高速公路改擴建工程橋梁拼寬及其加固技術

楊 會

（湖南路橋建設集團有限責任公司長江分公司,湖南 長沙 410004）

在與日俱增的道路交通壓力背景下，我國很多地區的高速公路需要進行改造和擴建，以滿足現階段社會發展對道路交通的需求。在高速公路的橋梁拼寬加固工程中，施工對象基本存在設計理念落后、施工要求標準低和材料老化等現象，這對改擴建工程的拼寬加固技術提出了更嚴格的要求。本文以廣西柳州（鹿寨）至南寧高速公路改擴建工程№4標項目工程為例，對高速公路橋梁改擴建拼寬與加固施工技術進行探究，以期為相關人員或單位提供參考。

1 項目概況

廣西柳州（鹿寨）至南寧高速公路改擴建工程項目線采用雙向八車道高速公路標準，全長248 km。全線基本利用現有公路改擴建，局部路段采用新建方案。標段內有大橋1座、中橋2 座、小橋4座、改造天橋7座、通道涵洞69道、改建新興互通1處。其中洛維大橋全橋采用單幅整體式，主橋采用80+125+125+75 m預應力混凝土剛構-連續組合梁橋，下構主墩為鋼筋混凝土空心薄壁墩；柳州岸引橋為4×40+4×30 m先簡支后連續預應力砼T梁，南寧岸引橋為5×30+4×30 m先簡支后連續預應力砼T梁，下構橋墩為柱式墩，基礎均采用鉆孔灌注樁，橋臺采用U型橋臺接樁基礎。天橋上構為30 m、40 m預應力砼小箱梁，柱式墩，基礎為樁基礎。通道及立交橋為預應力砼空心板梁，墩臺采用樁基礎，樁柱式橋臺。主要技術標準如表1所示。

表1 主要技術標準

2 拼寬橋梁的橫向拼接

2.1 橫向連接方式

高速公路橋梁的橫向拼寬主要分為以下三種方式：第一種，上下部結構不連接方式。若拼寬橋梁的上下部結構設計都不與原橋梁的基礎架構相連，則表明新建拼寬橋梁與舊橋間不存在結構上的相互影響，進而可以預防因地基沉降不均勻而導致的上部結構變化，同時還可以降低拼接部位的施工難度[1]。第二種，上下部結構連接方式。若橋梁的上下部分相互連接，那么基礎沉降將會對橋梁的結構內力產生較大影響，同時會提高橋梁拼寬設計對參數控制的要求。此外，使用該連接方法需要利用植筋技術設計拼寬結構下方的構件結構，工藝設計相對比較復雜且具有較高的難度[2]。第三種，上連下不連方式。該設計方法需要建立在原橋上部結構在不均勻沉降的影響下仍能夠保持整體結構完整性的基礎上，并因橋梁的下部基礎結構未實現連接，所以該方式在施工工藝上與上述方法相比相對簡單，且能夠運用拼接部分的形變協調較小沉降帶來結構影響的問題[3]。

2.2 上部結構拓寬

從高速公路橋梁拼寬的空心板梁橋角度分析，此類橋梁可分為預應力鋼筋混凝土空心板橋梁和鋼筋混凝土空心板梁橋兩大類，其跨徑設計以10 m、16 m和20 m三種形式最為常見，橋梁橫截面與原橋結構類似。在進行改建拼寬時，需要先對橋梁兩側邊梁的翼板進行切除[4]，然后通過植筋技術實現新舊部分結構的連接，參照鉸接形式對銜接進行結構計算，例如端部有橫隔梁設計，那么結構的計算形式應該以剛接為主[5]。從T型梁橋角度來看，T梁橋因為其設計結構特殊，在改建期間容易受到周圍環境的影響，需要在對T梁橋進行拼寬施工時考慮把邊梁翼板進行切除，然后將其與新橋的T梁肋板進行拼接，設計簡圖如圖1所示。

圖1 T型梁拼寬設計

對比拼寬施工前后的橋梁受力情況可以看出，原橋邊梁的實際受力情況發生較大改變。當對T梁橋進行拼寬施工時，除在拼接部位的兩端設計橫隔梁之外，還可以在橋梁中間特定位置如受力凹陷點增加橫隔梁，即為加強拼寬橋與原橋間橫向的聯系，通常會在拼寬部分的1/4跨徑與跨中位置處設計一個橫隔梁，以保障整個橋體的結構穩定[6]。從不同梁截面相互連接的角度來看，橋廊拼寬施工時若使用剛度較大的拼寬橋截面則能夠極大增加新橋整體的結構剛度，并可以在一定程度上降低原橋下部結構所承擔的荷載，設計簡圖如圖2所示。

圖2 拼接部位設計簡圖

從上圖中能夠看出，在T梁+空心板梁的截面組合體中，空心板梁截面橫向剛度相對較大，在利用鋼板與之橫隔梁錨固連接之后，其新橋的整體結構將會得到一定程度的提升，并且橋梁的承載能力也會隨之提高。

3 不均勻沉降對拼寬橋梁結構的緊固力學影響

3.1 基礎沉降對上部橋梁結構的影響因素

3.1.1 沉降模式

原橋梁在經過長期使用之后其基礎沉降基本已經達到穩定，但對拼寬部分的橋梁而言，因基礎沉降值相對較大，所以新舊橋梁體間會存在較大程度的沉降差，對上部結構產生嚴重的破壞。為探究拼寬橋梁加固效果，本文將假設原橋的基礎沉降為0，充分考慮原橋整體結構的約束影響，即在新橋基礎上越貼近原橋部分產生的基礎沉降就會越小，反之則會越大，可將基礎的沉降視為線性沉降，則橋梁不同位置的基礎沉降可看作不同的線性分布。

3.1.2 影響因素

拼寬橋的基礎在上述線性模式下，其拼接部位的上緣結構將會承擔較高的剪切力，為預防基礎沉降帶來的上緣結構裂縫問題，需要整個加固設計滿足σ≤[σ]，即：

依據力學的基本原理：

所以可將上式（1）變為：

所以可推算出：

上式中：σ為當不均勻沉降為“Δ”時其拼接結構的上緣部分橫向拉應力的大小；[σ]為拼寬部位混凝土結構的抗拉強度標準值；ε為當不均勻沉降為“Δ”時其拼接結構的上緣區域拉應變大小；E為拼寬區域混凝土橫橋的彈性模量大小；Δ為橋梁基礎結構不均勻沉降變化大小；θ為基礎結構不均勻沉降下Δ拼接部位的轉角值；χ代表拼寬區域截面中性軸至原橋上緣的距離；B代表拼寬部位處寬度的大小；b代表橋梁拼接結構的寬度；h代表橋梁拼接處的高度；h0代表拼接結構橫截面的有效高度；αEx代表拼寬混凝土結構截面的換算系數；ρ代表拼接結構下的截面配筋率。

3.2 計算數值模型

3.2.1 橋梁類型

選擇跨徑為20 m的簡支空心板結構橋與簡支T梁橋作為力學結構分析的模型，對高速公路拼寬改造后的加固技術進行探究。通過FEA軟件實現對橋梁結構的細部分析，結構分析單元選擇8個節點單元[7]。混凝土結構的鋼筋可通過將剛度添加到母單元中的方式來實現。模型所用材料均為線彈性材料，但不對材料的非線性問題進行考慮。

3.2.2 計算荷載

恒載計算：拼寬橋梁的主要受力構件自重為恒載受力，其頂部的防撞欄、橋面鋪裝等材料自重為二期恒載。位移計算：為預防拼寬銜接結構出現開裂，需要始終保持梁體變形處于可控的彈性范圍之內，在本次實驗中設定的沉降值需要小于拼寬橋的允許沉降值，因此設拼寬橋的沉降值為5 mm。溫度計算：參照相關施工設計規范規定，需以溫度梯度的方式來控制局部溫差，因上述提到結構體系為簡支梁，所以結構本身的溫度變化并不會產生內力，不需對體系溫差變化的影響進行考慮[8]。

3.2.3 幾何尺寸

簡支空心板的基本模型設計參數如表2所示。原高速公路橋梁使用跨徑為20 m的簡支空心板橋，橋面寬度為9 m，整體由8片空心板梁所組成，使用上部連接下部不連接的拼寬方式進行施工。在拼寬設計中，改建拼寬橋使用與原橋相同規格的空心板，通過切除邊梁翼板后向結構件中植入鋼筋的方式首先拼寬施工，并在結構件端部加設50 cm寬的橫隔梁。拼寬后的橋梁模型網格如圖3所示。

表2 簡支空心板橋拼寬改建橋梁模型的基本參數

圖3 空心板橋拼寬改建模型網格

3.3 拓寬橋梁拼接部分在沉降荷載下的受力

3.3.1 截面配筋

空心板與T型橋的應力值變化如圖4所示。

圖4 橋梁拼寬拼接部分在不同配筋加固設計下的應力值變化曲線

從上圖中能看出，截面配筋率的變化對兩種橋型的拼寬結構上緣拉應力都會產生一定影響，且影響具有高度一致性。即當截面配筋率增加時，其拼接結構的上緣拉應力會出現下降。但對于空心板橋而言，配筋率的大小還與結構件截面所處的位置有關，即實際模型中支座位置處的應力值取值可達拼寬結構跨中位置的4倍，但應力值會隨著截面由支座向跨中移動而逐漸減小。造成該現象的主要原因在于，橫隔梁的設計可以增加拼寬橋的橫向剛度，因此產生更大的上緣拉應力，所以在空心板橋的拼寬模型實驗中，支座與跨中兩個位置的應力值出現差距過大的情況。

3.3.2 拓寬寬度

從不同拼寬寬度的角度來看，其橋梁拼接結構處的上緣拉應力取值變化如圖5所示。

圖5 兩種橋梁拼寬拼接部分在不同拼寬寬度設計下的應力值

由上圖數據可知，在兩種不同設計方式的橋梁拼寬實驗中，拼寬寬度對拼接結構的應力變化存在一定的影響，即當拼寬寬度增大時，其拼接結構處的上緣拉應力會隨之減小，并且在同等沉降作用下，隨著拼寬寬度的不斷增加，其相應的轉角位移量也在不斷減小。

3.3.3 拼接部分寬度

拼接寬度因素對改建橋梁結構造成拉應力的變化如圖6所示。

圖6 兩種橋梁拼接結構在不同拼接部分寬度下的應力值

由上圖變化曲線可知，當拼接寬度不斷增加后其拼接部位結構的上緣拉應力會不斷下降，但是從拼接寬度變化發展趨勢來看，拼接寬度對T梁橋與空心板橋的上緣拉應力影響存在一定差距，并且這種差距會隨著截面位置的不同而發生變化，即拼寬結構的拼接寬度會對兩種截面橋梁的上緣拉應力產生影響，并會受到支座向跨中位置的變化而逐漸縮小。這種現象在空心板橋的拼寬中，其支座部位的應力變化是跨中部位的4.6倍；而T梁橋中支座應力變化僅為跨中的1.7倍。由此可證明拼接寬度對不同設計類型的拼寬橋梁加固效果是不同的。除此之外，因梁結構自身會產生一定的撓度，此現象會間接減弱拼接部分寬度對拼寬后橋梁結構橫橋向拉應力的大小，所以拼接部分的寬度變化才會對T梁橋與空心板橋不同位置拉應力值的變化產生影響。

4 結語

綜上所述，本文通過借鑒廣西柳州（鹿寨）至南寧高速公路改擴建工程№4標項目工程的方式加深對高速公路橋梁改建拼寬與加固技術的認知，通過建模分析的方式重點對高速公路橋梁拼寬過程中截面配筋加固、拼寬寬度以及拼接寬度設計等3個主要因素對整體結構受力造成的影響進行探究，得出以下結論：首先，當拼寬部分結構件的寬度與截面配筋率同時增加時，其拼接處產生的上緣拉應力會相對下降。其次，當選定目標橋梁的基礎沉降值設為5mm時，其拼寬結構的上緣產生橫橋向拉應力值保持在改建設計范圍之內，證明拼寬加固技術可以在不均勻沉降未超過5 mm時保持橋梁結構的穩定性。