高速公路空心板橋梁拼寬方案研究

李 濤，胡清和

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，已建成的高速公路已經(jīng)難以滿足日益增長(zhǎng)的交通流量需求。高速公路改擴(kuò)建成為“十三五”期間高速建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)之一[1]。

以安徽省為例，目前國(guó)土空間規(guī)劃中滁新高速淮南至阜陽段、濟(jì)廣高速阜陽至周集段、京臺(tái)高速合徐南段、寧洛高速界首至蚌埠段、滬陜高速大顧店至葉集段均有“四改八”改擴(kuò)建規(guī)劃。

早期高速公路20 m以下跨徑90%以上采用預(yù)制裝配式空心板結(jié)構(gòu)[2]。在某高速公路“四改八”工程施工圖設(shè)計(jì)中，對(duì)空心板橋梁拼寬進(jìn)行了相關(guān)研究，可供后期高速公路“四改八”橋梁工程設(shè)計(jì)時(shí)參考借鑒。

1 空心板橋梁使用現(xiàn)狀

裝配式預(yù)應(yīng)力空心板橋由于施工方便、造價(jià)低廉，在高速公路橋梁建設(shè)中大規(guī)模使用，孔徑主要有10、13、16、20 m。

根據(jù)近期對(duì)安徽省現(xiàn)有高速公路空心板橋梁的檢測(cè)情況，既有空心板梁橋大多使用狀況良好，由于鉸縫失效造成單板受力病害情況出現(xiàn)較少[3，4]，大部分橋梁均為2類橋以上，如果全部拆除新建必然會(huì)造成資源浪費(fèi)，因此改擴(kuò)建應(yīng)以橋梁拼寬為主。

2 拼寬方案

2.1 總體拼寬方案

目前高速公路改擴(kuò)建采用的拼寬方案主要有以下三種[5]：

(1) 橋梁上、下部均不連接，形成獨(dú)立收力體系。

(2) 橋梁上、下部均連接。

(3) 橋梁上部連接，下部不連接。

其中方案(1)橋面易損壞，影響行車安全和路面美觀；方案(2)成本高、工期長(zhǎng)；方案(3)利于施工，利于橋梁受力，利于橋面整體化，推薦采用。本方案已在滬寧、杭甬、合寧等高速擴(kuò)建中成功運(yùn)用。

2.2 上部結(jié)構(gòu)選擇

由于原高速公路預(yù)制裝配式空心板梁高較低，受道路凈高控制，拼寬時(shí)若選擇梁高相差較大的上部結(jié)構(gòu)，則下方道路需下挖改建，影響通行且增加工程投入。目前部頒預(yù)制裝配式空心板橋圖紙僅在原標(biāo)準(zhǔn)圖紙基礎(chǔ)上增加5～10 cm梁高，對(duì)凈空影響較小。

2.3 保通方案

以往高速公路“四改八”橋梁改擴(kuò)建過程中，為滿足施工需要，往往需采用“半幅封閉，半幅通行”的方式，僅采用雙車道保通，對(duì)交通影響大，常會(huì)帶來一定的行車負(fù)面情緒。為保證施工期間四車道保通，同時(shí)為確保橋梁拼接縫澆筑質(zhì)量，提高拼接橋梁耐久性，常采用臨時(shí)連接保通、半幅超加寬保通、設(shè)置鋼夾具保通三種方案。結(jié)合相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，采用臨時(shí)連接保通方式可以有效節(jié)約資源，減小投入。

具體保通方案如下：

(1) 原有橋梁四車道通行，同步完成兩側(cè)拼寬梁板架設(shè)(圖1)。

圖1 空心板拼寬保通方案階段一

(2) 拆除臨時(shí)保通側(cè)老橋護(hù)欄，設(shè)置臨時(shí)隔離設(shè)施，臨時(shí)彎折新橋板懸臂鋼筋，設(shè)置T型鋼板，敷設(shè)橋面鋪裝，將車道轉(zhuǎn)移至保通側(cè)，雙向四車道通行。銑刨另半幅橋梁瀝青路面，鑿除部分鋪裝和空心板懸臂，拆除老橋護(hù)欄(圖2)。

圖2 空心板拼寬保通方案階段二

(3)結(jié)合具體改擴(kuò)建方案頂升非保通側(cè)原橋，進(jìn)行永久性連接，并完成橋面鋪裝。

(4)將車輛轉(zhuǎn)移至已完成拼接半幅,雙向四車道通行。銑刨原保通側(cè)臨時(shí)鋪裝瀝青及局部中面層瀝青，鑿除局部橋面及原板懸臂，根據(jù)改擴(kuò)建方案頂升原橋后進(jìn)行永久性連接。最后恢復(fù)雙向八車道通行。

2.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

針對(duì)高速公路“四改八”標(biāo)準(zhǔn)斷面(既有橋梁段為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板，共11片邊板寬1.435 m，中板寬1.17 m，鉸縫0.01 m。拼寬段裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板共5片，外側(cè)邊板寬1.62 m，內(nèi)邊板及中板寬1.24 m)，采用有限元分析軟件MIDAS CIVIL對(duì)拼寬前后橋梁進(jìn)行整體分析。實(shí)際項(xiàng)目老橋?yàn)?004年建成，較有代表性。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下[6]：

(1) 橋梁總寬度41.5 m；凈寬2×19.25 m。

(2) 設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

(3) 設(shè)計(jì)荷載:公路-I級(jí)。

(4) 設(shè)計(jì)行車速度：100 km/h。

車道荷載按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)[7]中的新車道荷載考慮。其中10 m空心板為鋼筋混凝土構(gòu)件，13、16、20 m跨徑空心板為A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。

計(jì)算要點(diǎn)如下：

(1) 本計(jì)算按后張法部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計(jì)，橋面鋪裝層100 mm混凝土不參與截面組合作用。

(2) 根據(jù)組合空心板橫斷面，采用荷載橫向分布系數(shù)的方法將組合空心板簡(jiǎn)化為單片梁進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方式采用鉸接板法。

(3) 預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力值，混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%時(shí)才允許張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。

(4) 計(jì)算混凝土收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失時(shí)張拉錨固齡期為7 d。

(5) 環(huán)境平均相對(duì)濕度RH=70%，混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)按規(guī)范規(guī)定取值[8]。

(6) 承載能力檢算系數(shù)應(yīng)結(jié)合實(shí)際橋梁情況確定，本橋采用0.90[9]。

按照單梁模型建模，橫向系數(shù)通過鉸接板梁法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1～表4。

表1 成橋階段正截面抗彎承載力計(jì)算結(jié)果

表2 成橋階段斜截面抗彎承載力計(jì)算結(jié)果

表3 成橋階段正截面抗裂計(jì)算結(jié)果

表4 成橋階段斜截面抗裂計(jì)算結(jié)果

由表4可知，各跨徑空心板橋成橋后斜截面抗裂滿足要求。綜合計(jì)算結(jié)果得出成橋后空心板橋梁縱向靜力計(jì)算結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求。

縱向梁?jiǎn)卧獙?duì)于濕接縫受力計(jì)算存在相當(dāng)?shù)氖д妫瑸楦媚M濕接縫在荷載作用下的受力情況，采用MIDAS FEA建立全橋模型[10]。上部結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬20 m跨徑空心板橋(圖3)，忽略普通鋼筋對(duì)混凝土抗拉的貢獻(xiàn)。每塊板底按雙支座一般支撐模擬，一端約束y、z方向平動(dòng)位移，另一端約束z方向平動(dòng)位移，釋放了所有旋轉(zhuǎn)位移。

圖3 空心板實(shí)體單元模型

車輛荷載分為兩方面進(jìn)行布置：

(1) 車輛荷載縱向布置:車輛荷載選用55 t標(biāo)準(zhǔn)車，重車車輪布置在跨中位置。

(2) 車輛荷載橫向布置:車輛荷載橫向布置采用兩種方式，工況一為偏載模式，此時(shí)接縫上緣橫向拉應(yīng)力最大，下緣橫向壓應(yīng)力最大；工況二為重車車輪作用在拼接縫模式，此時(shí)接縫下緣橫向拉應(yīng)力最大，上緣橫向壓應(yīng)力最大。計(jì)算濕接縫，結(jié)果為：① 縫處橫橋向最大拉應(yīng)力為8.3 MPa，發(fā)生在接縫下緣支點(diǎn)處角點(diǎn)，范圍較小;接縫上緣跨中最大橫橋向拉應(yīng)力為1.9 MPa，接縫上緣支點(diǎn)拉應(yīng)力在5～8 MPa，拉應(yīng)力支點(diǎn)較大，從支點(diǎn)到跨中整體遞減;② 接縫處橫橋向最大壓應(yīng)力為18 MPa，發(fā)生在接縫下緣支點(diǎn)處，小于0.6×fck，滿足要求;③ 對(duì)于拼寬橋梁，由于修建時(shí)間較長(zhǎng)，原橋基礎(chǔ)沉降已基本完成，而拼寬部分的基礎(chǔ)還有可能發(fā)生沉降，整體沉降差必然存在，沉降差會(huì)在橋梁梁體，特別是拼接縱縫中產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全及正常使用。假設(shè)新橋基礎(chǔ)沉降按線性規(guī)律反映到新橋空心板，分別取新橋最大沉降量為3、5 mm進(jìn)行分析,結(jié)果見表5。

表5 沉降引起的截面應(yīng)力結(jié)果

由表5可見，沉降引起的接縫混凝土應(yīng)力隨著沉降量的增加而顯著增大的趨勢(shì)，極易造成混凝土開裂。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)新建橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的處理，以保證其沉降值在許可的范圍之內(nèi)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果采取措施如下：

(1)因考慮接縫在梁端部受力較大的因素，在支點(diǎn)1.5 m范圍內(nèi)采用加厚處理。

(2)支點(diǎn)1.5 m 范圍內(nèi)將橋面鋪裝層內(nèi)的鋼筋直徑變?yōu)?6 mm，以提高濕接縫橋面處抗裂能力。

(3)由于沉降產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力水平較高，適當(dāng)加大樁長(zhǎng)、樁徑，控制新樁總的沉降量，如工期允許，建議延后新老空心梁的拼接時(shí)間，可在吊裝完新空心梁后放置6個(gè)月以上時(shí)間，既可減小新、老空心梁的收縮徐變差的影響，也可降低新老基礎(chǔ)的沉降差；

(4)在接縫處采用抗裂性能好的高性能混凝土。

3 結(jié)束語

本文在實(shí)際高速公路空心板拼寬工程基礎(chǔ)上，通過對(duì)多種跨徑高速公路空心板拼寬進(jìn)行研究，采用臨時(shí)鋪設(shè)鋼板連接滿足雙向四車道保通下對(duì)橋梁整體、局部分別進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，得出：

(1)選取代表性的空心板老橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，拼寬后，橋梁縱向靜力計(jì)算結(jié)果滿足新規(guī)范需要。

(2)采用濕接縫連接新老空心板橋時(shí)，為保證橋梁耐久性，濕接縫端部應(yīng)予以加厚。

(3)新橋沉降對(duì)濕接縫受力影響巨大，有條件的工程應(yīng)盡量先期施工新橋，盡量待樁基沉降完全后永久連接新老橋梁。