考慮鋪裝層作用的改擴建拼寬板梁橋極限承載能力分析

劉福忠，李 寧

（1.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；2.山東高速股份有限公司，山東 濟南 250101）

引言

隨著我國交通運輸行業(yè)的發(fā)展，早期修建的部分高速公路已不能滿足交通量增長的需求，提升其通行能力已成為當務之急，在此背景下，國內多條高速公路開始實施改擴建。由于我國早期修建的高速公路多采用汽-超20、掛-120的荷載標準，表1是《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ021-89）中橋梁荷載變化。研究文獻表明，兩次規(guī)范修訂對20 m以下中小跨徑板梁橋影響較為明顯，尤其是15規(guī)范，最大增幅接近20%。現(xiàn)行高速公路改擴建項目一般依據(jù)《公路工程技術標準》（JTG B01-2014）執(zhí)行，該標準要求拼寬利用的橋梁需滿足現(xiàn)行規(guī)范極限承載能力的要求。

表1 公路橋涵通用規(guī)范荷載變化

對于空心板梁橋的加固方法，國內開展了大量的研究，常見的方法有黏貼鋼板、碳纖維板、碳纖維布、鋼絲網(wǎng)、增大截面法等，但該部分研究主要解決運營過程中個別橋梁運營狀況較差，承載力不足的問題，并不適用于運營狀況良好的改擴建項目橋梁的改造利用，目前最為直接有效的方法是通過對鋪裝層的改造，提升結構的極限承載能力。

1 改擴建拼寬利用板梁橋實施方案

該項目原設計為雙向四車道高速公路標準，路基全寬28.0 m，按雙向八車道高速公路標準改擴建，兩側拼寬，路基寬度42.0 m，新建及拼寬橋涵設計汽車荷載等級采用《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）的公路-Ⅰ級。

改擴建后橋梁的橫斷面見圖1，新舊橋梁翼緣通過現(xiàn)澆濕接縫連接。改擴建流程：（1）安裝新拼寬部分橋梁預制空心板，根據(jù)需要澆筑水泥混凝土現(xiàn)澆層；（2）切除舊橋護欄及原橋外邊板翼緣板，銑刨原橋瀝青混鋪裝和混凝土鋪裝，澆筑新舊橋濕接縫，重做舊橋鉸縫及整體化混凝土，攤鋪瀝青混凝土橋面鋪裝。

圖 1 單幅板梁橋拼寬斷面布置（mm）

2 拼寬橋極限承載能力計算

2.1 新舊拼寬橋橫向分布計算

對于拼寬板梁橋，各片梁之間采用鉸縫連接，仍可以采用經(jīng)典的鉸接板理論進行計算。新舊板拼接處的濕接縫按鉸接板梁法進行計算并計入翼緣板長度對橫向分布的影響。車輛荷載橫向分布計算結果見表2～表4，可以看出，因為改擴建過程將舊橋外邊板變?yōu)槠磳挊虻闹邪宀糠?，按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）計算的外邊板橫向分布系數(shù)在支點位置有一定程度增加；邊板承載能力并不控制設計，在中板滿足規(guī)范要求的前提下，外邊板可直接利用；對于內邊板，因為該類橋型原設計多采用波形護欄底座寬度為1 m，改擴建過程中一般需將內邊板拆除，更換為寬度0.5 m的鋼筋混凝土護欄，可認為內邊板不控制設計；《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）對單車道橫向分布系數(shù)進行了修正，中板支點位置處橫向分布系數(shù)有所增長，且中板占比較大，因此需將中板作為改擴建拼寬利用主要結構進行極限承載能力驗算。

表2 舊橋既有外邊板橫向分布系數(shù)

表3 舊橋既有內邊板橫向分布系數(shù)

表4 舊橋既有中板橫向分布系數(shù)

2.2 考慮整體化層作用的梁板極限承載能力計算

早期設計的橋梁，通常將鋪裝層作為二期恒載施加在橋梁上，鋪裝層內單層φ8的鋼筋網(wǎng)一般貼底放置，對結構承載力貢獻較小。近年來，隨著人們對橋梁結構受力認識的不斷深入，對于鋪裝層參與受力的研究越來越多，為增加空心板梁橋的整體性，減少由于車輛荷載導致的單板受力現(xiàn)象，近幾年設計的板梁橋鋪裝層厚度有所增加，新建橋梁厚度多為15 cm，改擴建橋梁的鋪裝層厚度在15～20 cm之間，并布設雙層鋼筋網(wǎng)。

在橫向分布計算的基礎上，針對8～20 m空心板梁橋進行極限承載能力驗算，考慮不同鋪裝層厚度參與受力情況見表5～表9。分析可知，在不考慮鋪裝層作用的情況下，橋梁的極限承載能力不能滿足現(xiàn)行規(guī)范［3］要求，跨徑越小，差值越大，這與新規(guī)范增加小跨徑橋涵的集中荷載作用有直接的關系，隨著鋪裝層厚度的增加，結構受力有了明顯側提升，8 m跨徑板梁橋的承載力增幅達30%，使結構的受力能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范［3］的要求。

表5 8 m中板極限承載能力對比

表6 10 m中板極限承載能力對比

表7 13 m中板極限承載能力對比

表8 16 m中板極限承載能力對比

表9 20 m中板極限承載能力對比

3 結語

對不同鋪裝層厚度下8～20 m板梁橋極限承載能力研究表明，不考慮鋪裝層作用下，橋梁的極限承載能力均不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求；將鋪裝層及鉸縫作為附加截面參與結構受力時，結構的極限承載能力有了大幅的提升，尤其對小跨徑橋梁，增幅達30%以上，使結構的極限承載能力能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。在保證鋪裝層及鉸縫質量完好、鋪裝層與梁板之間界面粘結可靠的情況下，可以根據(jù)梁板的運營狀況綜合考慮此部分貢獻值。