高速公路改擴建橋梁設計要點研究

陳驍，高晗

（1.北京交科公路勘察設計研究院有限公司，北京 100000；2.中國礦業大學（北京），北京 100000）

1 工程概況

某高速公路改擴建工程，線路全長約56 km，路段內含有橋梁兩座，兩座橋梁均需改建。本項目是將原有的雙向4 車道改為雙向8 車道，橋梁及路基寬度由原本的25 m 擴建為42 m，設計速度為60 km/h。為確保高速公路橋梁改擴建后基本性能的完善，設計方應基于既有橋梁和高速公路設計方案，明確橋梁改建設計的要點。目前，該高速公路橋梁改擴建工程已如期完工，橋梁改擴建設計方案得到有效落實。經檢測，改建后的橋梁安全性能良好，符合城市高速公路橋梁相關要求。

2 橋梁設計原則

1）重視既有橋梁的勘察。設計人員應在深入研究既有橋梁設計方案的基礎上進行現場記錄，分析橋梁結構，計算橋梁結構穩定性，然后根據獲取的數據計算橋梁改擴建設的設計參數，優化橋梁結構。

2）確定橋梁結構形式、設計標準等內容，以及路段耐久性等性能指標，在保證橋梁穩定性、載荷標準的基礎上，對比改擴建橋梁和原有橋梁的結構、性能關系。通過對比、分析、評估確定橋梁的耐久性和載荷標準，在清晰、全面、系統的評估中提高橋梁的功能性，以明確橋梁改建拼寬區域的性能指標。

3）設計人員應充分參考既有橋梁的結構構造，在保證結構設計合理的基礎上凸顯設計特色。在此基礎上，設計人員還應詳細分析既有橋梁改擴建的潛在風險，并通過全面探究橋梁結構設計，加強橋梁設計勘察分析的方式，掌握既有橋梁設計概況，確保改擴建方案的可行性。

3 橋梁改擴建設計前準備

高速公路橋梁改擴建的目的是完善原高速公路橋梁的結構和基本功能，保障高速公路橋梁通行量，使其滿足新時期高速公路橋梁的應用需求。因此，為提升高速公路橋梁改擴建設計方案的科學性，設計人員在橋梁改擴建設計前期，應系統地整理既有橋梁的信息資料，勘測橋梁建設區域的地質條件，然后根據設計圖紙、地質環境條件，分析各橋梁結構拼接設計方案的可行性。此外，設計人員應精準測量既有橋梁的跨徑組合、梁板結構尺寸、橋墩尺寸、蓋梁結構尺寸、墊石高度等設計參數，同時調查分析既有橋梁的使用情況，查驗橋梁有無沉降、裂縫等質量通病，以及橋梁結構的質量風險，便于設計人員有針對性地優化橋梁改擴建設計方案[1]。

4 高速公路改擴建橋梁設計要點

4.1 橋梁單雙側便道改擴建設計

高速公路改擴建工程中，設計人員在改擴建橋梁單雙側便道時，應按照既有橋梁的實際情況，提前調研橋梁所處區域的公路結構物、地形條件、交通流量，隨后根據橋梁改擴建后的設計值，計算橋梁路基寬度設計的合理范圍，確定單側、雙側便道設計方式，及其具體的寬度設計值。

上述橋梁改擴建工程中，設計速度為60 km/h，橋梁路基寬度設計為42 m，既有橋梁路基寬度為25 m，改造橋梁單側和雙側便道時，設計人員應按照二者的差值，分別計算改造時橋梁單雙側便道的加寬。比如，橋梁路基寬度更改為42 m 時，橋梁路基共加寬17 m，若采用單側便道加寬方式，可按照橋梁周圍的空間分布情況，在單側增加17 m；若設計人員同時將橋梁兩側便道加寬，每側便道加寬8.5 m 即可。但是在設計單側橋梁便道時，設計人員還應合理控制便道、橋梁邊線距離，保障橋梁改擴建后車輛通行的安全性；設計雙側橋梁便道時，設計人員還應結合原有的雙向4 車道，分析改擴建后橋梁與高速公路車道銜接部位的合理性，便道結構設計應符合車輛導入要求。

4.2 橋梁拓寬改建設計

4.2.1 橋梁拓寬基礎設計

橋梁拓寬改建設計時，設計人員應在正式設計橋梁拓寬方案時，調查橋梁水文條件、周圍排洪工程、灌溉設施、航道規劃等，計算既有橋梁的標高，然后在不擾動既有橋梁基礎結構的前提下，設計新建橋梁的基礎結構。設計過程中應重點設計新舊橋梁拼接區域的結構，避免因設計缺陷引起新舊部分銜接問題。對新舊橋梁縱向接縫處理制訂方案時，設計人員應考慮高速公路橋梁改建后的車輛荷載值、橋梁要達到的承載力，嚴格控制接縫兩側部分的高差。另外，新建橋梁結構的設計荷載應高于既有橋梁，并且符合既有橋梁的設計規范。

橋梁拓寬改建時，主線橋梁改建設計方法通常為橋梁下部結構不連接，上部結構相互連接的方式，橋梁結構拼接過程中可從既有橋梁一側或兩側分別進行加寬。但是為了保障橋梁拓寬改建后的穩定性，設計人員還應結合實際情況，設計拓寬部位的橋梁下部結構。一般情況下，雙向6 車道的橋梁下部結構可設計為獨柱式墩；雙向8 車道的橋梁下部結構可設計為雙柱式墩。但在設計雙柱式墩時，設計人員應基于既有橋梁結構設計、荷載設計，綜合考慮橋梁墩柱彎曲變形、非線性剪切變形、縱筋黏結滑移等問題，確定最佳設計參數。

4.2.2 橋梁拓寬結構設計

高速公路改擴建橋梁設計中，不同的橋梁結構的拓寬改建設計存在較大的差異。目前，橋梁建設領域中常見橋梁結構包括空心板橋梁、箱梁、T 形組合梁橋等。

1）拓寬改建空心板梁橋時，新舊橋梁的拼接縫為主要設計內容。一般情況下，設計人員可根據空心板橋梁的特點，分析其拓寬時的拼接難點，然后將橋梁拓寬結構以鉸接縫、剛性連接縫、部分剛性連接縫的方式進行連接。（1）采用鉸接縫連接空心板橋梁結構時，設計人員應將相鄰梁體處的舊橋懸臂板去除，并設計可代替該結構的結構，用于連接新舊橋梁結構，使其在后期能夠順利形成鉸接縫。（2）應用部分剛性連接縫對新舊橋梁進行連接時，設計人員需結合現有的設計方案，確定高速公路橋梁的各項性能指標，準確分析構件連接效果與濕接頭剛性連接之間的關系。（3）設計人員可提前在既有橋梁、拓寬橋梁結構的中間設計寬度為25~70 cm，厚度為15 cm的縱向濕接頭[2]。（4）將既有橋梁結構中帶有懸臂的邊板鑿除，預留可安裝螺栓的橋梁結構，然后設置橫向鋼筋、鋼板，使該結構能夠從外側與既有橋梁結構相互連接。（5）為確保新舊橋梁結構中空心板間的連接效果，設計人員還應在新、舊空心板橋梁結構上設計現澆混凝土結構，同時在橋梁結構上橫向50 cm 寬度范圍內設置鋼筋網。（6）設計人員可在新舊橋梁結構上直接設計橫向的橋梁結構，重新設計連接橋梁結構的橋面板，并將其與橫向橋梁結構相互連接，借此拓寬既有橋梁，使新舊橋梁順利連接。

2）拓寬改建T 形梁結構時，新舊橋梁連接需要借助橫隔板。設計人員可通過兩種形式設計T 形梁結構的拓寬改建方案：（1）設計人員可結合T 形組合橋梁結構設計方案，確定新舊橋梁改建時的連接需求，然后在拓寬橋梁結構中增設橫隔板，使新舊橋梁結構的橫隔板相互連接。（2）在新建橋梁結構中增設翼緣板、橫隔板，連接新舊橋梁后拓寬高速公路T 形梁。相較于其他橋梁結構，T 形梁結構具有后期橋梁結構整體性及安全性能好等優勢。

3）連續箱梁橋拓寬設計中，主要拓寬設計形式可分為3 種：（1）根據既有橋梁的位置，確定拓寬區域，然后在新舊橋梁結構銜接處設計縱向縫，縱向縫可使用瀝青混合料填充，或將其設計為鋼板包邊的縫隙，但是為預防橋梁拓寬改建時出現啃邊、擾度差等問題，設計人員應重點優化縱向伸縮縫的結構設計。（2）設計人員可采用鉸接的形式，即在高速公路橋梁拓寬改造時，將新舊橋梁結構的連接方式設計為柔性鉸連接半剛性鉸連接。（3）為在橋梁拓寬設計中保障新舊橋梁結構的整體性，設計人員應重視新舊橋梁結構的變形差異，全面分析既有橋梁結構、拓寬后橋梁結構的局部受力情況和整體受力情況。然后在設計橋梁拓寬結構時，采用可一次性連接的橋梁結構。

4.3 橋梁改擴建拼接設計

確定高速公路橋梁拼接方式時，設計人員需要反復通過試驗、研究報告分析橋梁拼寬的設計要點和建設需求，制訂完善的橋梁改擴建拼接設計方案。高速公路橋梁改擴建設計過程中，橋梁改擴建拼接設計的主體包括混凝土連續箱梁結構、橋梁涵洞、預應力混凝土空心板結構、橋梁通道設計等。拼接設計橋梁結構、橋梁涵洞時，設計人員應堅持同結構、同跨徑、上聯下不聯的設計原則。

具體來說，橋梁改擴建拼接設計要點主要包括：（1）拼接空心板橋梁結構、板式橋梁通道時，設計人員應在新建橋梁結構的翼緣處設計鋼筋結構，并將其和舊橋結構焊接。對于連續箱梁橋結構的拼接方式，可采用混凝土弱剛性連接。（2）拼接加寬管涵時，設計人員可直接將橋梁結構中的管涵、箱涵接長，同時加強拼接區域的防水設計。拼接板涵、箱涵、箱式通道時，設計人員應按照涵接涵、箱接箱的設計思路，在板涵、箱涵、箱式通道接口設計寬度為2 cm 的沉降縫。（3）正式拼接橋梁結構時，設計人員應計算既有橋梁結構的高程、坐標，復核改建橋梁設計圖紙中的標高、結構位置，然后通過平面控制計算橋梁結構拼接時的縱向誤差、橫向誤差，確定各關鍵節點的設計值、設計參數，以及橋梁結構的分布情況[3]。

此外，為使橋梁改擴建設計后的平面偏差符合預期要求，設計人員還應根據相關設計規范，計算橋梁結構拼接時的樁位、柱位及蓋梁中心線的設計值，同時控制橋梁結構高程，確定拼接縫混凝土斷面尺寸、新建橋面混凝土層設計厚度等設計參數，保障各項設計值符合橋梁工程改擴建設計要求。設計人員可按照既有橋梁的設計圖紙，計算新拼橋梁結構的樁位，并結合既有舊橋墩臺結構設計、蓋梁邊線設計，直接延長部分橋梁結構，將其與新建橋梁結構相互連接。

5 結語

綜上所述，為在城市化進程中，通過改擴建高速公路橋梁的方式完善城市交通運輸體系，相關人員應依據現階段高速公路既有橋梁的設計方案，確定橋梁改建后的結構形式，明確橋梁結構拆除、改造時的設計要點。在此過程中，設計人員應結合橋梁改擴建后的性能要求，以及城市橋梁工程建設的相關標準，實事求是地優化橋梁改擴建設計，強化改建后橋梁結構的整體性能，為我國交通運輸行業的健康、穩定發展創造有利條件。