高速公路橋梁拓寬關(guān)鍵技術(shù)分析研究

何玉寶 曹 景 謝 斌

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院, 天津 300051)

高速公路橋梁拓寬關(guān)鍵技術(shù)分析研究

何玉寶*曹 景 謝 斌

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院, 天津 300051)

橋梁拓寬是高速公路拓建中的技術(shù)關(guān)鍵所在，以唐津高速公路擴(kuò)建中橋梁拓寬工程為依托，針對(duì)橋梁上下部結(jié)構(gòu)的拓寬方式、橫向拼接技術(shù)、新老結(jié)構(gòu)收縮徐變效應(yīng)及沉降的控制方法等問(wèn)題開(kāi)展研究。經(jīng)理論分析和試驗(yàn)研究，采用了新老橋上部連接下部不連的拓寬方案，提出了調(diào)整與老梁拼接新梁鋼筋配置和延后拼接時(shí)間減小收縮徐變效應(yīng)的方法，以及采取了樁底壓漿技術(shù)減小沉降、提高承載力的措施。研究成果已成功用于唐津高速拓寬工程中，對(duì)類似的橋梁橫向拓寬工程也有一定的工程參考價(jià)值。

拓寬方式， 拼接設(shè)計(jì)， 收縮徐變， 沉降差， 樁底注漿

1 工程概況

唐津高速公路分為北段一期、北段二期和南段。北段一期工程1998年10月建成通車，長(zhǎng)度42.96 km；北段二期工程2000年10月建成通車，長(zhǎng)度17.0 km；南段于2003年建成通車，長(zhǎng)度66 km，高速全長(zhǎng)共126.66 km。近些年來(lái)交通量快速增加,原設(shè)計(jì)的雙向4車道路幅已嚴(yán)重不能滿足交通量的需求,制約了其快速通道的發(fā)揮作用,因此對(duì)其的拓寬改造已刻不容緩。公路全線橋梁的上部結(jié)構(gòu)主要為10 m、13 m先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁[1]；16 m和20 m先張、后張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁；20 m、25 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T梁及連續(xù)梁，尚有較多的中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制混凝土梁(板)。為了使拓寬工程達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理、可行[2]的目標(biāo)，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)提出了如下原則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

(1)拓建工程在既有道路走廊內(nèi)進(jìn)行，采用兩側(cè)拼接為主、局部分離的總體方案。拓建后公路總體實(shí)現(xiàn)雙向6車道，路基寬度34.5 m；局部雙向8車道，分離路段路基寬度43 m(13.5 m+26 m+13.5 m)。

(2)為了利于新老橋梁的拼接，拓建橋梁采用與相應(yīng)原橋相同的跨徑和相同的上部結(jié)構(gòu)形式，即采用“同結(jié)構(gòu)、同跨徑”的構(gòu)造原則。

(3)為維持被交鐵路的通行凈空標(biāo)準(zhǔn)不變，拓寬部分的上部結(jié)構(gòu)采取降低建筑高度的措施；對(duì)于被交高速、地方路等情況，則采取減少原富余的凈空高度或采取降低地方道路的標(biāo)高等措施。

(4)公路從原斷面雙向4車道拓建為6車道后，橋面橫向布置將由原來(lái)的雙幅橋面全寬26 m，即：2×[0.75 m(中護(hù)欄)+凈11.25 m+0.5 m(邊護(hù)欄)]+1.0 m(橋間間距)，拓寬為雙幅全寬34.0 m，即2×[l.0 m(中護(hù)欄)+凈15.0 m+0.5 m(邊護(hù)欄)]+1.0 m(橋間間距)，北段兩側(cè)各加寬4.0 m，南段兩側(cè)各加寬3.25 m。

圖1 拓寬前后的橋面橫向布置(單位:cm)

2 新老橋梁拼接方式與構(gòu)造

目前，新老橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的拼接方式可分為三種：①新老橋梁的上、下部結(jié)構(gòu)均不連接；②新老橋梁的上、下部結(jié)構(gòu)均連接；③新老橋梁的上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)分離。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多條高速公路橋梁拓寬工程運(yùn)營(yíng)情況的調(diào)研與考察，并結(jié)合唐津高速沿線軟基路段很長(zhǎng)、橋梁基礎(chǔ)沉降量較大的特點(diǎn)，確定采用上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)分離的拓寬方式。同時(shí)，針對(duì)不同的上部結(jié)構(gòu)類型，進(jìn)行從老橋施工至新老橋拼接后長(zhǎng)期正常使用的全過(guò)程分析，提出如下拼接構(gòu)造：

2.1 板梁的橫向拼接

新橋上部結(jié)構(gòu)采用原有的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，橫向?qū)?yīng)位置相互拼接拓寬。具體的拼接方式分為兩種。

1) 原橋邊板重做

由于采用原邊板直接與拓寬結(jié)構(gòu)拼接的方式，原邊板的荷載橫向分布系數(shù)將會(huì)增大，邊板上橋面附屬構(gòu)造的拆除也會(huì)導(dǎo)致其損傷，故考慮將原邊板拆除并原位更換一片與原外形一致的邊板。該邊板的外側(cè)懸臂板端預(yù)留鋼筋，與其相鄰加寬部分內(nèi)邊板的懸臂板也類似地預(yù)留鋼筋；然后將這兩懸臂板對(duì)應(yīng)位置的鋼筋焊接，現(xiàn)澆接縫混凝土后實(shí)現(xiàn)拼接，見(jiàn)圖2。

圖2 板梁拼接方式一

2) 原橋邊板保留

對(duì)于原邊板懸臂較大的情況(大于50 cm)，采用將原邊板懸臂部分人工鑿除并確保不損傷主體結(jié)構(gòu)，通過(guò)縮短懸臂長(zhǎng)度減小原邊板的橫向分布系數(shù)；保留鑿除部分懸臂板的鋼筋并植入新鋼筋[3]，然后將這些鋼筋與加寬部分內(nèi)邊板懸臂板對(duì)應(yīng)位置的預(yù)留鋼筋焊接，現(xiàn)澆混凝土后實(shí)現(xiàn)拼接，見(jiàn)圖3。

圖3 板梁拼接方式二

2.2 T梁的橫向拼接

先將原橋外側(cè)邊T梁拆除后更換為新T梁，加寬部分的T梁則調(diào)整其懸臂長(zhǎng)度和濕接縫的寬度，各T梁對(duì)應(yīng)橫梁的鋼筋焊接，采用現(xiàn)澆混凝土實(shí)現(xiàn)剛性連接。采用該連接方式后，橋梁整體性好、后期沉降等因素不容易引起連接部位開(kāi)裂，見(jiàn)圖4。

圖4 T梁拼接方式

2.3 箱梁的橫向拼接

箱梁拼接時(shí)僅將新箱梁與原箱梁的懸臂板橫向連接在一起。但新老箱梁懸臂板連接后，應(yīng)考慮到老箱梁懸臂板原橫向設(shè)計(jì)受力情況的變化(原來(lái)主要承擔(dān)負(fù)彎矩)。具體拼接方式如下。

1) 懸臂板部分鑿除后拼接

鑿除原箱梁一定長(zhǎng)度范圍的懸臂板，露出懸臂板鋼筋，將原箱梁懸臂板的鋼筋與新箱梁懸臂處預(yù)留鋼筋焊接，然后澆筑新老梁懸臂端處的濕接縫混凝土，見(jiàn)圖5。

圖5 箱梁拼接方式一

2) 懸臂板部分切除真縫對(duì)接

對(duì)于錯(cuò)跨布置的箱梁[5]，切除原箱梁一定長(zhǎng)度的懸臂板，同時(shí)新老箱梁懸臂板之間設(shè)置1cm真縫，待橋面鋪裝施工完成后采用反開(kāi)槽方式施做水泥混凝土，真縫間采用注膠方式填充，見(jiàn)圖6。

圖6 箱梁拼接方式二

3 新老橋梁拼接后的受力及應(yīng)對(duì)措施

新老橋梁采用上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)分離的構(gòu)造方式后，需對(duì)新老梁的混凝土收縮徐變、濕接縫的厚度及新老結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)差異沉降等不利影響，進(jìn)行分析并提出應(yīng)對(duì)措施，以確保新老梁拼接成功。下面以跨徑16m板梁橋?yàn)槔?，采用Midas FEA軟件建立橋梁實(shí)體模型，進(jìn)行從老橋施工至新老橋拼接后長(zhǎng)期正常使用的全過(guò)程分析[4]。

3.1 混凝土收縮徐變效應(yīng)

施工階段(原橋板梁吊裝后初期)，板梁的縱向正應(yīng)力基本處在-11.62～1.52 MPa。原橋中板跨中截面的上緣縱向壓應(yīng)力為-0.33 MPa左右，下緣壓應(yīng)力為-10.85 MPa；邊板上緣應(yīng)力為-0.43 MPa，下緣應(yīng)力為-10.20 MPa。板梁跨中截面縱向正應(yīng)力分布見(jiàn)圖7。

圖7 原橋板梁吊裝后初期跨中截面上下緣縱向正應(yīng)力(單位：MPa)

施工階段(新橋板梁徐變收縮10年后)，板梁縱向正應(yīng)力為-9.76～0.53 MPa。原橋中板跨中截面上緣縱向壓應(yīng)力為-8.85 ～-6.49 MPa，下緣壓應(yīng)力為-9.33～-6.54 MPa；原橋邊板跨中上緣應(yīng)力為-5.81 MPa，下緣應(yīng)力為-6.51 MPa；新橋邊板(含老橋更換的新邊板)跨中上緣應(yīng)力為-5.42～-2.85 MPa，下緣應(yīng)力為-5.06～-1.77 MPa。板梁跨中截面縱向正應(yīng)力分布見(jiàn)圖8。

上述各施工階段板梁跨中截面縱向正應(yīng)力見(jiàn)表1。

圖8 新橋板梁徐變收縮10年后跨中截面上下緣縱向正應(yīng)力(單位：MPa)

表1 跨中截面縱向正應(yīng)力

Table 1 Longitudinal stresses in the mid-span cross section MPa

從表1跨中截面應(yīng)力可知，徐變收縮使新老板梁應(yīng)力趨于不均勻?？拷聵騻?cè)老橋Lz1板的壓應(yīng)力較大，而遠(yuǎn)處的壓應(yīng)力逐漸減小，上下緣應(yīng)力具有類似的變化規(guī)律。新橋板梁的應(yīng)力表現(xiàn)為越靠近老板梁壓應(yīng)力越小，其中老橋更換的新板Xb2板應(yīng)力變化較大。混凝土收縮徐變對(duì)原橋更換的新板Xb2板及老板Lz1板應(yīng)力的影響最大。

2.2 基礎(chǔ)沉降差影響

新老橋梁沉降差會(huì)明顯增大橋面鋪裝的拉應(yīng)力，且量值與濕接縫的厚度有關(guān)。與濕接縫相鄰的兩個(gè)接縫處鋪裝層將產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力帶。即在老橋更換的新板Xb2與老板Lz1之間的鋪裝層及新中板Xz1與新邊內(nèi)板Xb3之間的鋪裝層，前者的上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力帶、下緣出現(xiàn)壓應(yīng)力帶，后者則上緣產(chǎn)生壓應(yīng)力帶。

濕接縫厚度越大，Xb3板與Xb2連接的剛度就越大，引起的拉壓應(yīng)力帶越明顯。新老橋沉降差10 mm時(shí)，不同濕接縫厚度的鋪裝層縱向拉應(yīng)力基本處在2.3 MPa，橫向拉應(yīng)力均約為13.0 MPa；近支點(diǎn)附近橫向最大拉應(yīng)力可達(dá)到15.5 MPa。

濕接縫的應(yīng)力與其厚度有關(guān)。根據(jù)分析結(jié)果，濕接縫的控制拉應(yīng)力位于支點(diǎn)正面下緣(表面),橫向正應(yīng)力、背面支點(diǎn)上緣橫向正應(yīng)力及近支點(diǎn)的橫向最大拉應(yīng)力，見(jiàn)表2。

表2 板梁主要截面的濕接縫應(yīng)力

Table 2 Stresses in wet joints of the main cross sections in plate girders

圖9分別列出三種濕接縫厚度情況下，沉降差引起的橫向控制拉應(yīng)力。從圖中可見(jiàn)，濕接縫厚度越大，橫向拉應(yīng)力越??；但當(dāng)濕接縫厚度大于20 cm時(shí)，拉應(yīng)力反而增大。

圖9 沉降差引起的濕接縫橫向控制拉應(yīng)力

3.3 主要應(yīng)對(duì)措施

(1) 混凝土收縮徐變效應(yīng)。新老板梁混凝土收縮徐變差異，使得板梁的應(yīng)力趨于不均勻化，收縮徐變對(duì)原橋更換的新板Xb2板及原板Lz1板應(yīng)力的影響最大。相應(yīng)的措施為：首先調(diào)整這些板梁的配筋，確保它們的應(yīng)力滿足使用階段要求；同時(shí)通過(guò)調(diào)整新老板梁的拼接時(shí)間以減小拼接后收縮徐變的影響，拼接時(shí)間一般控制在3～4個(gè)月以上。

(2) 基礎(chǔ)沉降差影響。控制新老橋之間的沉降差，是保證板梁拼接效果的主要因素。為此，對(duì)鉆孔灌注樁樁底采用后注漿措施，將漿液壓入樁端土層，通過(guò)對(duì)沉渣滲透、填充、壓密、劈裂、固結(jié)等作用增強(qiáng)樁端土的強(qiáng)度，達(dá)到提高樁基極限承載力、減少樁沉降量的目的。表3給出了壓漿對(duì)樁尖承載力提高的效果[5]。

表3 壓漿對(duì)樁尖承載力提高的效果

Table 3 Improvement of bearing capacity of pile tip due to grouting

通過(guò)樁底注漿可有效提高樁基的承載力，提高比例約為28%，同時(shí)其樁尖承載力的比例也由原來(lái)的7.5%可提高至約15%。這項(xiàng)措施也將有效減少樁的沉降量。

(3) 新老板梁濕接縫厚度影響。濕接縫厚度越大橫向拉應(yīng)力越小，但當(dāng)濕接縫厚度大于20 cm時(shí)拉應(yīng)力反而增大。若以橫向最大拉應(yīng)力的指標(biāo)判別沉降差，則以單位mm沉降差為標(biāo)準(zhǔn)，濕接縫18 cm厚的應(yīng)力為0.255 MPa/mm，20 cm厚時(shí)為0.193 MPa/mm，25 cm厚時(shí)為0.198 MPa/mm。因此，濕接縫選擇合適的寬厚比(厚度宜控制在20 cm左右)對(duì)其變形的適應(yīng)性會(huì)更好，更利于新老結(jié)構(gòu)間的協(xié)調(diào)作用。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)對(duì)已有工程情況調(diào)研分析，結(jié)合唐津高速情況，橋梁整體拓寬方案選用上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)分離的方式是合理、可行的。

(2) 選取橋梁拓寬方案需要考慮諸多因素，如原橋的技術(shù)狀況、沿線的地質(zhì)條件、合理的拼接方式、新老結(jié)構(gòu)間的變形協(xié)調(diào)、新老結(jié)構(gòu)的合理拼接時(shí)間等。

(3) 新老板梁之間混凝土收縮徐變差效應(yīng)、新老基礎(chǔ)沉降差影響，都是橋梁拼接設(shè)計(jì)的技術(shù)重點(diǎn)。針對(duì)性的設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工措施是確保結(jié)構(gòu)受力滿足要求的關(guān)鍵。

(4) 實(shí)踐表明，樁底后注漿技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、造價(jià)低的特點(diǎn)，可作為減少樁沉降量的一項(xiàng)技術(shù)措施。

(5) 唐津高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目探討的橋梁加寬設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則及技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)橋梁拼接加寬不同方式優(yōu)缺點(diǎn)的分析結(jié)果，對(duì)類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)將有所幫助。

[1] 中交公路規(guī)劃學(xué)設(shè)計(jì)院.JTGD 60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2004.

CCCC Highway Construction Co. Ltd. JTGD 60—2004 General code for design of highway bridges and culverts [S]. Beijing: People Transportation Press, 2004 (in Chinese)

[2] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

Fan Lichu. Bridge engineering[M]. Beijing: People Transportation Press, 2001.(in chinese)

[3] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB 50367—2006 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006．

Ministry of Construction of the People ’s Republic of China． GB 50367—2006 Design code for strengthe-ning concrete structure [S]． Beijing: China Architec-ture and Building Press，2006． ( in Chinese)

[4] 譚茶生,溫靖贊,曾慶敦.混凝土橋面鋪裝層受力分析研究[J].結(jié)構(gòu)工程師,2006, 22 (5 ):34-39.

Tan Chasheng, Wen Jingzun, Zeng Qingdun. Investi-gation into mechanical analysis of concrete bridge o-verlays [J]. Structural Engineers, 2006, 22 (5): 34-39. (in Chinese )

[5] 劉偉偉,巢斯.鉆孔灌注樁后注漿的分析和探討[J].結(jié)構(gòu)工程師,2010,26(6):84-88.

Liu Weiwei, Chao Si. Discussion and analysis on post-grouted bored pile [ J ] .Structural Engineers,2010,26(6) :84-88. (in Chinese)

Analysis of Key Technology in Expressway Bridge Widening

HE Yubao*CAO Jing XIE Bin

(Tianjin Municipal Engineering Design Institute，Tianjin 300051, China)

Bridge Widening is the key technology in the reconstruction projects for highway extension. Based on the project of bridge widening in Tangjin Expressway extension, the problems have been researched which are related to bridge superstructure and substructure widening methods, transverse jointing technology, shrinkage and creep effects and settlement control methods of the new and old structures. A widening solution, joining the superstructure and keeping the substructure separated between the new and old structures, is adopted base on theoretical analysis and experiments. Besides, other measures have also been proposed that adjusting the configuration of the steel bars in new girders, postponing the jointing of superstructures in order to mitigate the shrinkage and creep effects and grouting at the piles’bottoms to reduce the settlement and enhance the load carrying capacity. The research results have been successfully used in Tangjin expressway widening project, which is worth referring to for other similar bridge transverse widening projects.

widening methods, jointing design, shrinkage and creep, settlement differences, pile bottom grouting

2014-03-14

*聯(lián)系作者，Email:33128579@qq.com