公路橋梁拓寬拼接設計關鍵問題分析

閆金剛

（中鐵十四局集團第五工程有限公司，山東濟寧 272000）

1 引言

當前，我國高速公路網(wǎng)已基本形成。然而，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路交通流量越來越大，造成既有公路運輸無法滿足現(xiàn)有交通需求。為改善這一不利現(xiàn)狀，公路拓寬已成為緩解交通壓力的重要手段。在公路拓寬建設中，橋梁工程的拓寬拼接是其中的重點和難點。在役橋梁拓寬拼接后，新舊橋梁的力學性能將會互相影響、互相制約，給橋梁拓寬拼接設計與施工均帶來了較大挑戰(zhàn)。因此，合理的拓寬拼接方式尤其重要，不僅可以保證拓寬拼接橋梁的協(xié)同變形與受力，還能有效提升公路通行能力。我國已經(jīng)有了不少成功的公路橋梁拼接實例，見表1。

表1 部分橋梁拓寬拼接實例

隨著國內外公路拓寬改造需求的不斷增加，國內外相關學者針對公路橋梁拓寬拼接問題均做了大量工作，也取得了一定研究成果[1-11]。然而，橋梁拓寬拼接是一個系統(tǒng)的工程，在設計與施工過程中涉及的因素眾多，當前仍存在很多問題。本文將重點針對橋梁拓寬拼接中涉及的連接方案、混凝土收縮徐變及橋梁基礎沉降差3 個方面對現(xiàn)有研究進行綜述。

2 橋梁拓寬拼接方案

在我國，梁式橋在高速公路中應用較多，特別是中小跨徑的梁式橋梁應用更為普遍。梁式橋梁的拓寬拼接是一個比較復雜的問題，通常采用與舊橋相同的結構形式，從而確保拓寬拼接后的橋梁協(xié)調勻稱。根據(jù)工程實際情況，3 種連接方式已獲得了廣泛應用，分別為：上、下部結構均不連接；上、下部結構均連接；上部結構連接、下部結構不連接。

2.1 上、下部結構均不連接

當采用上、下部結構均不連接的方式時，新橋與舊橋的受力互不影響，施工相對比較方便。通常，只需要在新舊橋梁結構之間留1 條縱縫，這種拓寬拼接方式不僅大大簡化了施工程序，而且消除了拼寬連接技術上的問題。然而，此種連接方式中，新舊橋梁無法協(xié)同受力與變形，造成新橋沉降量遠大于舊橋沉降量，可能會造成鋪裝層的破壞，嚴重時可能會造成新舊橋梁在接縫處的錯位較大，影響橋梁美觀，增加了后期的運營維護成本，不適用于大規(guī)模的橋梁拓寬拼接工程。目前，我國廣佛高速公路拓寬工程、廣州北環(huán)高速改造工程及銀川黃河大橋改擴建工程均采用了此類拓寬拼接方案。

2.2 上、下部結構均連接

當采用上、下部結構均連接的方式時，拓寬拼接完成后的新舊橋梁整體性比較好，能夠協(xié)同受力與變形，各片主梁內力分布比較均勻，增大了拓寬橋梁的橫向剛度，有效減小了拼寬連接處的變形量。目前，常用的做法包括T 梁翼緣板連接和利用橫隔板將整個上部結構進行連接2 種，后者較前者連接效果更好些。事實上，在新橋修建時，舊橋基礎沉降已經(jīng)多年，基本上達到不再沉降狀態(tài)，而新橋基礎的不斷沉降會嚴重影響新舊結構連接處的受力，且新橋混凝土的溫度應力、收縮徐變等因素均會在接縫處產生較大的附加內力，嚴重時可能會產生裂縫，給后期運營維護帶來困難。目前，我國沈大高速公路擴建工程采用了上、下部結構均連接的拓寬拼接方案。

2.3 上部結構連接，下部結構不連接

當采用上部結構連接、下部結構不連接的方式時，綜合了前2 種橋梁拓寬拼接方式的優(yōu)點。此時新舊橋梁基礎相互獨立，下部結構內力之間的相互影響甚微，且上部結構整體性較好，基本可以保證上部結構的協(xié)同受力，同時又能保證上部結構之間的連接對下部結構內力的影響較小。此種拓寬拼接方式已被廣泛應用且迄今運行情況較好，尚未出現(xiàn)嚴重的橋梁裂縫問題。目前，我國滬杭甬高速公路及滬寧高速公路等工程項目均采用了上、下部結構均連接的拓寬拼接方案。

上述3 種連接方案均有各自的優(yōu)勢與缺點，在進行方案比選時，應充分考慮新舊橋梁結構形式、施工裝備及經(jīng)濟成本的影響，盡量做到拓寬拼接后的新舊橋梁變形協(xié)調、內力分布均勻，且造價合理。

3 混凝土收縮徐變

事實上，混凝土的收縮與徐變是完全不同的2 個概念。收縮是指在混凝土凝結初期或者硬化過程中出現(xiàn)的一種體積縮小的現(xiàn)象；而徐變是指混凝土在長期荷載作用下所產生的變形。據(jù)相關研究，混凝土收縮徐變的影響因素主要有混凝土的齡期、構件厚度、水灰比、空氣濕度、環(huán)境溫度等。收縮徐變過程除了會導致預應力損失，還會影響梁體結構的線形。

混凝土收縮徐變對新舊橋梁結構的影響主要是新舊橋梁的齡期差造成的。根據(jù)我國JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》，橋梁需要考慮10 a 的混凝土收縮徐變的影響。對于拓寬拼接橋梁，舊橋相對于新橋齡期較長，大多數(shù)情況下超過了10 a，因此，新舊橋梁混凝土收縮徐變并不同步，可以近似認為舊橋相對于新橋不發(fā)生收縮徐變，這將會導致拓寬拼接后的新舊橋梁在結構受力與變形方面產生差異，進而導致結構質量問題，嚴重情況下會威脅行車安全。

在開展橋梁拓寬拼接設計時，應充分考慮新舊橋梁混凝土收縮徐變差異對結構附加內力的影響，并采取一定的技術措施來保證舊橋結構的承載力與剛度，從而保證橋梁安全。實際上，混凝土的收縮徐變是隨著時間逐漸發(fā)展的，分析混凝土收縮徐變對結構內力的影響是一項非常復雜的任務，要對其作用過程進行分析，提高評價精度。通常分析新橋收縮徐變對舊橋結構的影響可分3 步：首先，假定新舊橋梁結構之間不存在連接，計算某一個時段內新橋混凝土收縮徐變大??；其次，考慮新舊橋梁連接的影響，根據(jù)新舊橋梁變形協(xié)調條件，建立方程，進而獲得連接面上收縮徐變產生的內力；最后，根據(jù)求得的連接面內力，進一步求解節(jié)點位移，并將節(jié)點位移代入單元剛度方程，求得各節(jié)點的內力：

式中，ε(t)為t 時刻的應變值；σ0為初始應力；t0為初始時刻；E(t)為t 時刻的彈性模量；E(t0)為t0時刻的彈性模量；εsh(t,t0)為從t0到t 這一時段的內應變值；φ(t,t0)為從t0到t 這一時段內的剪切角值；σ(t)為t 時刻的應力值；t 為時刻值。

4 新舊橋梁基礎沉降差

對于橋梁拓寬拼接而言，新舊橋梁基礎沉降差也是不可避免的一個關鍵問題。在橋梁拓寬拼接完成后，新橋的基礎沉降開始發(fā)展，而舊橋基礎的沉降則接近完成狀態(tài)，此時，如果新橋基礎地基條件不好，可能過早出現(xiàn)沉降過大的情況，將會影響橋梁結構。新舊橋梁基礎的沉降差對橋梁結構的影響主要體現(xiàn)在變形上，具體為新橋主梁、拼接縫、舊橋主梁在豎向上的變形，由于混凝土的抗拉強度遠低于抗壓強度，沉降差引起的橫向拉應力成為控制因素，當沉降差達到混凝土抗拉強度極限時，可能會引起新舊橋連接部位產生順橋向的裂縫、主梁混凝土開裂及支座脫空。在服役過程中，雨水可能會滲入裂縫，影響橋梁結構的耐久性。

事實上，橋梁基礎的沉降是一個漫長的發(fā)展過程，而影響因素較多。在分析新舊橋梁基礎沉降差對橋梁結構影響時，應首先明確基礎的沉降規(guī)律，然后，根據(jù)相關公式計算樁基沉降值。當前，樁基沉降值的計算大體可分為2 部分：基礎的最終沉降量和基礎沉降隨時間的變化過程。主要計算方法有理論公式法（如分層綜合法）和數(shù)值方法（如有限元法）。

為減輕或避免基礎沉降差對新舊橋梁結構的影響，在拓寬設計過程中，可以考慮采取以下2 種方法：（1）進行拓寬拼接時，將上部結構做成分離式；（2）對新橋基礎進行處理，進而確保其沉降值控制在一定的許可范圍內。事實上，將上部結構做成分離式是存在一定弊端的，如結構整體性削弱、會產生明顯的撓度差、影響結構美觀等。在實際工程中，推薦采用第2種減小基礎沉降差的方法。

5 結語

當前，既有公路網(wǎng)絡已無法滿足現(xiàn)代交通運輸?shù)男枨?，開展公路改擴建是解決這一問題的重要手段，而橋梁拓寬拼接是公路改擴建的重中之重。在橋梁拓寬拼接設計中，拼接方案比選、混凝土收縮徐變、新舊橋梁基礎沉降差是必須考慮的關鍵問題。為此，本文對上述3 個關鍵問題進行了分析，并提出了相應的技術策略，即在拼接方案方面推薦采用上部結構連接、下部結構不連接的方法。進行混凝土收縮徐變分析時，應提前預估新橋收縮徐變對橋梁結構的影響。進行基礎沉降差控制時，應通過技術措施將新橋沉降控制在一定范圍內。期望本文的成果能為公路橋梁拓寬拼接設計提供一定的參考和指導。