山區(qū)橋梁拓寬設(shè)計(jì)要點(diǎn)探索

陳華軍

（日昇創(chuàng)意景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)湖北有限公司，湖北 武漢 430074）

1 工程概況

該文以某山區(qū)高速公路橋梁改造工程項(xiàng)目作為研究對(duì)象，通過對(duì)現(xiàn)場的施工條件及地質(zhì)條件進(jìn)行分析，決定采用三跨連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)的橋梁形式。整座橋細(xì)分為兩聯(lián)，橋跨設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)（30m+50m+30m）+鋼混結(jié)構(gòu)的連續(xù)箱梁（2×20m），橋梁的總長度設(shè)計(jì)為167.08m。橋梁的主梁設(shè)計(jì)使用預(yù)應(yīng)力混凝土，混凝土的強(qiáng)度標(biāo)號(hào)為C50，墩身部位的混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)為C40，基礎(chǔ)部位的混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)為C30。

2 上連下不連加寬方式的有限元計(jì)算分析

2.1 新舊上構(gòu)鉸接簡支空心板受力特性

16m 的簡支空心板，根據(jù)新舊橋梁的上部結(jié)構(gòu)空心板的受力特性，技術(shù)參數(shù)如下?；炷恋膹?qiáng)度標(biāo)號(hào)為C40，彈性模量為3.3×10Pa，泊松比1/6。

結(jié)合原設(shè)計(jì)圖紙，原橋梁設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是汽車-超20 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該文則是按照現(xiàn)行的管理規(guī)范中公路-I 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。橋梁兩側(cè)的車道的均布荷載值為q=10.5kN/m。

橋梁兩側(cè)的車道的集中荷載值：P=180+180÷45×11=224kN。

橋梁三車道荷載折減系數(shù)為0.78，在整個(gè)橋梁布載的情況下，空心板的彎拉應(yīng)力具體情況可以參照?qǐng)D1。

舊橋加寬部分通常都是單車道或雙車道，加寬部位一般都是重車道或是慢車道，按照半幅布載狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體的情況可以參照?qǐng)D2。

為了探究出新建橋梁對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，現(xiàn)假設(shè)新建部分上部結(jié)構(gòu)的一段支座的沉降量為1mm。將圖1 和圖2 中信息進(jìn)行對(duì)比，偏載會(huì)導(dǎo)致接縫部位的橫向彎拉應(yīng)力增大，從原本的1.55MPa 提高至1.94MPa，增長率為25.2%；但是縱向彎拉應(yīng)力則會(huì)因?yàn)閭骱勺饔梅炊尸F(xiàn)出降低現(xiàn)象。因此，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，新空心板與舊空心板之間可能會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，而這種不均勻沉降必然會(huì)導(dǎo)致接縫部位出現(xiàn)開裂。

2.2 新舊上構(gòu)剛接簡支空心板受力特性

因邊緣部位的空心板保養(yǎng)質(zhì)量較好，若使用前文中闡述的鉸接方法，則需要將邊梁廢掉，部分情況下也可以對(duì)邊板做加固處理，確保新空心板與舊空心板完成剛性連接。

荷載、材料計(jì)算與上文一致，不需要考慮不均勻沉降帶來的影響，按照全橋布載進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果可知，在剛性連接形式下，空心板的橫向最大彎拉應(yīng)力減少，使用剛性連接時(shí)，縱向方向的彎拉應(yīng)力基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 空心板彎拉應(yīng)力云圖

偏載的存在會(huì)促使接縫部位的橫向彎拉應(yīng)力提高，由此可見，接縫部位的最大橫向彎拉應(yīng)力對(duì)于荷載分布的橫向位置比較敏感，依靠鋼混結(jié)構(gòu)根本就無法支撐上部荷載，應(yīng)該使用鋼板作進(jìn)一步的加固處理，保證接縫部位不會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。剛性接縫方式會(huì)促使接縫部位的橫向彎拉應(yīng)力降低，所以應(yīng)該使用剛性接縫方式。

圖2 偏載空心板彎拉應(yīng)力云圖

2.3 新舊上構(gòu)差異剛度鉸接簡支空心板受力特性

因邊板翼緣的上側(cè)都會(huì)砌筑防撞前提，結(jié)合設(shè)計(jì)層面來說，一般都是將配筋率降低，在加寬施工過程中，先將舊防撞墻鑿除，所以可以使用鉸接縫施工形式，下面使用有限元計(jì)算方法對(duì)鉸接縫的情況進(jìn)行計(jì)算分析。

對(duì)圖1（a）進(jìn)行分析，橫向彎拉應(yīng)力從原本的1.55MPa，提升至1.76MPa，提升率為13.5%，模量差的幅度并不是很大。由此可以斷定撓度與彎拉應(yīng)力的波動(dòng)也不會(huì)太大。

2.4 計(jì)算分析結(jié)果

結(jié)果如下。1）假若空心板的邊板翼緣加寬施工方案使用的是剛性連接方式，那么使用鉸接連接形式更為合適，可以更好地適應(yīng)橋梁下部結(jié)構(gòu)的沉降問題。2）針對(duì)新舊主梁的橫向彎拉應(yīng)力方面的影響，若使用鉸接縫連接方式，可以提高的幅度較大；若選擇使用鉸接縫方式，提高的幅度較小。3）不均勻沉降會(huì)對(duì)橫向彎拉應(yīng)力造成比較大的影響，存在局部較為顯著的應(yīng)力，為保證接縫的初期不會(huì)損壞混凝土的強(qiáng)度，不管是使用哪種連接方式，均應(yīng)該施工鋼板作加固處理。4）山區(qū)高速公路拓寬，橫向連接部位的方式主要有以下2 種，分別為剛性連接、鉸接縫連接。針對(duì)地質(zhì)條件比較理想的部位，若新舊橋梁的沉降差異比較小，剛性連接、鉸接縫連接都可以使用；反之，則只能選擇使用剛性連接方式。5）新舊主梁的模量差問題，不管是使用剛性連接縫，還是使用鉸接縫，二者都會(huì)增大橫向彎拉應(yīng)力；假若鉸接縫提高的幅度比較大，那么剛性接縫的提高幅度則比較??；這2 種連接方式對(duì)于橋梁下部結(jié)構(gòu)的沉降影響都較為明顯，同時(shí)，應(yīng)力分布具備明顯的局部特性，這對(duì)于不良地段來說，不管使用哪種連接方式都需要使用鋼板進(jìn)行加固處理，否則會(huì)導(dǎo)致混凝土的早期強(qiáng)度受到較大的影響。

3 山區(qū)低等級(jí)公路橋梁拓寬設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 拓寬基本方法

基本方法如下。1）額外的設(shè)置鋼混結(jié)構(gòu)的懸臂梁。這種拓寬方法是最簡單的橋梁加寬改造方法，可以與其他方法一起使用。鋼混結(jié)構(gòu)的懸臂梁加寬方法不需要對(duì)橋墩作加寬處理，減少施工人員的工作量。2）增設(shè)邊梁或邊拱。通常情況下，加寬結(jié)構(gòu)構(gòu)件與原橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形式基本相同。但是通過深入調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于實(shí)腹式的橋梁加寬來說，加寬部位也會(huì)使用空心板，但是需要在空心板與原橋梁的拱橋之間設(shè)置沉降縫。因橋梁結(jié)構(gòu)的形式存在一定的差異性，且結(jié)構(gòu)剛度不同，在荷載的影響下，新橋結(jié)構(gòu)與舊橋結(jié)構(gòu)的跨中撓度必然會(huì)呈現(xiàn)出差異，在交付運(yùn)營后可能會(huì)顯現(xiàn)出較多的質(zhì)量缺陷。3）增加強(qiáng)梁或強(qiáng)拱。這種方法不但可以對(duì)原橋梁進(jìn)行加寬，同時(shí)還可以提高橋梁的承載能力。這種加寬方法的特點(diǎn)主要為加寬部分的主梁剛度明顯的超過舊橋的剛度。

3.2 拓寬時(shí)新、老結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)方式

3.2.1 新、老結(jié)構(gòu)分離

橋梁加寬施工過程中，為了保證新橋結(jié)構(gòu)與舊橋結(jié)構(gòu)的受力分布均勻，且分布明確，二者之間不會(huì)產(chǎn)生影響，降低施工難度，施工單位會(huì)在新舊橋梁結(jié)構(gòu)之間設(shè)置工作縫。這種施工方法可以很大程度上簡化施工流程，消除連接過程中存在的問題，但是在汽車的活載影響下，新舊橋梁的主梁較大可能出現(xiàn)不均勻撓度，同時(shí)加寬部分橋梁的下部結(jié)構(gòu)沉降量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過舊橋的沉降量，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁的路面出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)減少行車舒適感，影響橋梁的安全性，增大后期橋梁維護(hù)的工作量。

新、老結(jié)構(gòu)分離施工方法有以下4 種：1）使用瀝青和木條作填充處理。1997 年時(shí)，廣佛高速擴(kuò)建時(shí)就曾經(jīng)使用這種施工方法，但是由于長期受行車影響，新橋結(jié)構(gòu)與舊橋結(jié)構(gòu)的邊緣部位非常容易出現(xiàn)啃邊現(xiàn)象，促使填充物失效。2）使用鋼板作包邊處理。將鋼板包裹住接縫部位兩側(cè)的翼緣，能夠良好地解決啃邊現(xiàn)象，但是無法處理新舊橋梁結(jié)構(gòu)的撓度差異問題，且行車的安全性不足。3）采用橋面連接，這種方法使橋梁路面瀝青混凝土施工及鋪裝層施工保持連續(xù)性。但是受長期行車影響，新橋結(jié)構(gòu)與舊橋結(jié)構(gòu)的邊緣部位非常容易出現(xiàn)啃邊現(xiàn)象，促使填充物的效能蕩然無存。4）設(shè)置縱向伸縮縫。這種方法是利用自身的構(gòu)造，巧妙使用新舊橋梁的主梁形變，促使新舊橋梁的形變平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)過渡，提高行車舒適感。目前全球范圍內(nèi)使用最多的方法就是英國的Britflex 縱向伸縮縫施工方法，這種方法的縱向變形偏差須控制在±100mm，豎向變形須控制在±75mm。

為了保證橋面鋪裝至伸縮縫的過渡時(shí)間段內(nèi)剛度不會(huì)突然變化，進(jìn)而導(dǎo)致鋪裝面損壞，通常都是根據(jù)伸縮縫的設(shè)計(jì)形式，選擇使用剛性橋面鋪裝。縱向伸縮縫在西方發(fā)達(dá)國家應(yīng)用程度比較高，但是這種方法的總造價(jià)非常高，同時(shí)需要后續(xù)頻繁的維護(hù)，所以未能夠在我國獲得廣泛的應(yīng)用。

該項(xiàng)目采用的是型鋼單縫式的伸縮縫，將其作為新舊橋面的鋪裝過渡構(gòu)造，結(jié)合實(shí)際運(yùn)營狀況來說，該伸縮縫目前已使用超過1 年時(shí)間，期間并未出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、裂縫等質(zhì)量缺陷，整體應(yīng)用效果比較理想。

橋梁加寬過程中，通常不會(huì)將新舊橋梁的上部結(jié)構(gòu)分開，但是不包括以下3 種特殊情況。1）存在復(fù)雜的管線，促使新舊橋梁的橫向連接難度增大。2）橋面的行車道分為快車道、慢車道，且新舊橋梁結(jié)構(gòu)的接縫位置為中央分隔帶的位置。3）新舊橋梁的結(jié)構(gòu)形成不相同。

3.2.2 上下部結(jié)構(gòu)均連接

為了保證新建橋梁結(jié)構(gòu)與舊橋結(jié)構(gòu)形成1 個(gè)整體，降低在荷載作用下新舊橋梁接縫部位的變形程度，降低橋梁上下部結(jié)構(gòu)特殊部位的內(nèi)力，應(yīng)該將加寬部分的橋梁上部結(jié)構(gòu)與舊橋通過植筋方式進(jìn)行連接，然后澆筑混凝土，保證新橋與舊橋緊密地連接一體。

道路加寬工程項(xiàng)目內(nèi)，橋梁的橫向加寬是指將新舊橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)連接在一起，其關(guān)鍵點(diǎn)在于連接形式的選擇。上下部結(jié)構(gòu)連接方式的優(yōu)勢在于完成拼接以后，橋梁的整體性比較理想。但是它也存在缺陷，新橋梁的基礎(chǔ)沉降量非常大，進(jìn)而導(dǎo)致附加內(nèi)力變大，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致橋梁的下部結(jié)構(gòu)諸多構(gòu)件部位出現(xiàn)裂縫，使橋梁的服務(wù)功能性降低，提高后期維護(hù)的頻率。

3.2.3 上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)分離

橋梁加寬使用下部結(jié)構(gòu)分離施工方式，新結(jié)構(gòu)與舊橋梁的下部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力之間不會(huì)造成任何影響，橋梁上部結(jié)構(gòu)連接部位因新舊橋梁使用的原材料存在差異性，導(dǎo)致橋梁的附加內(nèi)力必然會(huì)發(fā)生較大的變化。針對(duì)以上質(zhì)量缺陷，傳統(tǒng)的處理方法為新橋結(jié)構(gòu)使用樁基礎(chǔ)，通過強(qiáng)化基礎(chǔ)處理、擴(kuò)大樁身長度、擴(kuò)大樁體直徑等方式，以達(dá)到降低基礎(chǔ)沉降的目的。

結(jié)合整體情況來說，可以遵照以下基本原則合理選擇拼接方式。寬拼連接方式，至拼接長度超過5m，拼接部分屬于獨(dú)立受力模式，原則上來說，上部結(jié)構(gòu)選擇使用弱連接方式，下部結(jié)構(gòu)選擇使用分離方式。

窄拼連接方式，至拼接長度部超過3m，拼接部分無法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立受力，原則上來說，上部結(jié)構(gòu)選擇使用強(qiáng)連接方式。

除了這2 種情況以外的處理方式，可以根據(jù)實(shí)際情況合理選擇拼接方式。

3.3 拓寬橋梁橫向拼接構(gòu)造技術(shù)

橫向拼接構(gòu)造技術(shù)是橋梁加寬設(shè)計(jì)活動(dòng)的核心內(nèi)容之一，設(shè)計(jì)過程須著重考慮新舊橋梁的地基沉降對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響，混凝土的收縮對(duì)新舊橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況造成的影響。此外，還應(yīng)該兼顧“邊營運(yùn)、邊施工”的施工方案對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成的負(fù)面影響，并考慮行車對(duì)橋梁運(yùn)營造成的影響。

當(dāng)舊橋的邊梁加寬完成后，在活性荷載的影響下，邊梁的撓度、內(nèi)力都會(huì)所有降低，剛性連接加寬對(duì)于橋梁的通行性能起到了積極性的作用。但是歸根結(jié)底，提高橋梁的通行性能的核心因素在于拓寬自身，并非是剛性連接或是鉸接方式。

拓寬后舊橋邊梁在活載作用下的撓度及內(nèi)力均大大降低，剛接銜接方式拓寬橋梁新橋與舊橋的橫向連接主要可分為三種形式：一是，橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)不作連接處理；二是，橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)果全部連接；三是，橋梁的上部結(jié)構(gòu)連接，橋梁的下部結(jié)構(gòu)分離處理。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹：1）橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)不作連接處理。上部結(jié)構(gòu)分離可通過兩種方式實(shí)現(xiàn)。①使用鋼板對(duì)舊橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行包邊處理。這種方式比較適合使用在半剛性橋面中，需要注意的是這種方法無法解決新舊橋梁之間的撓度差距過大問題，若行車速度比較快，則會(huì)存在一定的安全隱患；②采用縱向伸縮縫進(jìn)行連接。2）橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)果全部連接。其具體為新橋的上部結(jié)構(gòu)與舊橋的上部結(jié)構(gòu)采用植筋、濕接縫的方式進(jìn)行連接；舊橋的下部結(jié)構(gòu)與新橋相對(duì)應(yīng)部位使用鋼筋進(jìn)行連接，最后澆筑混凝土連接為一個(gè)整體。3）橋梁的上部結(jié)構(gòu)連接，橋梁的下部結(jié)構(gòu)分離處理新舊橋的上部結(jié)構(gòu)采用濕接縫、植筋方式進(jìn)行連接，下部結(jié)構(gòu)不做連接處理，單獨(dú)受力。

3.4 拓寬橋梁承載能力計(jì)算

設(shè)計(jì)橋梁拓寬時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該嚴(yán)格的按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)管理規(guī)范展開設(shè)計(jì)作業(yè)。對(duì)于舊橋，先明確橋梁的承載力的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、抗裂性能。具體來說，應(yīng)該保證橋梁在持久狀態(tài)下的承載能力的極限狀態(tài)與正常狀況下的極限狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，該研究主要對(duì)某山區(qū)公路橋梁加寬施工技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合具體的施工項(xiàng)目，著重關(guān)注了新舊橋梁的沉降差異、剛度差異性、偏載等問題，結(jié)合問題提出了合理的優(yōu)化建議。