柬埔寨1551號公路改建拼寬橋設計方案研究

杜宇飛 杜一叢

（1.北京中咨華安交通科技發展有限公司，北京 100098；2.北京交通運輸職業學院，北京 100098）

0 引言

隨著交通量日益增加，現存的公路橋梁不能滿足當下的交通需求，在現有橋梁的基礎上進行拼寬設計成為目前投資小見效快的解決方式之一。新老橋梁橫向拼寬是指橋梁整體在橫向為分期修建，或在原有橋梁橫向以拼接加寬的方式建設新的橋梁，最終形成整體橋面的橋梁設計方案。然而橋梁項目在實際的拼寬改建過程中，往往遇到各類問題。本文以柬埔寨1551號公路改建拼寬橋為例，探討在復雜工況下的橋梁拼寬設計重難點問題及解決措施。

1 常見的橋梁拼寬方式

（1）上部結構與下部結構均不相連。該方法受力明確，但是橋梁整體性較差。

（2）上部結構與下部結構均相連。該方法整體受力，變形小，但是附加內力增大，易產生裂縫。

（3）上部結構相連，下部結構不相連。該方法通過減小新建橋梁的樁基沉降來控制沉降差異，結構性能較好[1-2]。

2 工程概況及重難點問題

2.1 工程概況

柬埔寨1551號公路改建工程位于柬埔寨西部，項目起點位于Battambang 省松洛（Samlot）縣以西約7km 處，接1577號公路，終點在Koh Kong省與繞城道路相交，全長約197.363km。經現場調查，該項目K0～K20 段需要拼寬設計的鋼筋混凝土橋梁12座，修建時間為2015年，跨徑分類包括12m，15m和18m三種類型。橋梁類型主要以工字型梁為主，結構受力形式為簡支梁。該項目以這12座橋為基礎，進行拼寬設計。

2.2 加寬方案設計背景

該項目的12座既有橋梁，全寬均為7m，為了符合柬埔寨政府預想利用既有橋梁充分發揮其作用，并且可以降低工程造價的要求，設計方案采用單側拼寬3m 的設計方案，以滿足三級公路（中國現行標準設計規范）的行車寬度要求。橋梁檢測方式選擇外觀檢查、材質檢測以及靜動載試驗加載驗證。現場調查既有橋梁上部結構為工字型橋，主梁腹板無裂縫，結構完整，翼緣板出現部分裂縫。該橋梁經過實際檢測與加載驗證，未折減的承載能力均能滿足公路二級荷載標準的通行要求，且有一定程度的安全儲備。各座橋梁均未發現嚴重影響結構安全和承載能力的病害。

2.3 工程重難點

在橋梁拼寬改建過程中，需要充分考慮舊橋拼寬完成之后是否能夠保證與新橋具有整體的變形協調能力；新舊橋的連接是否給舊橋產生額外的荷載，這個荷載是否在其承受范圍之內[3]等問題。但由于該項目前期工程管理的問題，使得既有橋梁的資料不完整，項目設計時無法參照既有橋梁的設計圖紙，致使橋梁內部設計和荷載情況無從得知。另外，業主對拼寬寬度嚴格限制，加寬尺寸較小，導致橫向穩定性較低，拼寬方案的設計難度大大增加。

3 既有橋梁檢測及設計方案確定

3.1 檢測既有橋梁

既有橋梁缺少圖紙無法為設計作參考，因此需要對既有橋梁的實際使用性能進行檢測。首先對既有橋梁進行了荷載檢測試驗，包括靜載試驗與動載試驗。靜載試驗包括對橋梁結構的承載能力進行檢算并對之后數年的使用功能做出評定，動載試驗通過施加動荷載，測試橋梁結構的基頻，分析結構的沖擊系數等關鍵參數。

荷載試驗采用三級加載方式，加載位置及加載過程如圖1～圖4。荷載試驗結果如表1～表3所示。

表1 底板關鍵測點應變校驗系數

表2 撓度校驗系數

表3 基頻及沖擊系數

圖1 加載車輛橫向布置圖

圖2 第1級加載示意圖（1輛加載車）

圖3 第2級加載示意圖（2輛加載車）

圖4 第3級加載示意圖（2輛加載車）

由試驗結果分析可知：

（1）橋梁基頻評定標度為1，表明橋梁實際剛度大于理論計算。

（2）表面開裂影響了應變數據采集，以撓度校驗系數作為評價標準，表明橋梁實際強度優于理論計算。

（3）實測最大沖擊系數均小于理論計算值，說明車輛對橋面的沖擊效應滿足現行公路橋規要求。

綜上所述，既有橋梁結構在靜動載試驗加載工況下，實際表現均優于理論計算值。結構不需要做額外加固，并且承載能力滿足公路II級荷載標準的要求。

3.2 拼寬連接方案

鑒于以上無需加固即可滿足荷載標準要求的檢測結果，本次拼寬方案選擇橋梁主體相對獨立，且結構性能較好的上部結構相連，下部結構不相連的方式。

（1）下部結構。下部結構橋臺采用扶壁臺，樁基直徑1.0m，承臺厚度1.5m。本橋采用摩擦樁基礎，以減小新舊橋梁部分的不均勻沉降。

（2）上部結構。本橋的結構體系為簡支結構，上部采用后張法預應力簡支空心板，其中：預制空心板采用部分預應力A 類構件設計。上部結構需相連，因此新老橋接縫處現澆層連成整體且一起澆筑，將既有橋梁護欄的混凝土部分鑿除，但保留底部鋼筋，將底部鋼筋彎折后打磨并與拼寬橋梁現澆層下層鋼筋連接。上部結構連接方案如圖5所示。

圖5 拼寬橋上部結構連接方案

圖6 舊橋加固方案

（3）舊橋維修加固。舊橋橋面板底存在多條裂縫，橋面板頂混凝土不同程度破損，鑿除舊橋2cm 既有橋面，露出新鮮混凝土，然后鋪設6cm 混凝土鋪裝，以利于新舊混凝土連接，增強舊橋橋面板整體性和承載力；另外根據《橋梁檢測報告》的檢測結論顯示，原橋經過實際檢測和加載驗證，未折減的承載能力均能滿足公路-Ⅱ級荷載標準的通行要求，且有一定程度的安全儲備，橋面板維修后，增加了部分恒載，粘貼鋼板可提高其抗彎承載能力，抵消恒載增加部分引起的效應，同時增加結構耐久性。

因此，該項目舊橋維修加固方案為鑿除舊橋2cm既有橋面板，然后加鋪6cm 厚的C50 混凝土鋪裝，鋪設防水層后設置2cm 厚瀝青，然后對舊橋主梁梁底粘貼鋼板加固處理。加固設計方案如6所示。

3.3 拼寬橋梁部分結構計算

根據《公路橋涵設計通用規范》第4.3.1-8 款規定，對橋梁拼寬部分進行橫向布載，橫向折減系數取0.5，汽車荷載采用公路-Ⅱ級。采用Midas Civil 對邊梁進行建模計算，拼寬部分的橫向布載如圖7 所示，計算模型如圖8所示。計算結果如下所述:

（1）正截面抗彎驗算如圖9所示；

圖9 持久狀況正截面抗彎驗算包絡圖

（2）斜截面抗剪驗算如圖10所示；

圖10 持久狀況斜截面抗剪驗算包絡圖

（3）正截面抗拉驗算如圖11所示；

圖11 持久狀況正截面抗拉驗算包絡圖

（4）抗扭驗算如圖12和圖13所示；

圖12 持久狀況抗扭驗算（扭矩）包絡圖

圖13 持久狀況抗扭驗算（剪力）包絡圖

（5）正截面抗裂驗算如圖14～圖17所示；

圖14 使用階段正截面抗裂驗算（頻遇-頂）包絡圖

圖15 使用階段正截面抗裂驗算（頻遇-底）包絡圖

圖16 使用階段正截面抗裂驗算（準永久-頂）包絡圖

圖17 使用階段正截面抗裂驗算（準永久-底）包絡圖

（6）正截面壓應力驗算如圖18～圖19所示；

圖18 使用階段正截面壓應力驗算（頂）包絡圖

圖19 使用階段正截面壓應力驗算（底）包絡圖

（7）斜截面主壓應力驗算如圖20所示。

圖20 使用階段斜截面主壓應力包絡圖

從圖9～圖20 可知，拼寬部分橋梁各項計算結果均滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》要求。

3.4 舊橋維修加固部分的結構受力計算

本次設計在原橋橋面加鋪6cm厚的鋪裝層，為提高原橋主梁的抗彎承載能力，同時增加結構耐久性，在原橋主梁下緣粘貼鋼板，共計4片，面積合計為9.6m2。原橋每片梁下設置6000mm×400mm×8mm 鋼板，計算時考慮混凝土截面開裂影響，對I 梁剛度進行折減，折減系數取0.5。通過計算粘貼鋼板產生的抗力遠大于加鋪橋面鋪裝產生的彎矩值，具體數值見表4。

表4 加固鋼板受力計算（單位：kN·m）

4 結束語

本文以柬埔寨1551 號公路改建拼寬橋的設計方案為例，探究了在既有橋梁的內部荷載、承載能力等基本要素無法知曉的前提下，通過對既有橋梁檢測來彌補無既有橋梁設計圖紙的短板，通過檢測數據的論證最終確定了拼寬方案和措施，保證了拼寬橋梁的實用性和可實施性。并通過對拼寬部分、既有橋梁部分以及整體的結構計算驗證了方案的可行性。目前，該橋梁拼寬工程已竣工并通車，運營狀況良好，其拼寬橋梁的方案可為同類型工程提供參考和借鑒。