城鎮(zhèn)農(nóng)村公路橋梁改造設(shè)計

1 引言

上海市城鎮(zhèn)早期建設(shè)的農(nóng)村公路多為單車道， 其交通功能弱化，并且沿線附屬設(shè)施缺失，存在安全隱患[1]。故上海啟動2018—2022 年“四好農(nóng)村路”建設(shè)五年專項行動。 現(xiàn)狀農(nóng)村公路寬度以4~6 m 為主， 橋梁多以普鋼或預(yù)應(yīng)力鉸接空心板為主，跨徑6~20 m 占比較高[2]。簡支空心板橋梁形式在低等級農(nóng)村公路中依然大量采用，所以在農(nóng)村公路改造項目中，經(jīng)常接觸簡支空心板橋梁改造。

本文依據(jù)上海市松江地區(qū)農(nóng)村公路提檔升級工程項目，橋梁根據(jù)道路總體進行拓寬設(shè)計，單車道拓寬至雙車道。 橋梁拓寬設(shè)計方案采用Midas Civil 建立結(jié)構(gòu)空間有限元模型，考慮收縮、徐變、新結(jié)構(gòu)沉降、車道荷載主要影響因素，進行對比分析，得出最優(yōu)設(shè)計方案，并用于實際施工。

2 老橋拓寬的改造設(shè)計方案

鑒于老橋使用多年，其基礎(chǔ)沉降和收縮徐變已穩(wěn)定，而且上海地處軟土區(qū)域，如果采用下部結(jié)構(gòu)相連，會容易導(dǎo)致連接處開裂損壞等病害，所以排除下部結(jié)構(gòu)相連的設(shè)計方案，主要采用以下3 種拓寬設(shè)計方案：（1）下部結(jié)構(gòu)不連，上部結(jié)構(gòu)剛接；（2）下部結(jié)構(gòu)不連，上部結(jié)構(gòu)鉸接；（3）下部結(jié)構(gòu)不連，上部結(jié)構(gòu)不連[3]。

2.1 工程背景

松江區(qū)古松路沿線共涉及1 座橋梁，該橋跨越柵里崗。 老橋跨徑為13 m，橋面總寬為5.6 m，橫斷面布置5 片小鉸縫的空心板。老橋上部結(jié)構(gòu)為空心板，下部結(jié)構(gòu)采用輕型橋臺。老橋技術(shù)狀況為2 類。 根據(jù)總體要求，道路由單車道變?yōu)殡p車道，老橋單側(cè)拓寬，增加2 片剛接空心板，拓寬后，橋梁總寬為8.6 m。

2.2 計算分析

2.2.1 模型建立

采用Midas Civil 對橋梁結(jié)構(gòu)進行建模計算分析。 采用梁格法模擬空心板受力，簡支結(jié)構(gòu)。 利用Midas Civil 里“釋放梁端約束”的邊界模型來分別模擬空心板之間拼接力學(xué)模型，分別為剛接、鉸接、不連接，計算模型如圖1 所示。

圖1 計算模型

2.2.2 拓寬新橋的收縮、徐變對老橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響

在我國JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》的收縮徐變模型[4]基礎(chǔ)上，分析在新橋的收縮、徐變作用下，不同拓寬拼接模式對老橋的橫向效應(yīng)及承載能力的影響。 計算分析中考慮10 年的收縮徐變影響。

1）對老橋支座橫向反力以及橫向變形分析

表1 給出拓寬新橋運營10 年后，在收縮、徐變作用下對老橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的支座橫向反力以及梁跨中橫向最大變形。

表1 老橋支座反力以及橫向變形

注：正、負(fù)僅表示受力或變形方向相反。

從表1 可以分析得出：（1）在新橋的收縮、徐變作用下，老橋上部結(jié)構(gòu)采用剛接產(chǎn)生橫向支反力、變形最大，采用不連接時不影響老橋；老橋靠近拼接縫的1#邊梁產(chǎn)生橫向支反力、變形最大，橫向隨著遠(yuǎn)離拼接縫效應(yīng)依次遞減。 （2）在新橋的收縮、徐變作用下，由于農(nóng)村公路橋梁跨徑小，老橋產(chǎn)生的橫向效應(yīng)較小，老橋支座滿足規(guī)范要求。

2）對老橋內(nèi)力分析

新橋收縮、徐變使老橋的上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力將發(fā)生變化。表2、表3 給出拓寬新橋運營10 年后，在收縮、徐變作用下對老橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力。

表2 老橋內(nèi)力（收縮、徐變）

表3 老橋彎矩（收縮、徐變）

從表2、表3 可以分析可知：（1）在新橋的收縮、徐變作用下，老橋上部結(jié)構(gòu)采用剛接產(chǎn)生梁內(nèi)力最大，采用不連接時不影響老橋；老橋靠近拼接縫的1#邊梁產(chǎn)生內(nèi)力最大，梁橫向隨著遠(yuǎn)離拼接縫產(chǎn)生的內(nèi)力依次遞減。 （2）在新橋的收縮、徐變作用下，老橋由原來的單向受彎變?yōu)殡p向受彎。 在新橋的徐變作用下， 老橋在端部受壓為主， 老橋梁的縱向彎矩在跨中最大，橫向彎矩在端部最大。 在新橋的收縮作用下，老橋在端部受拉為主，老橋梁的縱向彎矩在端部最大，橫向彎矩在端部最大。 （3）在新橋的收縮、徐變作用下，對老橋的影響主要體現(xiàn)在水平方向，豎向效應(yīng)影響較小。

2.2.3 拓寬后，車道荷載對老橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響

老橋之前為單車道，拓寬后，橋梁總寬為8.6 m，可布置雙車道，同時兼顧行人和非機動車。 車道荷載在拓寬前后都按偏載最不利布置。

從表4 可以分析：（1）拓寬后，增加一車道，老橋上部結(jié)構(gòu)采用不連接產(chǎn)生梁跨中彎矩最大， 采用剛接或者鉸接產(chǎn)生梁跨中彎矩相等；（2）拓寬后，增加一車道，老橋靠近拼接縫的1#和2#梁產(chǎn)生的梁跨中彎矩相對其他梁較大， 梁橫向隨著遠(yuǎn)離拼接縫依次遞減。

表4 最大彎矩

2.2.4 拓寬新橋的不均勻沉降對老橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響

通過對拓寬新橋支座施加豎向位移的方法， 從而模擬新橋基礎(chǔ)沉降。 由于老橋已運營多年，其基礎(chǔ)沉降基本穩(wěn)定，拓寬新橋設(shè)計的沉降采用5 mm[5]。

從表5 可以分析：

表5 老橋效應(yīng)（沉降）

1）在新橋的沉降作用下，老橋上部結(jié)構(gòu)采用剛接與鉸接產(chǎn)生梁內(nèi)力相當(dāng)，采用不連接時不影響老橋；老橋靠近拼接縫的1#邊梁產(chǎn)生內(nèi)力最大， 梁橫向隨著遠(yuǎn)離拼接縫產(chǎn)生的內(nèi)力依次遞減。 老橋梁的縱向彎矩、橫向彎矩在端部最大，端部受拉為主，跨中受壓為主。

2）在新橋的沉降作用下，對靠近拼接縫的1#邊梁端部產(chǎn)生較大支反力（壓力），并無出現(xiàn)負(fù)反力。 梁橫向隨著遠(yuǎn)離拼接縫產(chǎn)生的支反力依次遞減。 如果跨徑較大，應(yīng)注意支座出現(xiàn)負(fù)反力產(chǎn)生脫空現(xiàn)象。

綜上分析所述， 結(jié)合實際現(xiàn)場和業(yè)主要求， 本項目采用上、下部結(jié)構(gòu)均不連，拼寬縫采用新老結(jié)構(gòu)預(yù)留2~6 cm 的空隙，里面填塞苯板并用密封膠封口，上面鋪鋼板+C50 鋼纖維混凝土調(diào)平+GD 彈性混凝土，但橋面整體連續(xù)，并采用超薄磨耗層。 實際效果如圖2 所示。

圖2 竣工現(xiàn)場

3 結(jié)語