高速公路改擴(kuò)建工程橋梁拼寬及其加固技術(shù)

楊 會(huì)

（湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司長(zhǎng)江分公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004）

在與日俱增的道路交通壓力背景下，我國(guó)很多地區(qū)的高速公路需要進(jìn)行改造和擴(kuò)建，以滿足現(xiàn)階段社會(huì)發(fā)展對(duì)道路交通的需求。在高速公路的橋梁拼寬加固工程中，施工對(duì)象基本存在設(shè)計(jì)理念落后、施工要求標(biāo)準(zhǔn)低和材料老化等現(xiàn)象，這對(duì)改擴(kuò)建工程的拼寬加固技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求。本文以廣西柳州（鹿寨）至南寧高速公路改擴(kuò)建工程№4標(biāo)項(xiàng)目工程為例，對(duì)高速公路橋梁改擴(kuò)建拼寬與加固施工技術(shù)進(jìn)行探究，以期為相關(guān)人員或單位提供參考。

1 項(xiàng)目概況

廣西柳州（鹿寨）至南寧高速公路改擴(kuò)建工程項(xiàng)目線采用雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，全長(zhǎng)248 km。全線基本利用現(xiàn)有公路改擴(kuò)建，局部路段采用新建方案。標(biāo)段內(nèi)有大橋1座、中橋2 座、小橋4座、改造天橋7座、通道涵洞69道、改建新興互通1處。其中洛維大橋全橋采用單幅整體式，主橋采用80+125+125+75 m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋，下構(gòu)主墩為鋼筋混凝土空心薄壁墩；柳州岸引橋?yàn)?×40+4×30 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力砼T梁，南寧岸引橋?yàn)?×30+4×30 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力砼T梁，下構(gòu)橋墩為柱式墩，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，橋臺(tái)采用U型橋臺(tái)接樁基礎(chǔ)。天橋上構(gòu)為30 m、40 m預(yù)應(yīng)力砼小箱梁，柱式墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。通道及立交橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力砼空心板梁，墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)，樁柱式橋臺(tái)。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2 拼寬橋梁的橫向拼接

2.1 橫向連接方式

高速公路橋梁的橫向拼寬主要分為以下三種方式：第一種，上下部結(jié)構(gòu)不連接方式。若拼寬橋梁的上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都不與原橋梁的基礎(chǔ)架構(gòu)相連，則表明新建拼寬橋梁與舊橋間不存在結(jié)構(gòu)上的相互影響，進(jìn)而可以預(yù)防因地基沉降不均勻而導(dǎo)致的上部結(jié)構(gòu)變化，同時(shí)還可以降低拼接部位的施工難度[1]。第二種，上下部結(jié)構(gòu)連接方式。若橋梁的上下部分相互連接，那么基礎(chǔ)沉降將會(huì)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生較大影響，同時(shí)會(huì)提高橋梁拼寬設(shè)計(jì)對(duì)參數(shù)控制的要求。此外，使用該連接方法需要利用植筋技術(shù)設(shè)計(jì)拼寬結(jié)構(gòu)下方的構(gòu)件結(jié)構(gòu)，工藝設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜且具有較高的難度[2]。第三種，上連下不連方式。該設(shè)計(jì)方法需要建立在原橋上部結(jié)構(gòu)在不均勻沉降的影響下仍能夠保持整體結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，并因橋梁的下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)未實(shí)現(xiàn)連接，所以該方式在施工工藝上與上述方法相比相對(duì)簡(jiǎn)單，且能夠運(yùn)用拼接部分的形變協(xié)調(diào)較小沉降帶來(lái)結(jié)構(gòu)影響的問(wèn)題[3]。

2.2 上部結(jié)構(gòu)拓寬

從高速公路橋梁拼寬的空心板梁橋角度分析，此類橋梁可分為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋梁和鋼筋混凝土空心板梁橋兩大類，其跨徑設(shè)計(jì)以10 m、16 m和20 m三種形式最為常見(jiàn)，橋梁橫截面與原橋結(jié)構(gòu)類似。在進(jìn)行改建拼寬時(shí)，需要先對(duì)橋梁兩側(cè)邊梁的翼板進(jìn)行切除[4]，然后通過(guò)植筋技術(shù)實(shí)現(xiàn)新舊部分結(jié)構(gòu)的連接，參照鉸接形式對(duì)銜接進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，例如端部有橫隔梁設(shè)計(jì)，那么結(jié)構(gòu)的計(jì)算形式應(yīng)該以剛接為主[5]。從T型梁橋角度來(lái)看，T梁橋因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特殊，在改建期間容易受到周圍環(huán)境的影響，需要在對(duì)T梁橋進(jìn)行拼寬施工時(shí)考慮把邊梁翼板進(jìn)行切除，然后將其與新橋的T梁肋板進(jìn)行拼接，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 T型梁拼寬設(shè)計(jì)

對(duì)比拼寬施工前后的橋梁受力情況可以看出，原橋邊梁的實(shí)際受力情況發(fā)生較大改變。當(dāng)對(duì)T梁橋進(jìn)行拼寬施工時(shí)，除在拼接部位的兩端設(shè)計(jì)橫隔梁之外，還可以在橋梁中間特定位置如受力凹陷點(diǎn)增加橫隔梁，即為加強(qiáng)拼寬橋與原橋間橫向的聯(lián)系，通常會(huì)在拼寬部分的1/4跨徑與跨中位置處設(shè)計(jì)一個(gè)橫隔梁，以保障整個(gè)橋體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[6]。從不同梁截面相互連接的角度來(lái)看，橋廊拼寬施工時(shí)若使用剛度較大的拼寬橋截面則能夠極大增加新橋整體的結(jié)構(gòu)剛度，并可以在一定程度上降低原橋下部結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的荷載，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 拼接部位設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

從上圖中能夠看出，在T梁+空心板梁的截面組合體中，空心板梁截面橫向剛度相對(duì)較大，在利用鋼板與之橫隔梁錨固連接之后，其新橋的整體結(jié)構(gòu)將會(huì)得到一定程度的提升，并且橋梁的承載能力也會(huì)隨之提高。

3 不均勻沉降對(duì)拼寬橋梁結(jié)構(gòu)的緊固力學(xué)影響

3.1 基礎(chǔ)沉降對(duì)上部橋梁結(jié)構(gòu)的影響因素

3.1.1 沉降模式

原橋梁在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用之后其基礎(chǔ)沉降基本已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，但對(duì)拼寬部分的橋梁而言，因基礎(chǔ)沉降值相對(duì)較大，所以新舊橋梁體間會(huì)存在較大程度的沉降差，對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。為探究拼寬橋梁加固效果，本文將假設(shè)原橋的基礎(chǔ)沉降為0，充分考慮原橋整體結(jié)構(gòu)的約束影響，即在新橋基礎(chǔ)上越貼近原橋部分產(chǎn)生的基礎(chǔ)沉降就會(huì)越小，反之則會(huì)越大，可將基礎(chǔ)的沉降視為線性沉降，則橋梁不同位置的基礎(chǔ)沉降可看作不同的線性分布。

3.1.2 影響因素

拼寬橋的基礎(chǔ)在上述線性模式下，其拼接部位的上緣結(jié)構(gòu)將會(huì)承擔(dān)較高的剪切力，為預(yù)防基礎(chǔ)沉降帶來(lái)的上緣結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題，需要整個(gè)加固設(shè)計(jì)滿足σ≤[σ]，即：

依據(jù)力學(xué)的基本原理：

所以可將上式（1）變?yōu)椋?/p>

所以可推算出：

上式中：σ為當(dāng)不均勻沉降為“Δ”時(shí)其拼接結(jié)構(gòu)的上緣部分橫向拉應(yīng)力的大小；[σ]為拼寬部位混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；ε為當(dāng)不均勻沉降為“Δ”時(shí)其拼接結(jié)構(gòu)的上緣區(qū)域拉應(yīng)變大??；E為拼寬區(qū)域混凝土橫橋的彈性模量大?。沪闃蛄夯A(chǔ)結(jié)構(gòu)不均勻沉降變化大??；θ為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不均勻沉降下Δ拼接部位的轉(zhuǎn)角值；χ代表拼寬區(qū)域截面中性軸至原橋上緣的距離；B代表拼寬部位處寬度的大小；b代表橋梁拼接結(jié)構(gòu)的寬度；h代表橋梁拼接處的高度；h0代表拼接結(jié)構(gòu)橫截面的有效高度；αEx代表拼寬混凝土結(jié)構(gòu)截面的換算系數(shù)；ρ代表拼接結(jié)構(gòu)下的截面配筋率。

3.2 計(jì)算數(shù)值模型

3.2.1 橋梁類型

選擇跨徑為20 m的簡(jiǎn)支空心板結(jié)構(gòu)橋與簡(jiǎn)支T梁橋作為力學(xué)結(jié)構(gòu)分析的模型，對(duì)高速公路拼寬改造后的加固技術(shù)進(jìn)行探究。通過(guò)FEA軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的細(xì)部分析，結(jié)構(gòu)分析單元選擇8個(gè)節(jié)點(diǎn)單元[7]?；炷两Y(jié)構(gòu)的鋼筋可通過(guò)將剛度添加到母單元中的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。模型所用材料均為線彈性材料，但不對(duì)材料的非線性問(wèn)題進(jìn)行考慮。

3.2.2 計(jì)算荷載

恒載計(jì)算：拼寬橋梁的主要受力構(gòu)件自重為恒載受力，其頂部的防撞欄、橋面鋪裝等材料自重為二期恒載。位移計(jì)算：為預(yù)防拼寬銜接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開(kāi)裂，需要始終保持梁體變形處于可控的彈性范圍之內(nèi)，在本次實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的沉降值需要小于拼寬橋的允許沉降值，因此設(shè)拼寬橋的沉降值為5 mm。溫度計(jì)算：參照相關(guān)施工設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，需以溫度梯度的方式來(lái)控制局部溫差，因上述提到結(jié)構(gòu)體系為簡(jiǎn)支梁，所以結(jié)構(gòu)本身的溫度變化并不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力，不需對(duì)體系溫差變化的影響進(jìn)行考慮[8]。

3.2.3 幾何尺寸

簡(jiǎn)支空心板的基本模型設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。原高速公路橋梁使用跨徑為20 m的簡(jiǎn)支空心板橋，橋面寬度為9 m，整體由8片空心板梁所組成，使用上部連接下部不連接的拼寬方式進(jìn)行施工。在拼寬設(shè)計(jì)中，改建拼寬橋使用與原橋相同規(guī)格的空心板，通過(guò)切除邊梁翼板后向結(jié)構(gòu)件中植入鋼筋的方式首先拼寬施工，并在結(jié)構(gòu)件端部加設(shè)50 cm寬的橫隔梁。拼寬后的橋梁模型網(wǎng)格如圖3所示。

表2 簡(jiǎn)支空心板橋拼寬改建橋梁模型的基本參數(shù)

圖3 空心板橋拼寬改建模型網(wǎng)格

3.3 拓寬橋梁拼接部分在沉降荷載下的受力

3.3.1 截面配筋

空心板與T型橋的應(yīng)力值變化如圖4所示。

圖4 橋梁拼寬拼接部分在不同配筋加固設(shè)計(jì)下的應(yīng)力值變化曲線

從上圖中能看出，截面配筋率的變化對(duì)兩種橋型的拼寬結(jié)構(gòu)上緣拉應(yīng)力都會(huì)產(chǎn)生一定影響，且影響具有高度一致性。即當(dāng)截面配筋率增加時(shí)，其拼接結(jié)構(gòu)的上緣拉應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)下降。但對(duì)于空心板橋而言，配筋率的大小還與結(jié)構(gòu)件截面所處的位置有關(guān)，即實(shí)際模型中支座位置處的應(yīng)力值取值可達(dá)拼寬結(jié)構(gòu)跨中位置的4倍，但應(yīng)力值會(huì)隨著截面由支座向跨中移動(dòng)而逐漸減小。造成該現(xiàn)象的主要原因在于，橫隔梁的設(shè)計(jì)可以增加拼寬橋的橫向剛度，因此產(chǎn)生更大的上緣拉應(yīng)力，所以在空心板橋的拼寬模型實(shí)驗(yàn)中，支座與跨中兩個(gè)位置的應(yīng)力值出現(xiàn)差距過(guò)大的情況。

3.3.2 拓寬寬度

從不同拼寬寬度的角度來(lái)看，其橋梁拼接結(jié)構(gòu)處的上緣拉應(yīng)力取值變化如圖5所示。

圖5 兩種橋梁拼寬拼接部分在不同拼寬寬度設(shè)計(jì)下的應(yīng)力值

由上圖數(shù)據(jù)可知，在兩種不同設(shè)計(jì)方式的橋梁拼寬實(shí)驗(yàn)中，拼寬寬度對(duì)拼接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化存在一定的影響，即當(dāng)拼寬寬度增大時(shí)，其拼接結(jié)構(gòu)處的上緣拉應(yīng)力會(huì)隨之減小，并且在同等沉降作用下，隨著拼寬寬度的不斷增加，其相應(yīng)的轉(zhuǎn)角位移量也在不斷減小。

3.3.3 拼接部分寬度

拼接寬度因素對(duì)改建橋梁結(jié)構(gòu)造成拉應(yīng)力的變化如圖6所示。

圖6 兩種橋梁拼接結(jié)構(gòu)在不同拼接部分寬度下的應(yīng)力值

由上圖變化曲線可知，當(dāng)拼接寬度不斷增加后其拼接部位結(jié)構(gòu)的上緣拉應(yīng)力會(huì)不斷下降，但是從拼接寬度變化發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，拼接寬度對(duì)T梁橋與空心板橋的上緣拉應(yīng)力影響存在一定差距，并且這種差距會(huì)隨著截面位置的不同而發(fā)生變化，即拼寬結(jié)構(gòu)的拼接寬度會(huì)對(duì)兩種截面橋梁的上緣拉應(yīng)力產(chǎn)生影響，并會(huì)受到支座向跨中位置的變化而逐漸縮小。這種現(xiàn)象在空心板橋的拼寬中，其支座部位的應(yīng)力變化是跨中部位的4.6倍；而T梁橋中支座應(yīng)力變化僅為跨中的1.7倍。由此可證明拼接寬度對(duì)不同設(shè)計(jì)類型的拼寬橋梁加固效果是不同的。除此之外，因梁結(jié)構(gòu)自身會(huì)產(chǎn)生一定的撓度，此現(xiàn)象會(huì)間接減弱拼接部分寬度對(duì)拼寬后橋梁結(jié)構(gòu)橫橋向拉應(yīng)力的大小，所以拼接部分的寬度變化才會(huì)對(duì)T梁橋與空心板橋不同位置拉應(yīng)力值的變化產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)借鑒廣西柳州（鹿寨）至南寧高速公路改擴(kuò)建工程№4標(biāo)項(xiàng)目工程的方式加深對(duì)高速公路橋梁改建拼寬與加固技術(shù)的認(rèn)知，通過(guò)建模分析的方式重點(diǎn)對(duì)高速公路橋梁拼寬過(guò)程中截面配筋加固、拼寬寬度以及拼接寬度設(shè)計(jì)等3個(gè)主要因素對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力造成的影響進(jìn)行探究，得出以下結(jié)論：首先，當(dāng)拼寬部分結(jié)構(gòu)件的寬度與截面配筋率同時(shí)增加時(shí)，其拼接處產(chǎn)生的上緣拉應(yīng)力會(huì)相對(duì)下降。其次，當(dāng)選定目標(biāo)橋梁的基礎(chǔ)沉降值設(shè)為5mm時(shí)，其拼寬結(jié)構(gòu)的上緣產(chǎn)生橫橋向拉應(yīng)力值保持在改建設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，證明拼寬加固技術(shù)可以在不均勻沉降未超過(guò)5 mm時(shí)保持橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。