大跨徑連續(xù)梁橋拼寬方案比選研究

王震

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

目前我國大部分高速公路擴建都采用既有運營線路進行擴建拼寬改造方式，而利用既有線路進行擴建，涉及沿線大量的舊橋需要改造，尤其是大跨徑橋梁，擴建難度大，受關(guān)注度高，經(jīng)濟指標影響大，拼接后結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等，均制約了橋梁的拼寬方案的選擇，因此大跨徑橋梁的擴建成為了改擴建項目的控制性工程。如何對既有的大跨徑橋梁進行拼寬改造，成為了改擴建項目需要重點解決的難題。本文依托于長春至深圳國家高速公路河源熱水至惠州平南段改擴建項目東江大橋，對大跨徑連續(xù)梁橋的拓寬方案進行分析研究，經(jīng)比選后確定一種合理的拼寬方案。

1 工程概況

長春至深圳國家高速公路河源熱水至惠州平南段是國家高速公路網(wǎng)第三條南北縱線-長春至深圳高速公路廣東境內(nèi)段的重要組成部分，同時是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“五縱”的一段，是粵東北地區(qū)南北向運輸?shù)闹匾ǖ溃彩腔洊|北地區(qū)（河源、梅州）連接港、澳與珠三角的交通大動脈，是聯(lián)系深莞惠都市圈核心區(qū)與河源等地的重要高速通道，同時也是聯(lián)系珠三角與江西省等東部地區(qū)的重要的省際大通道。

該工程現(xiàn)狀為雙向四車道，既有路基寬度有兩種，分別為26m 和24.5m，擬擴建為雙向八車道高速公路，路基寬度42m。擴建方式采用雙側(cè)直拼為主，單側(cè)拼寬為輔，改擴建過程中交通不中斷。橋梁拼寬采用目前國內(nèi)通用的“同結(jié)構(gòu)、同跨徑、上連下不連”的橫向拼接拓寬方式。東江大橋現(xiàn)狀為（45+2×80+45）m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁+13×30m 預(yù)應(yīng)力砼T 梁橋，2002 年12 月建成通車。主跨橋梁上部結(jié)構(gòu)采用左右幅分離的單箱單室預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，支點梁高4.5m，跨中梁高2m，橋梁頂寬12.1m，底寬6m。橋墩采用分離式矩形空心墩，整體式承臺，鉆孔樁基礎(chǔ)；引橋上部結(jié)構(gòu)由11 片預(yù)應(yīng)力砼T 梁構(gòu)成，橋面寬24.5m，橋墩采用整幅雙柱式橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)，左右幅采用中央分隔帶護欄分離。橋梁既有縱坡為0%，橫坡為雙向2%。根據(jù)檢測評定，該橋現(xiàn)狀綜合評定為“二類”。橋梁現(xiàn)狀通航等級為內(nèi)河Ⅳ級，規(guī)劃通航等級為內(nèi)河Ⅲ級。

該橋歷史上經(jīng)歷了加固維修，2008 年觀測到：與設(shè)計成橋的梁頂標高相比，在無汽車荷載作用下，結(jié)構(gòu)相對靜止狀態(tài)，左幅橋梁體80m 跨跨中下?lián)狭繛?1mm，右幅橋梁體80m 跨跨中下?lián)狭繛?7mm，2009 年對東江大橋進行了體外預(yù)應(yīng)力加固、粘貼鋼板和裂縫處理等，截至目前，該橋運營狀態(tài)良好。

2 橋梁拼寬方式的受控因素

東江大橋擴建主要受制于東江現(xiàn)狀為Ⅳ級航道，規(guī)劃提升為Ⅲ級航道。橋梁跨徑布置需滿足Ⅲ級航道通航要求，并結(jié)合通航論證結(jié)論進行橋梁方案比選。本橋起點左側(cè)為高邊坡，右側(cè)有一處出讓用地，為紀委用地范圍，已經(jīng)開始施工，現(xiàn)狀該用地開挖邊坡坡頂已超出其用地紅線范圍，緊靠高速公路路肩。本段終點左側(cè)有一處贛深高鐵拌合站，距離本項目舊橋邊線約17.4m。綜合本橋橋址各受控因素，設(shè)計提出了兩個方案，分別采用兩側(cè)拼寬方案和單側(cè)拼寬方案，受紀委用地影響，單側(cè)拼寬方案推薦采用左側(cè)拼寬，具體如下：a. 兩側(cè)拼寬方案。新舊橋進行拼接。b.左側(cè)拼寬方案。新舊橋分離，舊橋由對向行車改為同向行車。

3 橋梁兩側(cè)擴建方案分析

3.1 橋梁兩側(cè)拼寬方案分析

橋梁采用雙側(cè)拼寬，需要將新舊橋進行拼接，由于舊橋運營多年，收縮徐變過程已基本完成，新舊橋梁拼接后，舊橋會對接縫部位的混凝土和新橋的收縮徐變產(chǎn)生一定的約束，導(dǎo)致新舊橋拼接部位產(chǎn)生較大的剪力，從而使其產(chǎn)生縱向裂縫。

并且舊橋基礎(chǔ)變形已經(jīng)穩(wěn)定，一般不會再產(chǎn)生新的沉降變形，而新建橋尚未完成其沉降過程，因此基礎(chǔ)的差異沉降也會導(dǎo)致橋梁拼接部位產(chǎn)生附加內(nèi)力。

橋梁采用兩側(cè)拼寬后，新橋位于外側(cè)，舊橋位于內(nèi)側(cè)，而外側(cè)車道多為大型貨車、客車，內(nèi)側(cè)車道多為小車，常態(tài)運營下，新舊橋梁的車輛荷載導(dǎo)致的撓度亦有所不同，尤其是大跨徑連續(xù)梁橋，變形較大，因此新舊橋梁的變形差異亦更大。

為了最大化提升新舊橋梁拼接后的整體受力能力，拼寬側(cè)新建橋梁上部結(jié)構(gòu)形式需與舊橋上部結(jié)構(gòu)形式一致，采用（45+2×80+45）m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁。

3.2 橋梁兩側(cè)拼寬計算分析

橋梁兩側(cè)拼寬采用剛性拼接方案，先鑿除既有橋梁翼緣1.5m，保留鑿除部分橫向鋼筋。兩側(cè)新建9.25m 拼寬橋梁，翼緣預(yù)留鋼筋，與既有橋梁翼緣鋼筋連接，布設(shè)縱向鋼筋，最后澆筑C50 鋼纖維收縮混凝土。

結(jié)合兩側(cè)拼接方案，對兩側(cè)加寬的橋梁采用空間有限元方法進行了建模計算分析，構(gòu)件縱向計算采用Midas Civil 2019 進行，靜力計算有限元模型圖如圖1 所示。

圖1 東江大橋雙側(cè)拼寬計算消隱模型

橋梁建模按照橋梁的全壽命周期運營進行精確模擬建模，根據(jù)計算結(jié)果顯示：新橋舊橋在拼接后在存在變形差，其中舊橋跨中最大下?lián)蠟?.7cm，（與東江大橋橋梁觀測報告截至2021 年的最大下?lián)狭?.2cm 基本吻合），拼寬側(cè)新建連續(xù)梁跨中最大下?lián)蠟?.4cm。具體如圖2 所示。

圖2 東江大橋雙側(cè)拼寬后新舊橋梁變形圖

新舊橋拼寬后，受基礎(chǔ)沉降、收縮徐變等影響，持久狀況承載能力極限狀態(tài)下，拼寬側(cè)新建連續(xù)梁墩頂處彎矩承載力比舊橋墩頂承載力小，新建橋梁承載力未超限，而舊橋拼寬后，承載力彎矩超限，無法滿足規(guī)范要求。具體如圖3、圖4 所示。

圖3 東江大橋雙側(cè)拼寬后新建橋承載力包絡(luò)圖

圖4 東江大橋雙側(cè)拼寬后舊橋承載力包絡(luò)圖

新舊橋拼寬后，正常使用極限狀態(tài)下，拼寬側(cè)新建連續(xù)梁橋梁頂緣和底緣均出現(xiàn)了拉應(yīng)力（見表1），其中頂緣最大拉應(yīng)力值達到了1.44MPa，底緣最大拉應(yīng)力值達到了3.0MPa，而舊橋整體受力良好。

表1 拼寬側(cè)新建連續(xù)梁橋梁頂緣和底緣應(yīng)力

結(jié)合兩側(cè)拼寬的計算分析，新舊橋梁剛性拼接后，受基礎(chǔ)沉降、不同車輛荷載作用、收縮徐變等的綜合影響。新舊橋梁各自的邊界條件和受力狀態(tài)均發(fā)生了明顯改變，拼寬側(cè)新建橋梁存在拉應(yīng)力，受力狀態(tài)復(fù)雜，對橋梁全壽命周期的安全運營會產(chǎn)生不利的影響。

4 橋梁左側(cè)擴建方案分析

4.1 橋梁左側(cè)拼寬方案分析

東江大橋左側(cè)分離新建橋梁，新舊橋分離，新建橋梁結(jié)構(gòu)形式選擇多樣，既可以選擇與舊橋相同的預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁，也可以選擇預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)、矮塔斜拉橋等，新舊橋梁獨立運營，橋梁受力清晰明確。

根據(jù)本項目特點，考慮舊橋已采用了預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁，且有加固歷史，結(jié)合通航論證與景觀協(xié)調(diào)因素，新建橋梁的上部構(gòu)造梁高需與舊橋保持一致，舊橋承臺寬度需與舊橋保持一致。而預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)，當活載作用于中跨時，與相同跨徑的連續(xù)梁比較，其跨中彎矩較小，預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋在跨中梁高相同時，可承受的彎矩較連續(xù)梁的更大。因此設(shè)計推薦采用與舊橋跨徑一致的（45+2×80+45）m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋進行左側(cè)分離拼寬。

4.2 橋梁左側(cè)拼寬計算分析

新建的預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋，上部結(jié)構(gòu)采用單箱雙室斷面，三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，支點梁高4.5m，跨中梁高2m。

結(jié)合左側(cè)拼寬方案，對新建橋梁采用空間有限元方法進行了建模計算分析，構(gòu)件縱向計算采用Midas Civil 2019 進行。靜力計算有限元模型圖如圖5 所示。

圖5 東江大橋左側(cè)拼寬計算消隱模型

根據(jù)計算結(jié)果顯示，左側(cè)分離拼寬新建的連續(xù)剛構(gòu)橋梁受力性能良好。持久狀況承載能力繼續(xù)狀態(tài)計算、持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算、持久狀況構(gòu)件的應(yīng)力計算均滿足規(guī)范要求。具體部分計算結(jié)果如下圖6 所示。

圖6 東江大橋左側(cè)拼寬承載力包絡(luò)圖

5 方案比選

根據(jù)東江大橋前后受控因素，并結(jié)合兩側(cè)拼寬和左側(cè)拼寬的計算結(jié)果，對兩方案進行了比選分析，具體如下。

5.1 兩側(cè)拼寬

優(yōu)點：新建橋梁規(guī)模相對較小，兩側(cè)分別新建9.25m。占地較少，總體經(jīng)濟性好。對環(huán)境影響小，橋梁拼接后整體性好，景觀性較好。新橋受重車荷載，舊橋受小車荷載。

缺點：無法預(yù)留后期舊橋拆除重建條件。拼接施工難度相對較大，設(shè)備投入高。拼接后新舊橋梁受力復(fù)雜，新建橋梁出現(xiàn)拉應(yīng)力，舊橋承載力不足。新舊橋同向分離行車，交通安全性不高。距離道路右側(cè)紀委建筑較近，存在一定協(xié)調(diào)難度。橋梁拼寬受制于舊路線型，縱坡采用0%，拼寬后橋面寬度較大，僅采用雙向2%橫坡，不利于排水。

5.2 左側(cè)拼寬

優(yōu)點：與航道部門意見一致。可預(yù)留舊橋拆除重建空間。對高速公路右側(cè)紀委建筑干擾較小，噪音污染小。路線設(shè)計不受既有線位影響，新線位設(shè)計縱坡可按現(xiàn)行規(guī)范進行調(diào)整，利于橋梁排水。不受舊橋制約，新建橋梁結(jié)構(gòu)形式選擇多樣。新舊橋梁獨立運行，結(jié)構(gòu)受力明確。

缺點：東江橋頭挖方較多。新建橋梁規(guī)模相對較大，需拼寬21m。受縱坡調(diào)整，新建橋梁設(shè)計高度大于舊橋設(shè)計高度，存在高低橋梁現(xiàn)象，新舊橋梁景觀性差。舊橋由對向行車改為同向行車，路基過渡段長，車輛行駛安全性較差。舊橋車輛行駛習慣改變，靠外側(cè)始終受大車荷載。

綜合以上的方案比較，東江大橋推薦采用左側(cè)分離拼寬新建（45+2x80+45）m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋。

6 結(jié)論

本文依托于長春至深圳國家高速公路河源熱水至惠州平南段改擴建項目東江大橋，針對大跨徑連續(xù)梁橋的改擴建方案進行了深入比較，分別對兩側(cè)拼寬和左側(cè)拼寬方案進行了建模分析，計算發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)拼寬新舊橋梁剛性拼接后，受基礎(chǔ)不均衡沉降、收縮徐變等因素影響，拼寬后橋梁受力狀態(tài)復(fù)雜，舊橋承載力不足，拼寬側(cè)新橋出現(xiàn)拉應(yīng)力，不利于橋梁的全生命周期的運營，左側(cè)拼寬分離新建橋梁，橋梁受力明確，新舊橋梁獨立運營，也可為后期的舊橋拆除重建預(yù)留條件，綜合各方面因素，最終確定東江大橋采用左側(cè)拼寬方案，主跨新建（45+2x80+45）m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋。