礎易發生沉降不利于擴寬形式優勢發揮。

2.2 橋梁上部結構橫向擴寬拼接方式

當前國內外橋梁擴寬工程對上部結構橫向連接方式有很多，主要形式包括橋面板剛性連接等。不設連接帶常用構造形式包括新舊橋上部結構連接處預留縫隙，采用布設連接帶方式可以解決啃邊問題，橋梁擴寬工程使用不設連接帶方法易出現車打滑現象。歐洲等地常用縱向伸縮縫連接對橋梁進行擴寬改造，我國廣佛橋梁擴寬使用縱向伸縮縫，由于鋪裝面為柔性橋面未取得良好效果。

2.3 國內公路橋梁擴寬常用工藝

橋梁擴寬工程中選擇加寬類型需要考慮地基等實際情況，需要分析撓度變化出現開裂等系列問題。通常采用與原橋結構一致的上部結構形式，近年來多條公路在擴建，實際工程中總結常用的拓寬方法。某T 梁常用連接方法是在新舊梁間現澆砼，T 擴寬工藝為拆除老橋外側護欄，完成拼寬橋梁T 梁的橫隔梁連接。用鋼板連接T 梁橫隔梁，完成新老T 梁間的直接連接。混凝土實心板連接在新舊橋空心板間設置縱向濕接頭，新舊部分空心板橋面鋪裝砼一次性澆筑。空心板橋梁擴寬工藝為在老橋外側邊種植連接件，連接鋼筋與新板預應力鋼筋進行焊接。

3 新建梁體截面形式對橋梁整體性能的影響

3.1 荷載橫向分布計算

橋梁計算是將復雜空間問題轉化為平面問題。橋梁橫向連接剛度大主梁分擔荷載均勻。由于橋梁施工特點不同，鋼筋砼梁橋采用不同的形式橫向聯系。常用的橋梁荷載橫向計算法包括偏心壓力法，修正偏心壓力法等。杠桿原理法是將橫向結構視為主梁斷開；偏心壓力法是將橫梁視為剛度無窮大剛體結構。不同荷載橫向計算法有不同假設，選擇適當的計算方法對橋梁精確計算非常重要。

現澆砼縱向企口縫連接裝配式橋適合采用絞接板法進行荷載橫向分布計算，不同橋梁類型有各自適用方法，大小為單位正弦分布荷載p 作用力施加在第i 號板上，鉸縫所受豎向剪力為gi，橋梁n 條板梁組成n-1 條鉸縫。在斷開鉸縫存在等值的正弦鉸接力，相鄰板塊鉸接縫處豎向相對位移為零。單位荷載按橫向不利位置布置在荷載橫向影響線上，求得主梁在橫向分布最大荷載比m，橋梁車輛荷載橫向分布計算步驟是在得到荷載影響力曲線上移動車輛荷載尋找不利位置，選出荷載布置不利位置。為提高橋梁整體性會在預應力砼T 梁橋跨中設置中間橫隔梁。偏心壓力法計算作橫隔梁板為無線剛度架設。

3.2 新建梁體剛度取值范圍

以高速公路典型橋梁為例研究截面形式對擴寬梁橋性能的影響。選取某空心板橋進行分析，在既有橋梁基礎上擴寬3.25m 形成新橋，擴寬部分的主梁為13-15#。T 梁橋為跨徑25m 簡支T 梁橋，1-5#梁為既有橋梁主梁，新舊部分主梁通過橫隔梁連接。梁體采用C50 混凝土，新建梁體抗彎慣性矩采用0.8I，1.4I，1.8I，計算得每片梁荷載分布情況。將單位荷載施加在12#梁軸線跨中位置，對按不同剛度擴寬主梁模型分析。橋梁擴寬后計算主梁橫向分布系數。

T 量橫向分布系數計算舊梁抗彎慣性矩為I，新建梁體抗彎慣性矩采用0.5I，1.0I，1.5I，計算得每片梁荷載分布情況。橋梁擴寬后計算主梁橫向分布系數，擴寬后橋梁原有部分主梁承擔荷載降低。表明擴寬后新橋承擔部分荷載，剛度比影響與橋梁截面形式有關。新舊梁體剪應力沿鉸縫長度連續變化，根據調查行駛車列情況，參照高速公路典型空心板橋建立1:1 模型，新舊梁鉸縫處剪應力隨剛度比變化，剛度比小于1 剪應力增大。剛度相同新舊梁變形一致。過大剛度比提高接縫剪應力作用。

4 高速公路橋梁拼寬設計工程實踐

某高速公路項目橋梁為主跨130 米連續鋼構，橋梁采用單側加寬方案，老橋為雙幅單向行駛。采用雙幅單向行駛橋易在中分帶過渡段發生重大交通事故。大跨徑橋梁拼接存在橫向預應力，橋體連接后協同受力，墩頂等部位翼緣板受力模式不同，局部受力狀態復雜。依托項目委托設計院對大跨徑橋梁拼接課題進行研究，采用混凝土肋板等多種連接方式。項目設計采用荷載標準較低，經多年運行存在病害，需考慮舊橋承載能力滿足現行規范要求，橋梁拆除重建方案論證。

4.1 橋梁拼接設計要點

①橋梁的拼接加寬應利用原有結構。橋涵拼接應在專項檢測評價和現行規范荷載評估驗算的基礎上進行設計，即根據兩者的綜合評估結論確定加固與否，綜合考慮交通組織等因素確定拼寬方式。

②橋梁拼接加寬采用上部構造連接，梁高應在滿足規范要求下降低。

③橋梁設計應根據總體設計方案，結合原橋涵運營狀況和評估驗算結論，按利用原橋涵拼接。

④按照拼寬后的整體結構進行計算，結合檢測評估報告，計算評估老橋上部結構、下部結構及基礎的承載力，制定相應的加固措施，如果通過加固手段無法實現（或加固費用過高），應考慮拆除重建。

⑤拼接加寬的橋梁應注意橋路配合，左、右幅橋加寬須按各自對應曲率布置。原有橋梁的混凝土整體化層加鋪厚度應根據路面加鋪設計及梁板整體計算確定。

⑥拼寬部分下部結構類型與原橋宜保持一致，同時應滿足新規范要求；拼接加寬橋梁下部構造的基礎形式選擇采用樁基礎。

⑦拼接橋涵均須重點考慮新舊結構之間的整體沉降差對結構受力的影響。

4.2 空心板梁之間的拼接案例

空心板拼接方式通常采用的拼接方式主要有三種類型：鉸接方式、橋面弱連接方式以及剛接方式。

以某高速公路設計方案為例，空心板梁拼接采用橋面弱接方式。采用切除老橋邊板的翼緣混凝土，與老橋邊板相連的新拼接橋的內側邊板翼緣后澆。預留翼緣鋼筋，與老橋邊板在切除部分植入的鋼筋焊接，新舊邊板翼緣采用現澆，從而完成老橋的拼寬工作。橋面弱連接方式祥見圖1。

圖1 橋面弱連接

4.3 預制T 梁之間的拼接案例

預制T 梁拼接方式通常采用的拼接方式主要有兩種類型：鉸接方式和剛接方式。其中，剛接方式又有多種形式，常見的有：新舊T 梁間采用整體現澆橫隔板方式；舊T梁植筋澆筑橫隔板，與拼接新T 梁橫隔板濕接；新T 梁橫隔板預制長度加長，與舊T 梁梁肋采用栓接。

以某高速公路設計方案為例，預制T 梁拼接新舊T 梁間采用整體現澆橫隔板剛接方式。在舊T 梁植筋澆筑橫隔板，與拼接新T 梁橫隔板濕接的基礎上，新建橋內邊梁橫隔梁高度范圍內增設預埋鋼筋。施工時先擰緊螺母，再立模澆筑橫隔板砼。該種拼接方式祥見圖2。

圖2 新舊T 梁間采用整體現澆橫隔板

表1 新舊梁鉸縫剪應力

4.4 預制小箱梁之間的拼接案例

預制小箱梁拼接方式通常采用的拼接方式基本上與預制T 梁之間的拼接方式一致，主要以剛性連接和鉸接這種方式。

4.5 現澆箱梁之間的拼接案例

現澆連續箱梁橋一般可采取相同跨徑進行加寬某高速公路初步設計階段提出了以下三種方案。

方案一：采用砼連接方式，采用后澆的砼鉸縫橫向連接方式處理，處理方案如下：將原箱梁外側懸臂切割部分懸臂，新建箱梁現澆時留出25cm 懸臂不澆注，待新建箱梁大部分收縮后再澆筑50cm 的鉸接構造的混凝土。箱梁連接示意圖參見圖3。

圖3 現澆箱梁連接示意圖（一）

方案二（推薦）：先鑿除舊橋翼緣板設計范圍內的混凝土并保留鋼筋，鑿毛混凝土表面，再在指定位置上按要求植筋和涂刷界面膠，綁扎鋼筋，澆筑特快硬型微膨脹鋼纖維混凝土。箱梁連接示意圖參見圖4。

圖4 現澆箱梁連接示意圖（二）

方案三：按設計要求鑿除舊橋翼緣板砼，并植入伸縮縫錨筋，在新箱梁翼緣板上埋置錨筋，安裝伸縮縫，再澆注槽口砼。箱梁連接示意圖參見圖5。

圖5 現澆箱梁連接示意圖（三）

5 橋梁拼寬設計多元化發展

隨著我國改擴建基礎建設比重的快速增加，設計積累的更加豐富，施工技術的穩步提升，橋梁拼寬結構類型越來越多元化。橋梁拼寬不在限制于相同結構類型之間的拼寬。

某高速公路采用預制矮T 梁拼寬預制空心板的設計方案。（圖6）

圖6 預制矮T 梁拼寬預制空心板

某高速公路采用疊合T 梁拼寬現澆箱梁的設計方案。（圖7）

圖7 疊合T 梁拼寬現澆箱梁

于此同時，對于拼寬大跨徑混凝土橋梁的需求也越來越高。大跨徑混凝土橋梁的拼寬相比于常規中小跨徑橋梁的拼寬有著更多的技術難題。例如，橋梁頂板設置橫向預應力，翼緣鑿除困難；新老結構混凝土收縮徐變差異，結構內力復雜；新老結構連接后協同受力，在不同車道荷載組合下，支點、墩頂、跨內各部位翼緣板受力模式不同，且受到強迫位移影響，局部受力狀態難以分析。目前提出大跨徑橋梁拼寬方式主要分為四類：采用超高性能混凝土拼接翼板、采用肋板式混凝土斜撐拼接翼板及腹板以及鋼結構拼接。

圖8 鋼結構拼接示意

6 結語

本文主要研究高速公路橋梁拼寬設計，梳理國內外公路橋梁改擴建拼寬工程；總結橋梁拼寬設計構造形式，分析橋梁拼寬設計對整體性能的影響，結合橋梁工程項目實例分析公路橋梁拼寬設計方式；分析未來橋梁拼寬技術的發展趨勢。