大跨徑連續(xù)梁橋拼寬方案比選研究

王震

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

目前我國大部分高速公路擴(kuò)建都采用既有運(yùn)營線路進(jìn)行擴(kuò)建拼寬改造方式，而利用既有線路進(jìn)行擴(kuò)建，涉及沿線大量的舊橋需要改造，尤其是大跨徑橋梁，擴(kuò)建難度大，受關(guān)注度高，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響大，拼接后結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等，均制約了橋梁的拼寬方案的選擇，因此大跨徑橋梁的擴(kuò)建成為了改擴(kuò)建項(xiàng)目的控制性工程。如何對既有的大跨徑橋梁進(jìn)行拼寬改造，成為了改擴(kuò)建項(xiàng)目需要重點(diǎn)解決的難題。本文依托于長春至深圳國家高速公路河源熱水至惠州平南段改擴(kuò)建項(xiàng)目東江大橋，對大跨徑連續(xù)梁橋的拓寬方案進(jìn)行分析研究，經(jīng)比選后確定一種合理的拼寬方案。

1 工程概況

長春至深圳國家高速公路河源熱水至惠州平南段是國家高速公路網(wǎng)第三條南北縱線-長春至深圳高速公路廣東境內(nèi)段的重要組成部分，同時(shí)是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“五縱”的一段，是粵東北地區(qū)南北向運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?，也是粵東北地區(qū)（河源、梅州）連接港、澳與珠三角的交通大動(dòng)脈，是聯(lián)系深莞惠都市圈核心區(qū)與河源等地的重要高速通道，同時(shí)也是聯(lián)系珠三角與江西省等東部地區(qū)的重要的省際大通道。

該工程現(xiàn)狀為雙向四車道，既有路基寬度有兩種，分別為26m 和24.5m，擬擴(kuò)建為雙向八車道高速公路，路基寬度42m。擴(kuò)建方式采用雙側(cè)直拼為主，單側(cè)拼寬為輔，改擴(kuò)建過程中交通不中斷。橋梁拼寬采用目前國內(nèi)通用的“同結(jié)構(gòu)、同跨徑、上連下不連”的橫向拼接拓寬方式。東江大橋現(xiàn)狀為（45+2×80+45）m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁+13×30m 預(yù)應(yīng)力砼T 梁橋，2002 年12 月建成通車。主跨橋梁上部結(jié)構(gòu)采用左右幅分離的單箱單室預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，支點(diǎn)梁高4.5m，跨中梁高2m，橋梁頂寬12.1m，底寬6m。橋墩采用分離式矩形空心墩，整體式承臺，鉆孔樁基礎(chǔ)；引橋上部結(jié)構(gòu)由11 片預(yù)應(yīng)力砼T 梁構(gòu)成，橋面寬24.5m，橋墩采用整幅雙柱式橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)，左右幅采用中央分隔帶護(hù)欄分離。橋梁既有縱坡為0%，橫坡為雙向2%。根據(jù)檢測評定，該橋現(xiàn)狀綜合評定為“二類”。橋梁現(xiàn)狀通航等級為內(nèi)河Ⅳ級，規(guī)劃通航等級為內(nèi)河Ⅲ級。

該橋歷史上經(jīng)歷了加固維修，2008 年觀測到：與設(shè)計(jì)成橋的梁頂標(biāo)高相比，在無汽車荷載作用下，結(jié)構(gòu)相對靜止?fàn)顟B(tài)，左幅橋梁體80m 跨跨中下?lián)狭繛?1mm，右幅橋梁體80m 跨跨中下?lián)狭繛?7mm，2009 年對東江大橋進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力加固、粘貼鋼板和裂縫處理等，截至目前，該橋運(yùn)營狀態(tài)良好。

2 橋梁拼寬方式的受控因素

東江大橋擴(kuò)建主要受制于東江現(xiàn)狀為Ⅳ級航道，規(guī)劃提升為Ⅲ級航道。橋梁跨徑布置需滿足Ⅲ級航道通航要求，并結(jié)合通航論證結(jié)論進(jìn)行橋梁方案比選。本橋起點(diǎn)左側(cè)為高邊坡，右側(cè)有一處出讓用地，為紀(jì)委用地范圍，已經(jīng)開始施工，現(xiàn)狀該用地開挖邊坡坡頂已超出其用地紅線范圍，緊靠高速公路路肩。本段終點(diǎn)左側(cè)有一處贛深高鐵拌合站，距離本項(xiàng)目舊橋邊線約17.4m。綜合本橋橋址各受控因素，設(shè)計(jì)提出了兩個(gè)方案，分別采用兩側(cè)拼寬方案和單側(cè)拼寬方案，受紀(jì)委用地影響，單側(cè)拼寬方案推薦采用左側(cè)拼寬，具體如下：a. 兩側(cè)拼寬方案。新舊橋進(jìn)行拼接。b.左側(cè)拼寬方案。新舊橋分離，舊橋由對向行車改為同向行車。

3 橋梁兩側(cè)擴(kuò)建方案分析

3.1 橋梁兩側(cè)拼寬方案分析

橋梁采用雙側(cè)拼寬，需要將新舊橋進(jìn)行拼接，由于舊橋運(yùn)營多年，收縮徐變過程已基本完成，新舊橋梁拼接后，舊橋會對接縫部位的混凝土和新橋的收縮徐變產(chǎn)生一定的約束，導(dǎo)致新舊橋拼接部位產(chǎn)生較大的剪力，從而使其產(chǎn)生縱向裂縫。

并且舊橋基礎(chǔ)變形已經(jīng)穩(wěn)定，一般不會再產(chǎn)生新的沉降變形，而新建橋尚未完成其沉降過程，因此基礎(chǔ)的差異沉降也會導(dǎo)致橋梁拼接部位產(chǎn)生附加內(nèi)力。

橋梁采用兩側(cè)拼寬后，新橋位于外側(cè)，舊橋位于內(nèi)側(cè)，而外側(cè)車道多為大型貨車、客車，內(nèi)側(cè)車道多為小車，常態(tài)運(yùn)營下，新舊橋梁的車輛荷載導(dǎo)致的撓度亦有所不同，尤其是大跨徑連續(xù)梁橋，變形較大，因此新舊橋梁的變形差異亦更大。

為了最大化提升新舊橋梁拼接后的整體受力能力，拼寬側(cè)新建橋梁上部結(jié)構(gòu)形式需與舊橋上部結(jié)構(gòu)形式一致，采用（45+2×80+45）m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁。

3.2 橋梁兩側(cè)拼寬計(jì)算分析

橋梁兩側(cè)拼寬采用剛性拼接方案，先鑿除既有橋梁翼緣1.5m，保留鑿除部分橫向鋼筋。兩側(cè)新建9.25m 拼寬橋梁，翼緣預(yù)留鋼筋，與既有橋梁翼緣鋼筋連接，布設(shè)縱向鋼筋，最后澆筑C50 鋼纖維收縮混凝土。

結(jié)合兩側(cè)拼接方案，對兩側(cè)加寬的橋梁采用空間有限元方法進(jìn)行了建模計(jì)算分析，構(gòu)件縱向計(jì)算采用Midas Civil 2019 進(jìn)行，靜力計(jì)算有限元模型圖如圖1 所示。

圖1 東江大橋雙側(cè)拼寬計(jì)算消隱模型

橋梁建模按照橋梁的全壽命周期運(yùn)營進(jìn)行精確模擬建模，根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示：新橋舊橋在拼接后在存在變形差，其中舊橋跨中最大下?lián)蠟?.7cm，（與東江大橋橋梁觀測報(bào)告截至2021 年的最大下?lián)狭?.2cm 基本吻合），拼寬側(cè)新建連續(xù)梁跨中最大下?lián)蠟?.4cm。具體如圖2 所示。

圖2 東江大橋雙側(cè)拼寬后新舊橋梁變形圖

新舊橋拼寬后，受基礎(chǔ)沉降、收縮徐變等影響，持久狀況承載能力極限狀態(tài)下，拼寬側(cè)新建連續(xù)梁墩頂處彎矩承載力比舊橋墩頂承載力小，新建橋梁承載力未超限，而舊橋拼寬后，承載力彎矩超限，無法滿足規(guī)范要求。具體如圖3、圖4 所示。

圖3 東江大橋雙側(cè)拼寬后新建橋承載力包絡(luò)圖

圖4 東江大橋雙側(cè)拼寬后舊橋承載力包絡(luò)圖

新舊橋拼寬后，正常使用極限狀態(tài)下，拼寬側(cè)新建連續(xù)梁橋梁頂緣和底緣均出現(xiàn)了拉應(yīng)力（見表1），其中頂緣最大拉應(yīng)力值達(dá)到了1.44MPa，底緣最大拉應(yīng)力值達(dá)到了3.0MPa，而舊橋整體受力良好。

表1 拼寬側(cè)新建連續(xù)梁橋梁頂緣和底緣應(yīng)力

結(jié)合兩側(cè)拼寬的計(jì)算分析，新舊橋梁剛性拼接后，受基礎(chǔ)沉降、不同車輛荷載作用、收縮徐變等的綜合影響。新舊橋梁各自的邊界條件和受力狀態(tài)均發(fā)生了明顯改變，拼寬側(cè)新建橋梁存在拉應(yīng)力，受力狀態(tài)復(fù)雜，對橋梁全壽命周期的安全運(yùn)營會產(chǎn)生不利的影響。

4 橋梁左側(cè)擴(kuò)建方案分析

4.1 橋梁左側(cè)拼寬方案分析

東江大橋左側(cè)分離新建橋梁，新舊橋分離，新建橋梁結(jié)構(gòu)形式選擇多樣，既可以選擇與舊橋相同的預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁，也可以選擇預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)、矮塔斜拉橋等，新舊橋梁獨(dú)立運(yùn)營，橋梁受力清晰明確。

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，考慮舊橋已采用了預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁，且有加固歷史，結(jié)合通航論證與景觀協(xié)調(diào)因素，新建橋梁的上部構(gòu)造梁高需與舊橋保持一致，舊橋承臺寬度需與舊橋保持一致。而預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)，當(dāng)活載作用于中跨時(shí)，與相同跨徑的連續(xù)梁比較，其跨中彎矩較小，預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋在跨中梁高相同時(shí)，可承受的彎矩較連續(xù)梁的更大。因此設(shè)計(jì)推薦采用與舊橋跨徑一致的（45+2×80+45）m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行左側(cè)分離拼寬。

4.2 橋梁左側(cè)拼寬計(jì)算分析

新建的預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋，上部結(jié)構(gòu)采用單箱雙室斷面，三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，支點(diǎn)梁高4.5m，跨中梁高2m。

結(jié)合左側(cè)拼寬方案，對新建橋梁采用空間有限元方法進(jìn)行了建模計(jì)算分析，構(gòu)件縱向計(jì)算采用Midas Civil 2019 進(jìn)行。靜力計(jì)算有限元模型圖如圖5 所示。

圖5 東江大橋左側(cè)拼寬計(jì)算消隱模型

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，左側(cè)分離拼寬新建的連續(xù)剛構(gòu)橋梁受力性能良好。持久狀況承載能力繼續(xù)狀態(tài)計(jì)算、持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算、持久狀況構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算均滿足規(guī)范要求。具體部分計(jì)算結(jié)果如下圖6 所示。

圖6 東江大橋左側(cè)拼寬承載力包絡(luò)圖

5 方案比選

根據(jù)東江大橋前后受控因素，并結(jié)合兩側(cè)拼寬和左側(cè)拼寬的計(jì)算結(jié)果，對兩方案進(jìn)行了比選分析，具體如下。

5.1 兩側(cè)拼寬

優(yōu)點(diǎn)：新建橋梁規(guī)模相對較小，兩側(cè)分別新建9.25m。占地較少，總體經(jīng)濟(jì)性好。對環(huán)境影響小，橋梁拼接后整體性好，景觀性較好。新橋受重車荷載，舊橋受小車荷載。

缺點(diǎn)：無法預(yù)留后期舊橋拆除重建條件。拼接施工難度相對較大，設(shè)備投入高。拼接后新舊橋梁受力復(fù)雜，新建橋梁出現(xiàn)拉應(yīng)力，舊橋承載力不足。新舊橋同向分離行車，交通安全性不高。距離道路右側(cè)紀(jì)委建筑較近，存在一定協(xié)調(diào)難度。橋梁拼寬受制于舊路線型，縱坡采用0%，拼寬后橋面寬度較大，僅采用雙向2%橫坡，不利于排水。

5.2 左側(cè)拼寬

優(yōu)點(diǎn)：與航道部門意見一致?？深A(yù)留舊橋拆除重建空間。對高速公路右側(cè)紀(jì)委建筑干擾較小，噪音污染小。路線設(shè)計(jì)不受既有線位影響，新線位設(shè)計(jì)縱坡可按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，利于橋梁排水。不受舊橋制約，新建橋梁結(jié)構(gòu)形式選擇多樣。新舊橋梁獨(dú)立運(yùn)行，結(jié)構(gòu)受力明確。

缺點(diǎn)：東江橋頭挖方較多。新建橋梁規(guī)模相對較大，需拼寬21m。受縱坡調(diào)整，新建橋梁設(shè)計(jì)高度大于舊橋設(shè)計(jì)高度，存在高低橋梁現(xiàn)象，新舊橋梁景觀性差。舊橋由對向行車改為同向行車，路基過渡段長，車輛行駛安全性較差。舊橋車輛行駛習(xí)慣改變，靠外側(cè)始終受大車荷載。

綜合以上的方案比較，東江大橋推薦采用左側(cè)分離拼寬新建（45+2x80+45）m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋。

6 結(jié)論

本文依托于長春至深圳國家高速公路河源熱水至惠州平南段改擴(kuò)建項(xiàng)目東江大橋，針對大跨徑連續(xù)梁橋的改擴(kuò)建方案進(jìn)行了深入比較，分別對兩側(cè)拼寬和左側(cè)拼寬方案進(jìn)行了建模分析，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)拼寬新舊橋梁剛性拼接后，受基礎(chǔ)不均衡沉降、收縮徐變等因素影響，拼寬后橋梁受力狀態(tài)復(fù)雜，舊橋承載力不足，拼寬側(cè)新橋出現(xiàn)拉應(yīng)力，不利于橋梁的全生命周期的運(yùn)營，左側(cè)拼寬分離新建橋梁，橋梁受力明確，新舊橋梁獨(dú)立運(yùn)營，也可為后期的舊橋拆除重建預(yù)留條件，綜合各方面因素，最終確定東江大橋采用左側(cè)拼寬方案，主跨新建（45+2x80+45）m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋。