烏奎高速公路改擴建工程橋梁拼接方案研究

程宇飛

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，烏魯木齊 830006)

連霍高速(G30)新疆境內(nèi)烏魯木齊至奎屯段(簡稱烏奎高速)是國家公路網(wǎng)的重要組成部分，也是新疆交通運輸網(wǎng)絡(luò)東聯(lián)西出的主動脈，直接服務(wù)于國務(wù)院批準(zhǔn)的“絲綢之路經(jīng)濟帶”和“天山北坡經(jīng)濟帶”。烏奎高速為4車道高速公路，路基寬度26 m。老橋上部結(jié)構(gòu)主要為鋼筋混凝土空心板、預(yù)應(yīng)力空心板和小箱梁。烏奎高速改擴建采用沿老路兩側(cè)加寬為42 m的8車道擴建方案，2019年10月項目建成通車。因烏奎高速橋梁構(gòu)造物運營期跨越了新、舊規(guī)范2套體系的服役期，所以在橋梁改擴建設(shè)計中，正確理解和運用新、舊規(guī)范，確定合理的拼接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是控制工程質(zhì)量和投資的關(guān)鍵因素。

1 橋梁結(jié)構(gòu)拼接設(shè)計方案研究

拼接設(shè)計首先應(yīng)對老橋承載力、基礎(chǔ)不均勻沉降、混凝土徐變變形、汽車荷載作用對原結(jié)構(gòu)和拼接處的受力狀況和影響程度等進(jìn)行分析驗算，在滿足承載能力前提下確定合理的拼接方式和控制標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)分析驗算采用橋梁博士、Midas Civil對老橋分別按85版[1-2]、04[3-4]版規(guī)范分別驗算；加寬后整體結(jié)構(gòu)按04版規(guī)范驗算。

1.1 規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

1) 新、舊規(guī)范材料特性對比

(1) 混凝土。以85版規(guī)范C40混凝土為例，與04版規(guī)范相應(yīng)材料對比分析，如表1所示。

(2) 鋼筋(鋼絞線)。85版規(guī)范：Ⅱ級鋼筋fsd=340 MPa,Φ5碳素鋼絲fpd=1 280 MPa；04版規(guī)范：HRB335鋼筋fsd=280 MPa，Φ5碳素鋼絲fpd=1 088 MPa。

表1 C40與C38混凝土材料特性對比

注：EC為混凝土彈性模量。

2) 荷載作用對比

(1) 汽車荷載。04版規(guī)范公路-Ⅰ級最大正彎矩較85版規(guī)范汽車超-20級平均增大約18%，最大負(fù)彎矩平均減小約9%。

(2) 沖擊系數(shù)。04版規(guī)范沖擊系數(shù)比85版規(guī)范增大25%～72%，在承載能力計算時應(yīng)計入汽車沖擊力影響。

3) 承載能力極限狀態(tài)

鋼筋混凝土構(gòu)件04版規(guī)范與85版規(guī)范承載能力比值1.000～1.029；預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件比值1.035～1.062，04版規(guī)范較85版規(guī)范承載力增加1%～6%。

4) 梯度溫度作用

85版規(guī)范給出的溫度梯度作用產(chǎn)生的效應(yīng)較小，一般不控制設(shè)計。04版規(guī)范溫度梯度結(jié)構(gòu)效應(yīng)增長較大，應(yīng)考慮相應(yīng)荷載組合設(shè)計。

綜上，按照 04版規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計更接近工程實際，計算結(jié)果更合理，故烏奎高速改擴建橋梁拼接結(jié)構(gòu)的安全和耐久性分析計算均按04版規(guī)范執(zhí)行。

1.2 新、老橋梁拼接驗算分析

烏奎高速老橋以預(yù)應(yīng)力空心板為主(占比75%以上)，本文以20 m預(yù)應(yīng)力空心板進(jìn)行分析研究，為新、老橋梁拼接加寬探索合理的理論依據(jù)和可行拼接方式。

1) 20 m預(yù)應(yīng)力空心板結(jié)構(gòu)分析

空心板有限元模型劃分為32個單元，如圖1所示。采用鉸接板(梁)法計算橫向分布系數(shù)，按85版、04版規(guī)范分別對最不利邊板和中板進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算。

單位：cm

2) 承載能力極限狀態(tài)分析

承載能力極限狀態(tài)分析結(jié)果如表2所示。由表2可知，老橋20 m空心板主要控制截面承載能力均能滿足85版、04版規(guī)范要求，且承載能力安全儲備較大。

表2 承載能力極限狀態(tài)彎矩及抗彎承載能力

3) 正常使用極限狀態(tài)分析

85版、04版規(guī)范正常使用極限狀態(tài)分析結(jié)果如表3、表4所示。由表3、表4可知，老橋20 m空心板正常使用極限狀態(tài)分析計算表明，各主要截面控制應(yīng)力滿足85版、04版規(guī)范要求。

表3 85版規(guī)范正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力 MPa

表4 04版規(guī)范正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力 MPa

4) 整體加寬橋梁承載能力分析

烏奎高速改擴建老橋?qū)挾?6 m，拼接加寬后橋梁整體寬度42 m，兩側(cè)各加寬8 m，如圖2所示。

單位:cm

整體加寬后橋梁承載能力分析結(jié)果如表5所示。由表5可知，老橋20 m空心板拼接加寬后，整體結(jié)構(gòu)承載能力滿足04版規(guī)范要求，且橋梁各控制截面均有不同程度的安全儲備。

表5 加寬后橋梁承載能力極限狀態(tài)彎矩、抗彎承載能力

整體加寬后橋梁正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果如表6所示。由表6可知，老橋20 m空心板拼接加寬后，各截面正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力滿足04版規(guī)范要求。

表6 加寬后橋梁正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力 MPa

綜上分析，烏奎高速老橋20 m空心板拼接加寬后，各截面承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)下計算結(jié)果均能夠滿足85版、04版規(guī)范要求，老橋上部結(jié)構(gòu)無需加固可直接進(jìn)行拼接加寬[5]。另外, 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》已于2018年11月1日正式實施，汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，與04版規(guī)范一致，烏奎高速運營階段全線構(gòu)造物限重49 t，各互通立交出入口均設(shè)置有超重檢測站和勸返車道，老橋整體加寬后承載能力能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2 橋梁拼寬方案研究

經(jīng)對國內(nèi)高速公路改擴建項目新、老橋梁3種拼接模式的研究，確定烏奎高速橋梁擴建方案采用“上連下不連”的拼接方案，加寬橋采用與老橋同結(jié)構(gòu)、同跨徑、剛度相近形式[6]。針對空心板、T梁、小箱梁分別采用鉸接、剛接和縱向伸縮縫連接方式；另外，烏奎高速沿線地質(zhì)狀況主要以粘土、砂礫、漂、卵石地層為主，加寬橋部分下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，并適當(dāng)增大基樁的樁長、樁徑，以確保新、老橋梁工后基礎(chǔ)沉降差不超過5 mm[7]，防止運營期內(nèi)橋面產(chǎn)生較大的縱向裂縫。

2.1 20 m空心板拼接方案

因加寬新建橋20 m空心板與老橋空心板在板高、板寬、懸臂長度等方面存在一定尺寸差異[8]，結(jié)合烏奎高速橋梁擴建方案確定的“上連下不連”總體拼接方案[9]，提出以下5個比選方案，各連接方案優(yōu)缺點如表7所示。

1) 方案1：濕接縫連接。老橋與加寬橋間由現(xiàn)澆混凝土濕接縫連接形成整體，在空心板端部各設(shè)1道50 cm厚的橫梁，加強其整體性。加寬橋架設(shè)100 d后進(jìn)行濕接縫連接，以減少混凝土收縮徐變及新、老基礎(chǔ)沉降影響。

2) 方案2：鉸縫連接。老橋外側(cè)邊板有懸臂時，首先切除懸臂，加寬橋空心板與老橋之間預(yù)留5 cm形成鉸縫，由現(xiàn)澆混凝土鉸縫將原橋與加寬橋連接形成整體。加寬橋架設(shè)100 d后進(jìn)行鉸縫連接，減少收縮徐變及基礎(chǔ)沉降的影響。

表7 新、老橋梁拼接加寬方案對比

3) 方案3：橫隔板連接。老橋與加寬橋間現(xiàn)澆混凝土橫隔板，其它部分橋面連續(xù)，二者連接形成整體。在空心板端部及端部2 m處設(shè)置橫隔板，其余段落按4 m間距設(shè)置。加寬橋架設(shè)100 d后進(jìn)行橫隔板連接，減少收縮徐變及基礎(chǔ)沉降影響。

4) 方案4：混凝土鉸連接。老橋與加寬橋間設(shè)置25 cm寬的混凝土鉸連接，兩者連接形成整體。加寬橋架設(shè)不少于180 d后，再進(jìn)行混凝土鉸連接，減少收縮徐變及基礎(chǔ)沉降的影響[10]。

5) 方案5：縱向橋面連續(xù)。老橋與加寬橋空心板間以縱向橋面連續(xù)連接，加寬橋與原橋懸臂間設(shè)置2 cm縫(縫內(nèi)填塞彈性材料)。加寬橋架設(shè)120 d后，進(jìn)行縱向橋面連續(xù)施工，減少收縮徐變及基礎(chǔ)沉降影響。

經(jīng)綜合比選上述5個拼接方案，烏奎高速老橋與加寬橋間采用現(xiàn)澆混凝土濕接縫連接形成整體，確保新老結(jié)構(gòu)整體共同受力[11-12]，如圖3(a)所示；另于空心板兩端各設(shè)置1道50 cm厚的橫梁，如圖3(b)所示；抵抗因收縮徐變和基礎(chǔ)沉降等產(chǎn)生的附加內(nèi)力及變形，加寬橋空心板架設(shè)100 d后進(jìn)行橫接板澆筑。

(a) 濕接縫連接構(gòu)造

(b) 端部橫梁連接構(gòu)造

2.2 基礎(chǔ)差異沉降對橋梁拼接影響分析

1) 基礎(chǔ)差異沉降對新、老邊板影響

烏奎高速至今已運營近16年，老橋基礎(chǔ)沉降已趨于穩(wěn)定，新建基礎(chǔ)沉降尚在發(fā)展中[13]。拼接設(shè)計中假定老橋基礎(chǔ)不沉降，新橋基礎(chǔ)沉降值作為兩者之間的沉降差△。因新橋基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)各片主梁沉降值計算按線性變化模式假定，如圖4所示。

圖4 20 m空心板梁沉降示意

新、老橋基礎(chǔ)沉降差△導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)截面產(chǎn)生縱向附加內(nèi)力，同時在新、老橋拼接部位(簡稱橫接板)產(chǎn)生橫向附加內(nèi)力。有限元分析結(jié)果顯示，基礎(chǔ)差異沉降在沉降點附近1.5 m范圍產(chǎn)生的內(nèi)力值較大，其中，老橋號邊板縱向彎矩為121.2 kN·m，拼接橋號邊板縱向彎矩為-107.1 kN·m，距板端1.5 m至跨中截面，新、老橋拼接處對應(yīng)的號、號板縱向彎矩急劇降至13.5 kN·m 和6.8 kN·m。結(jié)合差異沉降荷載組合計算，確定烏奎高速新、老橋梁基礎(chǔ)差異沉降容許值按不大于5 mm控制。

2) 沉降差對橫接板影響

有限元計算表明，沉降差在橫接板支點截面最大豎向剪力為49.7 kN，號板橫向最大彎矩-39.8 kN·m，號板橫向最大彎矩-48.5 kN·m，橫向彎矩沿縱向變幅不大。由此可知，基礎(chǔ)差異沉降產(chǎn)生的附加內(nèi)力對剛度大、配筋多的板梁結(jié)構(gòu)影響很小，但對橫接板影響顯著，故橫接板構(gòu)造和配筋設(shè)計應(yīng)按由差異沉降引起的附加內(nèi)力與恒載、汽車荷載作用組合進(jìn)行驗算。

2.3 混凝土徐變變形差對橋梁拼接影響分析

新、老混凝土徐變變形差導(dǎo)致新、老橋梁內(nèi)力重分布，加寬側(cè)梁板按存梁60 d分析計算，拼接后老橋號邊板產(chǎn)生的附加彎矩值為-90.1 kN·m～132.6 kN·m,橫接板彎矩為-2.6 kN·m～14.6 kN·m，由此可知，新、老混凝土徐變變形差對拼接后主梁及橫接板產(chǎn)生的附加內(nèi)力較小，非新、老橋梁拼寬設(shè)計的控制因素。

2.4 汽車荷載對橫接板受力影響分析

為使荷載效應(yīng)達(dá)到最大，汽車荷載布置按集中荷載Pk作用在跨中影響線峰值處，車道均布荷載qk順橋向全跨滿布；橫橋向車輛緊靠號板邊緣布置。結(jié)果顯示，橫接板沿縱向在跨中處產(chǎn)生最大剪力59 kN，號邊板縱向彎矩為0～14.6 kN·m，號邊板縱向彎矩為0～32 kN·m，對拼接加寬影響較小。

2.5 效應(yīng)組合下的橫接板驗算

橫接板正截面抗彎強度富余量為43%(跨中)～87%(L/4截面)；斜截面抗剪強度富余量為3%(支點)～64%(跨中)，均滿足04版規(guī)范；截面裂縫值在L/4截面為0.19 mm，其余截面均能滿足要求。

綜上研究結(jié)果表明，通過烏奎高速新、老橋梁結(jié)構(gòu)分析計算，采用鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行拼接加寬，老橋及整體結(jié)構(gòu)均能夠滿足04版規(guī)范要求，且有不同程度的安全儲備。

3 拼接實施方案

結(jié)合項目不中斷交通的施工組織特點，橋梁加寬采用半幅施工、半幅保通的施工組織方案。依據(jù)橋梁綜合檢測評定結(jié)果，對2類以上橋梁直接進(jìn)行拼接，對評定為3類的橋梁按照病害情況進(jìn)行維修加固后再實施拼接[14]，對4類橋梁按拆除重建處理。實施方案流程如下：

1) 老橋左、右幅加寬側(cè)墩臺和下部基礎(chǔ)施工，同時對老橋橋面系和護欄進(jìn)行處理，包括拆除護欄、橋面鋪裝和懸臂切割等。在懸臂切割時應(yīng)沿橫橋向按一定間距預(yù)切若干切口，確保全橋切割完成后,按大致均等切塊統(tǒng)一調(diào)運；老橋鋪裝層應(yīng)采用手工鑿除，避免損傷老橋鋼筋。

2) 對老橋邊梁外側(cè)、頂部植筋，并按間距1.0 m綁扎FH-N電化學(xué)材料(犧牲陽極)進(jìn)行防腐蝕預(yù)處理，植筋選用Φ12螺紋鋼筋，植筋深度為15 cm，鉆孔直徑為16 mm，要求凝膠時間<10 min，固化時間<60 min。待植筋抗拔力達(dá)到37.9 kN以上時，調(diào)運安裝加寬部分空心板，澆筑鉸縫和橋面鋪裝。

3) 加寬橋架設(shè)完畢后應(yīng)進(jìn)行均載預(yù)壓，預(yù)壓值為3.5 kN/m2，空置時間>100 d；新、老橋拼接前必須測定新建橋沉降值，當(dāng)沉降差大于5 mm時要分析其原因。

4) 綁扎橫接板濕接縫及端部橫梁鋼筋，澆筑UEA補償收縮混凝土[15]。待橫接板混凝土達(dá)到設(shè)計強度后，對加寬橋進(jìn)行二次沉降觀測，并對橫接板處裂縫、錯臺等異常情況進(jìn)行檢查。

5) 老橋和加寬橋拼接完畢后卸除橋面預(yù)壓荷載，進(jìn)行橋面系及附屬工程施工。

6) 路面交通轉(zhuǎn)至已建成一幅，另外一幅按上述順序依次進(jìn)行施工。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合烏奎高速改擴建施工期不中斷交通的總體要求,以20 m預(yù)應(yīng)力空心板為例，按照85版、04版規(guī)范對老橋結(jié)構(gòu)承載能力及新、老橋梁拼接后結(jié)構(gòu)整體安全性和耐久性，從各階段結(jié)構(gòu)受力情況、新老橋梁拼接方式、橫接板處受力影響因素及質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了深入研究。從該路建成通車運營情況看，新、老橋采取整體拼寬方案合理可行，且安全可靠，其成功實踐對今后新疆公路改擴建項目橋梁構(gòu)造物拼接加寬具有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。