福建省高速公路橋梁拼接技術(shù)狀況調(diào)查與分析

陳翎輝，楊新燕，黃文金，蘇 華，柯荔微，何加泉，潘國雄

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福建 福州 350004）

0 引言

隨著城市范圍擴大和道路交通等級提升，許多公路橋梁面臨拓寬升級或者改造為城市橋梁，需要對橋梁進行拼接[1]。然而，橋梁拼接作為非常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容，沒有專門的設(shè)計規(guī)范，而拼接構(gòu)造與主梁截面型式、拼接剛度和使用條件等有關(guān)，這就導(dǎo)致橋梁拼接在設(shè)計方法和施工質(zhì)量上沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。而且，在橋梁運營階段也沒有針對拼接結(jié)構(gòu)的專門維養(yǎng)措施，導(dǎo)致拼接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)眾多病害，進而影響橋梁的安全性、耐久性和行車舒適度。近年來，越來越多的業(yè)界人士關(guān)注并著手處理這一類問題。

作為海西公路網(wǎng)的主骨架，沈海高速公路福廈段（以下簡稱為福廈高速公路）是福建省最早進行道路拓寬的高速公路，自2010 年完成拓寬以來經(jīng)歷了多次維養(yǎng)，但是拼接橋梁仍存在許多病害。故以福廈高速公路拼接橋梁為研究對象，統(tǒng)計橋梁拼接結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式和病害特征，對橋梁拼接方式的適用性進行分析，為制定拼接橋梁病害處治方案提供指導(dǎo)，并針對常見主梁的拼接方案提出建議。

1 橋梁拼接形式分類

不同地域不同時期的橋梁拼接構(gòu)造特點和稱呼略有不同[2]。按拼接位置及涉及范圍，橋梁拼接可分為上下部結(jié)構(gòu)均不連接（本文簡稱為“上下均不連”）、上下部結(jié)構(gòu)均連接（本文簡稱為“上下均連”）和上部結(jié)構(gòu)連接而下部結(jié)構(gòu)不連接（本文簡稱為“上連下不連”）三種。

上下均不連主要通過設(shè)置變形縫以及橋面鋪裝連續(xù)的方法，新舊主梁不連接。該形式新舊結(jié)構(gòu)受力明確，能夠避免復(fù)雜的拼接構(gòu)造問題，同時對交通影響較小。但是由于新舊主梁之間相互獨立，容易發(fā)生橋面鋪裝層破損、縱向開裂和翼緣啃邊等病害。

上下均連主要通過植筋方法進行連接。該形式在新舊橋之間設(shè)置有效的橫向聯(lián)系，可減小新舊橋主梁之間的變形差，但基礎(chǔ)沉降等作用會在新舊橋拼接處產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，嚴(yán)重時導(dǎo)致開裂。并且，該形式的構(gòu)造很復(fù)雜，一般需要對原有地基進行加固和臨時封閉交通。

上連下不連是目前橋梁拼接方案的主流形式[3]。該形式集成了上下均不連和上下均連兩種形式的優(yōu)點，既可滿足橋梁整體性所需要的拼接剛度，也在一定程度上降低了基礎(chǔ)沉降等作用的不利影響，且一般只需要局部占道施工而無需封閉交通，一定程度上緩解拼接施工對交通的影響。

2 橋梁拼接現(xiàn)狀調(diào)查

該項目共調(diào)查了福廈高速公路上的411 座拼接橋梁。這些大橋多分布于福州段、泉州段和廈門段。莆田段多為軟弱地基，故橋梁拓寬通常采用分離式建設(shè)而較少采用拼接方法。福廈高速公路橋梁拼接均采用相同截面的主梁，而且不同主梁的拼接橋梁病害特點不一，故下面分別統(tǒng)計板梁橋、T 梁橋和箱梁橋的拼接現(xiàn)狀。

2.1 板梁拼接板梁

理論上，板梁拼接板梁上下均不連，可充分發(fā)揮板梁構(gòu)造簡單、受力明確的特點。但該形式容易使得上部結(jié)構(gòu)單板受力，橋面鋪裝層損壞嚴(yán)重，且極易造成新舊橋撓度差等問題，在橋梁拓寬工程中較少采用。在福廈高速公路橋梁拼接中，共有388 座橋（分離式按照兩座計）采用板梁拼接板梁的形式，且全部采用鉸接，其中，372 座橋上連下不連，占比95.9%，剩下的16 座橋（見表1）上下均連，占比4.1%。

表1 上下均連的福廈高速公路板梁拼接板梁采用拼接形式橋名表

板橋拼接板橋的病害統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖1 所示，圖中縱坐標(biāo)是指出現(xiàn)病害的橋例與全部橋例之比。對于上連下不連，如圖1（a）所示，主要病害為支座脫空、底板開裂和墩臺開裂。對于上下均連，如圖1（b）所示，主要病害為底板開裂、支座脫空、墩臺開裂和橋面鋪裝層破損，其中，底板開裂由上連下不連的第二大概率上升為第一大概率，橋面鋪裝層破損也上升為第四大概率。

理論上，上下均連的結(jié)構(gòu)整體性更強，上部結(jié)構(gòu)的病害應(yīng)該少于上連下不連的。但是，從對比圖1（a）和圖1（b）可以發(fā)現(xiàn)，上下均連的上部結(jié)構(gòu)病害出現(xiàn)概率總和為100.2%，而上連下不連的為72.6%，即上下均連的橋梁上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)更多的病害。對于這一現(xiàn)象，有待深入研究。另外，上下均連橋梁的下部結(jié)構(gòu)病害出現(xiàn)概率總和為25.0%，而上連下不連的為23.5%，兩者差別不大。從橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害的總概率來看，上下均連的為125.2%，而上連下不連的為96.1%，即上連下不連的病害更少。由此可見，對于板梁拼接板梁，建議優(yōu)先采用上連下不連的拼接形式。

圖1 板梁拼接板梁的病害統(tǒng)計數(shù)據(jù)柱狀圖

2.2 T 梁拼接T 梁

福廈高速公路T 梁拼接T 梁共有17 座橋，包括浦頭大橋、石潯大橋、潯美高架橋、沉洲特大橋引橋、錦美大橋、小盈嶺1 號橋、小盈嶺2 號橋和楓亭大橋等八座橋的左、右線橋，以及玉蘭中橋左線橋。T 梁拼接T 梁全部采用上連下不連的拼接形式。

T 梁拼接T 梁的典型病害見圖2 所示，與板梁拼接板梁的類似，但出現(xiàn)的概率更大。對于橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)的所有病害，T 梁拼接T 梁出現(xiàn)病害的概率為229.5%，板梁拼接板梁出現(xiàn)災(zāi)害的概率為96.1%，見圖1（a）所示，這說明T 梁拼接T 梁出現(xiàn)更多的病害。此外，對于T 梁拼接T梁，九種典型病害的出現(xiàn)概率平均為25.5%，這應(yīng)引起重視。

圖2 T 梁拼接T 梁的病害統(tǒng)計數(shù)據(jù)柱狀圖

由于T 梁抗扭剛度差、翼緣厚度小，國內(nèi)外T 梁拼接T 梁往往采用剛接形式，即通過后澆的橫隔板將新舊主梁聯(lián)結(jié)在一起，以加強上部結(jié)構(gòu)的整體性，但下部結(jié)構(gòu)保持獨立。然而，在新舊橋梁基礎(chǔ)沉降、新橋混凝土收縮徐變、溫度變化等作用的不利影響下，上連下不連的結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力不可忽視。此外，T 梁橋的跨徑一般大于板梁橋，而且T 梁的活載橫向分布不均勻性一般比板梁的顯著；因此，當(dāng)不計及幾何參數(shù)和材料特性的影響時，拼接對T 梁的影響要大于對板梁的影響。從病害程度上看，這些病害對于結(jié)構(gòu)耐久性有較大影響，但對結(jié)構(gòu)極限承載力影響不大，也不顯著影響橋梁的正常使用性能。

2.3 箱梁拼接箱梁

福廈高速公路箱梁拼接箱梁共有六座橋。其中，四座橋上下均不連，兩座橋上連下不連。對于上下均不連的橋梁，如錦美大橋和潯美高架橋的左、右線橋，其拼接處出現(xiàn)翼緣啃邊，以及漏水現(xiàn)象；對于上連下不連的橋梁，如驛峰橋的左、右線橋，采用翼緣剛接的拼接形式，僅箱梁翼緣板出現(xiàn)少許裂縫。

單從此次調(diào)查數(shù)據(jù)看，福建省公路橋梁采用箱梁的比例很少。不過，箱梁拼接箱梁上下均不連的病害相對較嚴(yán)重。此外，結(jié)合省內(nèi)外其他線路的案例看，箱梁橋在進行拼接時較少上下均連，廣佛高速、滬寧高速的箱梁橋拼寬均為上連下不連[4，5]。通過對珠江三角區(qū)箱梁拼接調(diào)查，以及對箱梁跨度、翼緣寬度與撓度三者關(guān)系的研究，文獻[6]認(rèn)為箱梁采用翼緣板進行拼接時，跨徑小于50 m 時不需要對翼緣進行處理，跨徑在50～100 m 時需要對翼緣進行特殊處理。顯然，箱梁拼接箱梁宜上連下不連，拼接設(shè)計重點在于對翼緣局部應(yīng)力控制，加強翼緣拼接構(gòu)造設(shè)計。

2.4 典型病害特征

為減少橋梁維養(yǎng)工作量，并根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》[7]關(guān)于病害類型的規(guī)定，福廈高速公路拼接橋梁病害可劃分為橋面系病害、上部結(jié)構(gòu)病害和下部結(jié)構(gòu)病害。

2.4.1 橋面系病害

福廈高速公路拼接橋梁的橋面系病害主要為橋面鋪裝層破損和伸縮縫損壞。

（1）橋面鋪裝層破損

橋面鋪裝層破損主要為新舊橋接縫處上方沿縱橋向產(chǎn)生一條或多條裂縫，見圖3 所示。

圖3 拼接處橋面鋪裝層破損之實景

（2）伸縮縫損壞

伸縮縫損壞主要為伸縮縫型鋼扭曲以及錨固區(qū)混凝土損壞，見圖4 所示。

2.4.2 上部結(jié)構(gòu)病害

福廈高速公路拼接橋梁的上部結(jié)構(gòu)常見病害為翼緣板開裂、底板開裂、腹板開裂、支座橫向位移、支座剪切破壞和支座脫空。

2.4.2.1 翼緣板開裂

翼緣板開裂主要表現(xiàn)為新舊橋主梁翼緣板沿拼接縫產(chǎn)生縱向裂縫，往往分布在舊橋翼緣上部、拼接處新舊混凝土結(jié)合面和新橋翼緣根部。

2.4.2.2 底板開裂

底板開裂主要表現(xiàn)為新舊主梁底板產(chǎn)生縱向裂縫（見圖5 所示），往往分布在靠近加寬橋梁一側(cè)的邊板。

圖5 底板開裂之實景

2.4.2.3 腹板開裂

腹板開裂主要表現(xiàn)為新舊主梁腹板產(chǎn)生斜向裂縫（見圖6 所示）[8]，往往分布在靠近拼接縫的新舊主梁腹板處。

圖6 腹板開裂之實景

2.4.2.4 拼接橋梁支座病害

拼接橋梁支座病害主要有支座橫向位移、支座剪切破壞和支座脫空，其表現(xiàn)特征與常規(guī)支座病害類似。

2.4.3 下部結(jié)構(gòu)病害

福廈高速公路拼接橋梁的下部結(jié)構(gòu)常見病害為橋梁抗震擋塊破損和墩臺開裂。

2.4.3.1 橋梁抗震擋塊密貼破損

橋梁抗震擋塊密貼破損主要表現(xiàn)為新舊主梁緊頂抗震擋塊，嚴(yán)重時抗震擋塊被新舊主梁剪切破損，見圖7 所示。

圖7 抗震擋塊密貼之實景

2.4.3.2 墩臺開裂

橋梁墩臺為大體積構(gòu)件，剛度大，即使發(fā)生微小的基礎(chǔ)沉降也容易開裂，嚴(yán)重時甚至破碎。墩臺開裂形式主要有斜向裂縫、半環(huán)形裂縫（沿圓周橫向裂縫），見圖8 所示。

圖8 橋墩開裂之實景

3 拼接橋梁病害原因分析

實際上橋梁拼接病害具有一定的特殊性，其產(chǎn)生的原因與橋梁拼接前的結(jié)構(gòu)健康狀況和拼接時所采取的拼接形式，以及拼接后的運營情況密切相關(guān)。

橋梁拼接后，對結(jié)構(gòu)受力影響較大的因素主要有活載作用、新橋基礎(chǔ)的不均勻沉降作用、新橋混凝土的收縮和徐變作用等[9，10]。橋梁拼接后，上部結(jié)構(gòu)由原來的一種截面轉(zhuǎn)換成多種截面共同受力，上部結(jié)構(gòu)的受力體系發(fā)生改變，荷載橫向分布模式發(fā)生改變。

3.1 車輛荷載作用

對于拼接橋梁，舊橋往往已經(jīng)建成多年，新舊橋梁設(shè)計所依據(jù)的規(guī)范存在差異[4]，如表現(xiàn)為道路等級或荷載標(biāo)準(zhǔn)提高。再加上交通量提升、超限車輛通行等原因，由車輛荷載作用引起的橫向彎曲應(yīng)力超過混凝土抗拉強度，從而導(dǎo)致拼接橋梁產(chǎn)生橋面鋪裝層開裂、伸縮縫損壞、底板開裂[11-13]和翼緣板開裂等病害。

3.2 基礎(chǔ)沉降差

新舊橋基礎(chǔ)沉降差是橋梁拼接工程中的常見問題[14]。橋梁拼接后，新橋基礎(chǔ)沉降使得新舊橋之間產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力，嚴(yán)重時導(dǎo)致橋面鋪裝破損、伸縮縫損壞、翼緣板開裂、腹板開裂和墩臺開裂等病害[8，15，16]。

3.3 混凝土收縮徐變差

橋梁拼接時，舊橋混凝土的收縮徐變基本完成，而新橋混凝土的收縮徐變還在發(fā)展當(dāng)中，新橋混凝土收縮徐變受到舊橋的約束，因此舊橋整體向新橋方向偏移，新舊橋在平面上發(fā)生彎曲變形、梁端發(fā)生橫向偏位[17，18]，最終導(dǎo)致拼接橋梁支座發(fā)生橫向位移，嚴(yán)重時導(dǎo)致支座剪切破壞或脫空，以及抗震擋塊剪切破壞。

4 結(jié)論

在福建省高速公路達通檢測有限公司的大力支持下，開展了福廈高速公路411 座拼接橋梁設(shè)計資料分析和實地調(diào)研，對拼接橋梁技術(shù)狀況進行了統(tǒng)計分析。分析結(jié)果表明，福廈高速公路橋梁拓寬除了少數(shù)在軟基地區(qū)采用分離式建設(shè)外，其余均采用橫向拼接形式，其拼接形式及其運營狀態(tài)具有顯著的統(tǒng)計特征，具體而言主要有：

（1）拼接橋梁均采用相同主梁截面型式，且以中小跨徑簡支結(jié)構(gòu)為主。其中，絕大多數(shù)為板梁拼接板梁，T 梁拼接T 梁次之，箱梁拼接箱梁很少。

（2）從拼接部位來看，橋梁拼接主要采用上連下不連的拼接形式。對于板梁拼接板梁，絕大多數(shù)采用上連下不連的形式，少量采用上下均連的形式，并全部采用鉸接；對于T 梁拼接T梁，全部采用上連下不連的形式，并全部采用剛接；對于箱梁拼接箱梁，統(tǒng)計樣本不多，主要采用上下均不連的形式。

（3）對于板梁拼接板梁，主要病害為支座脫空、底板開裂和墩臺開裂；上下均連的病害比上連下不連的更嚴(yán)重。對此，建議板梁拼接板梁優(yōu)先采用上連下不連的形式。

（4）對于T 梁拼接T梁，病害最嚴(yán)重且主要表現(xiàn)為支座脫空、腹板開裂和支座剪切變形。這些病害雖然對結(jié)構(gòu)極限承載力和正常使用性能影響不大，但是對結(jié)構(gòu)耐久性有較大影響，應(yīng)引起重視。建議T 梁拼接T 梁優(yōu)先采用上連下不連的拼接方式。

（5）對于箱梁橋拓寬，若不拼接則會在車輛荷載作用下因撓度差而發(fā)生啃邊，且會引起滲水，對交通安全也不利。建議箱梁拼接箱梁優(yōu)先采用上連下不連的翼緣剛接形式，但應(yīng)注意局部應(yīng)力控制，加強翼緣拼接構(gòu)造設(shè)計。

（6）拼接橋梁橋面系病害主要有橋面鋪裝層破損和伸縮縫損壞。上部結(jié)構(gòu)常見病害為翼緣板開裂、底板開裂、腹板開裂、支座橫向位移、支座剪切破壞和支座脫空；下部結(jié)構(gòu)常見病害為橋梁抗震擋塊破損和墩臺開裂。

需要特別指出的是，本文有關(guān)拼接橋梁病害的統(tǒng)計特征是基于現(xiàn)狀分析獲得的，而有關(guān)拼接橋梁病害的處治措施，應(yīng)結(jié)合拼接前的結(jié)構(gòu)健康狀況和拼接后的病害發(fā)展規(guī)律，綜合判斷其產(chǎn)生機理后再對癥制定。