高速公路改擴建橋梁設(shè)計要點研究

陳驍，高晗

（1.北京交科公路勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100000；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100000）

1 工程概況

某高速公路改擴建工程，線路全長約56 km，路段內(nèi)含有橋梁兩座，兩座橋梁均需改建。本項目是將原有的雙向4 車道改為雙向8 車道，橋梁及路基寬度由原本的25 m 擴建為42 m，設(shè)計速度為60 km/h。為確保高速公路橋梁改擴建后基本性能的完善，設(shè)計方應(yīng)基于既有橋梁和高速公路設(shè)計方案，明確橋梁改建設(shè)計的要點。目前，該高速公路橋梁改擴建工程已如期完工，橋梁改擴建設(shè)計方案得到有效落實。經(jīng)檢測，改建后的橋梁安全性能良好，符合城市高速公路橋梁相關(guān)要求。

2 橋梁設(shè)計原則

1）重視既有橋梁的勘察。設(shè)計人員應(yīng)在深入研究既有橋梁設(shè)計方案的基礎(chǔ)上進行現(xiàn)場記錄，分析橋梁結(jié)構(gòu)，計算橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，然后根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)計算橋梁改擴建設(shè)的設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)。

2）確定橋梁結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，以及路段耐久性等性能指標(biāo)，在保證橋梁穩(wěn)定性、載荷標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對比改擴建橋梁和原有橋梁的結(jié)構(gòu)、性能關(guān)系。通過對比、分析、評估確定橋梁的耐久性和載荷標(biāo)準(zhǔn)，在清晰、全面、系統(tǒng)的評估中提高橋梁的功能性，以明確橋梁改建拼寬區(qū)域的性能指標(biāo)。

3）設(shè)計人員應(yīng)充分參考既有橋梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，在保證結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的基礎(chǔ)上凸顯設(shè)計特色。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計人員還應(yīng)詳細分析既有橋梁改擴建的潛在風(fēng)險，并通過全面探究橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，加強橋梁設(shè)計勘察分析的方式，掌握既有橋梁設(shè)計概況，確保改擴建方案的可行性。

3 橋梁改擴建設(shè)計前準(zhǔn)備

高速公路橋梁改擴建的目的是完善原高速公路橋梁的結(jié)構(gòu)和基本功能，保障高速公路橋梁通行量，使其滿足新時期高速公路橋梁的應(yīng)用需求。因此，為提升高速公路橋梁改擴建設(shè)計方案的科學(xué)性，設(shè)計人員在橋梁改擴建設(shè)計前期，應(yīng)系統(tǒng)地整理既有橋梁的信息資料，勘測橋梁建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)條件，然后根據(jù)設(shè)計圖紙、地質(zhì)環(huán)境條件，分析各橋梁結(jié)構(gòu)拼接設(shè)計方案的可行性。此外，設(shè)計人員應(yīng)精準(zhǔn)測量既有橋梁的跨徑組合、梁板結(jié)構(gòu)尺寸、橋墩尺寸、蓋梁結(jié)構(gòu)尺寸、墊石高度等設(shè)計參數(shù)，同時調(diào)查分析既有橋梁的使用情況，查驗橋梁有無沉降、裂縫等質(zhì)量通病，以及橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量風(fēng)險，便于設(shè)計人員有針對性地優(yōu)化橋梁改擴建設(shè)計方案[1]。

4 高速公路改擴建橋梁設(shè)計要點

4.1 橋梁單雙側(cè)便道改擴建設(shè)計

高速公路改擴建工程中，設(shè)計人員在改擴建橋梁單雙側(cè)便道時，應(yīng)按照既有橋梁的實際情況，提前調(diào)研橋梁所處區(qū)域的公路結(jié)構(gòu)物、地形條件、交通流量，隨后根據(jù)橋梁改擴建后的設(shè)計值，計算橋梁路基寬度設(shè)計的合理范圍，確定單側(cè)、雙側(cè)便道設(shè)計方式，及其具體的寬度設(shè)計值。

上述橋梁改擴建工程中，設(shè)計速度為60 km/h，橋梁路基寬度設(shè)計為42 m，既有橋梁路基寬度為25 m，改造橋梁單側(cè)和雙側(cè)便道時，設(shè)計人員應(yīng)按照二者的差值，分別計算改造時橋梁單雙側(cè)便道的加寬。比如，橋梁路基寬度更改為42 m 時，橋梁路基共加寬17 m，若采用單側(cè)便道加寬方式，可按照橋梁周圍的空間分布情況，在單側(cè)增加17 m；若設(shè)計人員同時將橋梁兩側(cè)便道加寬，每側(cè)便道加寬8.5 m 即可。但是在設(shè)計單側(cè)橋梁便道時，設(shè)計人員還應(yīng)合理控制便道、橋梁邊線距離，保障橋梁改擴建后車輛通行的安全性；設(shè)計雙側(cè)橋梁便道時，設(shè)計人員還應(yīng)結(jié)合原有的雙向4 車道，分析改擴建后橋梁與高速公路車道銜接部位的合理性，便道結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合車輛導(dǎo)入要求。

4.2 橋梁拓寬改建設(shè)計

4.2.1 橋梁拓寬基礎(chǔ)設(shè)計

橋梁拓寬改建設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)在正式設(shè)計橋梁拓寬方案時，調(diào)查橋梁水文條件、周圍排洪工程、灌溉設(shè)施、航道規(guī)劃等，計算既有橋梁的標(biāo)高，然后在不擾動既有橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的前提下，設(shè)計新建橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。設(shè)計過程中應(yīng)重點設(shè)計新舊橋梁拼接區(qū)域的結(jié)構(gòu)，避免因設(shè)計缺陷引起新舊部分銜接問題。對新舊橋梁縱向接縫處理制訂方案時，設(shè)計人員應(yīng)考慮高速公路橋梁改建后的車輛荷載值、橋梁要達到的承載力，嚴(yán)格控制接縫兩側(cè)部分的高差。另外，新建橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載應(yīng)高于既有橋梁，并且符合既有橋梁的設(shè)計規(guī)范。

橋梁拓寬改建時，主線橋梁改建設(shè)計方法通常為橋梁下部結(jié)構(gòu)不連接，上部結(jié)構(gòu)相互連接的方式，橋梁結(jié)構(gòu)拼接過程中可從既有橋梁一側(cè)或兩側(cè)分別進行加寬。但是為了保障橋梁拓寬改建后的穩(wěn)定性，設(shè)計人員還應(yīng)結(jié)合實際情況，設(shè)計拓寬部位的橋梁下部結(jié)構(gòu)。一般情況下，雙向6 車道的橋梁下部結(jié)構(gòu)可設(shè)計為獨柱式墩；雙向8 車道的橋梁下部結(jié)構(gòu)可設(shè)計為雙柱式墩。但在設(shè)計雙柱式墩時，設(shè)計人員應(yīng)基于既有橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計、荷載設(shè)計，綜合考慮橋梁墩柱彎曲變形、非線性剪切變形、縱筋黏結(jié)滑移等問題，確定最佳設(shè)計參數(shù)。

4.2.2 橋梁拓寬結(jié)構(gòu)設(shè)計

高速公路改擴建橋梁設(shè)計中，不同的橋梁結(jié)構(gòu)的拓寬改建設(shè)計存在較大的差異。目前，橋梁建設(shè)領(lǐng)域中常見橋梁結(jié)構(gòu)包括空心板橋梁、箱梁、T 形組合梁橋等。

1）拓寬改建空心板梁橋時，新舊橋梁的拼接縫為主要設(shè)計內(nèi)容。一般情況下，設(shè)計人員可根據(jù)空心板橋梁的特點，分析其拓寬時的拼接難點，然后將橋梁拓寬結(jié)構(gòu)以鉸接縫、剛性連接縫、部分剛性連接縫的方式進行連接。（1）采用鉸接縫連接空心板橋梁結(jié)構(gòu)時，設(shè)計人員應(yīng)將相鄰梁體處的舊橋懸臂板去除，并設(shè)計可代替該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，用于連接新舊橋梁結(jié)構(gòu)，使其在后期能夠順利形成鉸接縫。（2）應(yīng)用部分剛性連接縫對新舊橋梁進行連接時，設(shè)計人員需結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)計方案，確定高速公路橋梁的各項性能指標(biāo)，準(zhǔn)確分析構(gòu)件連接效果與濕接頭剛性連接之間的關(guān)系。（3）設(shè)計人員可提前在既有橋梁、拓寬橋梁結(jié)構(gòu)的中間設(shè)計寬度為25~70 cm，厚度為15 cm的縱向濕接頭[2]。（4）將既有橋梁結(jié)構(gòu)中帶有懸臂的邊板鑿除，預(yù)留可安裝螺栓的橋梁結(jié)構(gòu)，然后設(shè)置橫向鋼筋、鋼板，使該結(jié)構(gòu)能夠從外側(cè)與既有橋梁結(jié)構(gòu)相互連接。（5）為確保新舊橋梁結(jié)構(gòu)中空心板間的連接效果，設(shè)計人員還應(yīng)在新、舊空心板橋梁結(jié)構(gòu)上設(shè)計現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，同時在橋梁結(jié)構(gòu)上橫向50 cm 寬度范圍內(nèi)設(shè)置鋼筋網(wǎng)。（6）設(shè)計人員可在新舊橋梁結(jié)構(gòu)上直接設(shè)計橫向的橋梁結(jié)構(gòu)，重新設(shè)計連接橋梁結(jié)構(gòu)的橋面板，并將其與橫向橋梁結(jié)構(gòu)相互連接，借此拓寬既有橋梁，使新舊橋梁順利連接。

2）拓寬改建T 形梁結(jié)構(gòu)時，新舊橋梁連接需要借助橫隔板。設(shè)計人員可通過兩種形式設(shè)計T 形梁結(jié)構(gòu)的拓寬改建方案：（1）設(shè)計人員可結(jié)合T 形組合橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，確定新舊橋梁改建時的連接需求，然后在拓寬橋梁結(jié)構(gòu)中增設(shè)橫隔板，使新舊橋梁結(jié)構(gòu)的橫隔板相互連接。（2）在新建橋梁結(jié)構(gòu)中增設(shè)翼緣板、橫隔板，連接新舊橋梁后拓寬高速公路T 形梁。相較于其他橋梁結(jié)構(gòu)，T 形梁結(jié)構(gòu)具有后期橋梁結(jié)構(gòu)整體性及安全性能好等優(yōu)勢。

3）連續(xù)箱梁橋拓寬設(shè)計中，主要拓寬設(shè)計形式可分為3 種：（1）根據(jù)既有橋梁的位置，確定拓寬區(qū)域，然后在新舊橋梁結(jié)構(gòu)銜接處設(shè)計縱向縫，縱向縫可使用瀝青混合料填充，或?qū)⑵湓O(shè)計為鋼板包邊的縫隙，但是為預(yù)防橋梁拓寬改建時出現(xiàn)啃邊、擾度差等問題，設(shè)計人員應(yīng)重點優(yōu)化縱向伸縮縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計。（2）設(shè)計人員可采用鉸接的形式，即在高速公路橋梁拓寬改造時，將新舊橋梁結(jié)構(gòu)的連接方式設(shè)計為柔性鉸連接半剛性鉸連接。（3）為在橋梁拓寬設(shè)計中保障新舊橋梁結(jié)構(gòu)的整體性，設(shè)計人員應(yīng)重視新舊橋梁結(jié)構(gòu)的變形差異，全面分析既有橋梁結(jié)構(gòu)、拓寬后橋梁結(jié)構(gòu)的局部受力情況和整體受力情況。然后在設(shè)計橋梁拓寬結(jié)構(gòu)時，采用可一次性連接的橋梁結(jié)構(gòu)。

4.3 橋梁改擴建拼接設(shè)計

確定高速公路橋梁拼接方式時，設(shè)計人員需要反復(fù)通過試驗、研究報告分析橋梁拼寬的設(shè)計要點和建設(shè)需求，制訂完善的橋梁改擴建拼接設(shè)計方案。高速公路橋梁改擴建設(shè)計過程中，橋梁改擴建拼接設(shè)計的主體包括混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)、橋梁涵洞、預(yù)應(yīng)力混凝土空心板結(jié)構(gòu)、橋梁通道設(shè)計等。拼接設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)、橋梁涵洞時，設(shè)計人員應(yīng)堅持同結(jié)構(gòu)、同跨徑、上聯(lián)下不聯(lián)的設(shè)計原則。

具體來說，橋梁改擴建拼接設(shè)計要點主要包括：（1）拼接空心板橋梁結(jié)構(gòu)、板式橋梁通道時，設(shè)計人員應(yīng)在新建橋梁結(jié)構(gòu)的翼緣處設(shè)計鋼筋結(jié)構(gòu)，并將其和舊橋結(jié)構(gòu)焊接。對于連續(xù)箱梁橋結(jié)構(gòu)的拼接方式，可采用混凝土弱剛性連接。（2）拼接加寬管涵時，設(shè)計人員可直接將橋梁結(jié)構(gòu)中的管涵、箱涵接長，同時加強拼接區(qū)域的防水設(shè)計。拼接板涵、箱涵、箱式通道時，設(shè)計人員應(yīng)按照涵接涵、箱接箱的設(shè)計思路，在板涵、箱涵、箱式通道接口設(shè)計寬度為2 cm 的沉降縫。（3）正式拼接橋梁結(jié)構(gòu)時，設(shè)計人員應(yīng)計算既有橋梁結(jié)構(gòu)的高程、坐標(biāo)，復(fù)核改建橋梁設(shè)計圖紙中的標(biāo)高、結(jié)構(gòu)位置，然后通過平面控制計算橋梁結(jié)構(gòu)拼接時的縱向誤差、橫向誤差，確定各關(guān)鍵節(jié)點的設(shè)計值、設(shè)計參數(shù)，以及橋梁結(jié)構(gòu)的分布情況[3]。

此外，為使橋梁改擴建設(shè)計后的平面偏差符合預(yù)期要求，設(shè)計人員還應(yīng)根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，計算橋梁結(jié)構(gòu)拼接時的樁位、柱位及蓋梁中心線的設(shè)計值，同時控制橋梁結(jié)構(gòu)高程，確定拼接縫混凝土斷面尺寸、新建橋面混凝土層設(shè)計厚度等設(shè)計參數(shù)，保障各項設(shè)計值符合橋梁工程改擴建設(shè)計要求。設(shè)計人員可按照既有橋梁的設(shè)計圖紙，計算新拼橋梁結(jié)構(gòu)的樁位，并結(jié)合既有舊橋墩臺結(jié)構(gòu)設(shè)計、蓋梁邊線設(shè)計，直接延長部分橋梁結(jié)構(gòu)，將其與新建橋梁結(jié)構(gòu)相互連接。

5 結(jié)語

綜上所述，為在城市化進程中，通過改擴建高速公路橋梁的方式完善城市交通運輸體系，相關(guān)人員應(yīng)依據(jù)現(xiàn)階段高速公路既有橋梁的設(shè)計方案，確定橋梁改建后的結(jié)構(gòu)形式，明確橋梁結(jié)構(gòu)拆除、改造時的設(shè)計要點。在此過程中，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合橋梁改擴建后的性能要求，以及城市橋梁工程建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實事求是地優(yōu)化橋梁改擴建設(shè)計，強化改建后橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能，為我國交通運輸行業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造有利條件。