高速公路橋梁改擴建設(shè)計方案研究

朱盟

（陜西交控科技發(fā)展集團有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

在高速公路橋梁改擴建工程中，需要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造的特點靈活采用成熟合理的改擴建設(shè)計方案。高速公路橋梁改擴建的重難點主要有橋梁拼接、基礎(chǔ)差異沉降控制等[1]。由于新舊基礎(chǔ)可能存在的差異沉降，會影響橋梁結(jié)構(gòu)受力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，影響橋梁的正常運營。基于此，本文結(jié)合具體工程實例，針對橋梁改擴建設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)受力進行了重點分析和論述，旨在保證橋梁改擴建后保持良好的運營狀態(tài)。

1 工程概況

某高速公路于2006 年竣工通車，截至目前，營運時間已超過10 年。自通車以來，交通荷載類型主要為大貨車，占比65%以上。長期經(jīng)受車輛荷載的作用，導(dǎo)致路面和橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重破損，給行車安全帶來了不良影響。該項目橋梁共計26 座，其中跨徑為13m,16m 的大中橋梁有16 座，跨徑8m,10m 的小橋有10 座。大中橋梁上部結(jié)構(gòu)為裝配式先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、柱式臺，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁或擴大基礎(chǔ)；小橋上部結(jié)構(gòu)為裝配式鋼筋混凝土空心板梁，下部結(jié)構(gòu)為輕型橋墩、輕型橋臺，基礎(chǔ)為擴大基礎(chǔ)。

2 橋梁改擴建設(shè)計方案

2.1 上部結(jié)構(gòu)

2.1.1 現(xiàn)有橋梁上部主梁

該橋梁的上部結(jié)構(gòu)對于跨徑為8m,10m 的選用鋼筋混凝土板梁；而對跨徑為13m, 16m 的選用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板梁。在保證改擴建后結(jié)構(gòu)能夠滿足基本力學(xué)承載能力的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能利用原有結(jié)構(gòu)。為了改善主梁的承載能力，使其抗剪強度滿足設(shè)計要求，在原有混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增厚10cm，而路面的鋪裝層選用10cm 厚設(shè)計。通過外觀觀察及工程實測來初步確定可重復(fù)利用的結(jié)構(gòu)部分，并充分考慮改擴建對舊結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的損壞，適當(dāng)增加主梁改擴建工程量。

2.1.2 新建橋梁上部主梁

新建的預(yù)制板梁在高度尺寸上分別采用50cm,60cm, 70cm, 80cm 的設(shè)計，且橋面所用鋪裝層厚度取10cm。為了確保橋面各位置標(biāo)高一致，使其具有良好的平整度，再利用原有橋梁結(jié)構(gòu)對橋面進行了部分加厚處理，并適當(dāng)調(diào)整墊石的高度。對于跨徑為8m,10m, 13m, 16m 的板梁表面厚度取20cm；并對跨徑為10m 的板梁墊石做增高10cm 處理；對跨徑為13m 的板梁墊石做增高5cm處理。

2.1.3 新舊橋主梁連接

既有橋梁與加寬部分主要借助剛性連接進行組合，并且在橋面上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)進行強化，確保新舊結(jié)構(gòu)能夠形成一個整體，共同受力。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)的新建部分與原有結(jié)構(gòu)采取相同的形式。若既有橋梁的下部結(jié)構(gòu)能夠滿足改擴建的需求，則應(yīng)盡可能利用，并對其上存在的病害做出適當(dāng)處理。新舊蓋梁、臺帽一般不做連接處理，若舊橋墩臺蓋梁的寬度不滿足改擴建的抗震要求，那么還應(yīng)借助增大截面法完成加固，或者也可通過粘貼碳纖維板來補強處理[2]。原有橋梁采用柱式蓋梁設(shè)計，而新橋的下部結(jié)構(gòu)選用雙柱，在新舊結(jié)構(gòu)梁體之間預(yù)留了一定的縫隙。

對于原有橋梁采用肋板式橋臺設(shè)計的，其新建結(jié)構(gòu)一般應(yīng)優(yōu)先考慮選用肋板臺，并在其間預(yù)留一定的沉降縫。對于原有橋梁采用輕型橋臺設(shè)計的，其新建結(jié)構(gòu)一般應(yīng)優(yōu)先考慮選用輕型橋臺，并在新舊橋臺之間預(yù)留一定的縫隙。需要注意的是，橋墩及橋臺不做連接處理。為了提升路面施工質(zhì)量，舊橋臺耳墻及部分背墻需要通過鑿除將其標(biāo)高調(diào)整至路基之下。

2.3 基礎(chǔ)

為了降低新舊橋梁結(jié)構(gòu)之間發(fā)生不均勻沉降導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變異，可以采用樁基對加寬部位進行穩(wěn)定。若原有橋梁選用樁基，則可在加寬部位適當(dāng)調(diào)大其樁長或樁徑，以此來緩解由于不均勻沉降帶來的不利影響。在加寬部位的主梁支撐完成后，應(yīng)當(dāng)保證基礎(chǔ)沉降達到穩(wěn)定，以此來減少沉降差，隨后再完成新舊主梁的連接[3]。

2.4 附屬設(shè)施

橋頭搭板：為了避免在橋頭位置發(fā)生跳車現(xiàn)象，應(yīng)將原有橋梁的搭板完全拆除，并在加寬施工中對新舊部分一同完成搭板澆筑。

3 橋梁改擴建結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 空心板梁格模型

下面以跨徑為13m的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁為例展開分析，并進一步探究其承載能力。上文論述了在選擇橋涵加寬形式時需要考慮的主要因素，并盡可能采用上部分離、下部連接的方式，且在上部新舊結(jié)構(gòu)的搭接上選用濕接縫的設(shè)計。借助Midas Civil 有限元分析軟件，通過梁格法完善原有橋梁的模型。同時，分別按照加寬前后結(jié)構(gòu)中的最不利板塊，按照恒載和活載的組合工況進行分析，探究其在加寬前后的彎矩、剪力變化情況。由于改擴建前結(jié)構(gòu)內(nèi)最大內(nèi)力的大小及位置發(fā)生了一定的變化，所以在建模時做出了適當(dāng)?shù)暮喕幚怼?/p>

（1）加寬前預(yù)應(yīng)力空心板（13m跨徑）承載力驗算

本文所建立的有限元模型采用12 塊板拼接而成，其縱向共劃分有26 個單元，每個單元的尺寸為0.5m。為簡化分析，本研究忽略了溫度及徐變帶來的影響。圖1為預(yù)應(yīng)力空心板的Midas模型圖。

圖1 2#板模型示意

（2）加寬后預(yù)應(yīng)力空心板（13m跨徑）承載力驗算

原有橋梁在I 級設(shè)計荷載工況條件下，2#板單元的抗力低于其上的效應(yīng)，判定為不滿足力學(xué)性能要求。在對該橋梁做加寬處理后，分析結(jié)果表明2#板的抗彎及抗剪能力均滿足設(shè)計要求。此外，舊橋的改擴建也對原有結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生了積極作用。圖2為最大工況條件下2#板單元的抗力及效應(yīng)。

圖2 加寬前2#板截面抵抗彎矩與彎矩計算值對比

3.2 基礎(chǔ)不均勻沉降對擴寬橋梁的影響

3.2.1 沉降差值選取

對于采用整體擴寬的橋梁結(jié)構(gòu)，擴建結(jié)構(gòu)部分在完工后一段時間內(nèi)會發(fā)生持續(xù)沉降，同時其也會受到舊橋的約束作用，進而產(chǎn)生附加力，也即新橋結(jié)構(gòu)受到舊橋結(jié)構(gòu)的限制而出現(xiàn)向上的作用力；相反，舊橋受到新橋的作用也將出現(xiàn)向下的作用力，進而導(dǎo)致舊橋的沉降不斷上升，導(dǎo)致沉降差不斷增大。本研究的有限元分析中主要對三類沉降進行考慮：①新橋基礎(chǔ)橫向發(fā)生5mm 的均勻沉降；②新橋基礎(chǔ)的線形橫向沉降；③新橋基礎(chǔ)的非線性橫向沉降。

3.2.2 新舊橋連接處應(yīng)力對比

借助Midas Civil 軟件對支座沉降進行分析，并分析得到結(jié)構(gòu)內(nèi)6個支座各自的最不利情況，該研究選定的沉降量以當(dāng)?shù)匾酝こ逃涗洖闃?biāo)準(zhǔn)。分析得到舊橋結(jié)構(gòu)發(fā)生的沉降量及其整體分布情況，該分析的關(guān)鍵在于沉降差導(dǎo)致的舊橋空心板力學(xué)狀態(tài)變化。

對于采用鉸接、剛接的新舊橋連接部位進行有限元分析，其結(jié)果分別如圖3、圖4 所示。分析結(jié)果表明在不同拼接方式下空心板的力學(xué)性能存在一定差異。

圖3 鉸接連接處應(yīng)力值

圖4 剛接連接處應(yīng)力值

（1）根據(jù)圖3 可以發(fā)現(xiàn)，在鉸接的連接方式下，支座位置的應(yīng)力達到峰值，為2.53MPa。而跨中位置的應(yīng)力水平較低，這表明支座為該連接方式下的最不利位置。而在3種不同沉降模式下，均勻沉降、線性沉降及非線性沉降的應(yīng)力值呈現(xiàn)出“反號”的現(xiàn)象，其中線性沉降與非線性沉降的差別較小。

（2）根據(jù)圖4 可以發(fā)現(xiàn)，在剛接的連接方式下，同樣表現(xiàn)為支座處應(yīng)力水平為峰值，而跨中應(yīng)力較小。

（3）擴建結(jié)構(gòu)部分的基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致原有橋梁發(fā)生5mm 的沉降。在新舊結(jié)構(gòu)連接位置兩部分的應(yīng)力水平表現(xiàn)出對稱分布的趨勢，并且均勻沉降要明顯高于線性沉降的應(yīng)力水平，而線形沉降要明顯高于非線性沉降的應(yīng)力水平。

3.2.3 基礎(chǔ)不均勻沉降對濕接縫受力分析

基于工程實際條件，并結(jié)合該項目預(yù)期要求，將支座位置的沉降作為研究對象，假定原有橋梁不發(fā)生沉降現(xiàn)象，分析在新建結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沉降5mm 時接縫位置的應(yīng)力分布情況。

而在拓寬作業(yè)結(jié)束后，由于新建結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)發(fā)生沉降導(dǎo)致新舊接縫位置出現(xiàn)較為突出的應(yīng)力。以沉降差為5mm 為例，其拉應(yīng)力甚至可以達到3.67MPa，壓應(yīng)力最大也達3.29MPa，因此接縫位置就很容易出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。在這樣的情況下，就需要技術(shù)人員能夠合理化沉降差，并基于工程實際選用合適的方法進行控制，保證橋梁能夠始終處于可靠的狀態(tài)下。考慮到本項目的實際要求，在設(shè)計時將沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)定為5mm，并采取相應(yīng)的措施進行控制。

4 減小基礎(chǔ)不均勻沉降的措施

根據(jù)上文對加寬處理后橋梁沉降的影響分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擴寬方案確定后，即可確定與之相適應(yīng)的防治措施，將沉降差控制在可接受的范圍內(nèi)，使其能夠滿足沉降差允許值的要求。在實際工程中一般可采取以下措施進行處理。

（1）選用合適的基礎(chǔ)形式，一般可采取鉆孔樁基，并適當(dāng)調(diào)大樁徑與樁長，以此來緩解沉降。同時還應(yīng)對沉降控制難度較大的區(qū)域通過后壓漿技術(shù)進行處理，并適當(dāng)調(diào)大樁間距。此外，在基礎(chǔ)施工過程中，也應(yīng)嚴(yán)格把控質(zhì)量，減少沉渣的厚度。

（2）確定合適的拼接方式及施工工藝。在擴寬工序中應(yīng)盡可能早地完成板梁的架設(shè)，并及時開始后續(xù)混凝土澆筑，最終進行接縫處理。

（3）考慮到接縫位置構(gòu)造要求的特殊性，并且具有突出的應(yīng)力水平，因此很容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。在設(shè)計與施工中一般需要做防裂處理，并通過補償收縮混凝土的方式來抑制裂縫的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

本文主要以擴寬處理前后主梁力學(xué)性能的變化為研究對象，同時基于有限元軟件進行建模分析，定量評價了舊橋改造的效果。此外，對擴寬前后橋梁沉降的影響展開研究，對比了3種不同沉降模式下接縫位置的力學(xué)狀態(tài)，并以此給定了相應(yīng)的處理措施。在上述基礎(chǔ)之上，同時也提出了高速公路橋梁改擴建設(shè)計的建議，可為同類施工提供參考。