高速公路改擴建工程橋梁拼寬方案研究

肖永杰

摘要 文章以G3京臺高速公路蚌埠互通至路口段改擴建工程上跨武店鐵路立交橋為背景，輔以有限元軟件建立預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁模型進行受力分析，對高速公路改擴建工程橋梁拼寬方案進行研究。結(jié)合該項目路線方案，橋梁改造方案采用相等跨徑在既有橋梁兩側(cè)分別進行加寬拼接的方式。上跨鐵路橋梁既要滿足總體道路設(shè)計要求，也要保證鐵路運營安全。

關(guān)鍵詞 改擴建工程；橋梁拼寬；有限元模型；上跨鐵路

中圖分類號 U418.8文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0089-03

0 引言

隨著我國交通行業(yè)的不斷發(fā)展，高速公路已經(jīng)四通八達，一些現(xiàn)有的高速公路已經(jīng)無法滿足持續(xù)增長的交通需求，為緩解交通壓力，需要對高速公路進行改造和擴建。橋梁拼寬設(shè)計中，需要考慮多方面的因素，如結(jié)構(gòu)受力、施工技術(shù)、交通組織、造價等因素。該文依托安徽省G3京臺高速公路蚌埠互通至路口段改擴建工程上跨武店鐵路立交橋，對橋梁拼寬方案進行研究。

1 項目背景

該項目路線起于蚌埠互通北側(cè)順接G3京臺高速合徐北段，向南上跨水蚌鐵路，下穿合蚌高鐵及S17蚌淮高速，經(jīng)武店鎮(zhèn)東上跨武店鐵路，之后繼續(xù)向南下穿S12滁新高速進入合肥市境內(nèi)，終點位于路口樞紐互通立交。根據(jù)路線走向，該項目在道路里程K918+492.61處采用分離式立交橋上跨武店鐵路。

既有G3京臺高速公路蚌埠互通至路口段為雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，原橋梁整幅寬度27.5 m，該次改擴建方案采用雙向八車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，改建后橋梁整幅寬度41.5 m。

2 橋梁拼寬設(shè)計原則

（1）橋梁拼寬方案的確定要依據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點、施工工藝和交通組織等因素，在保證安全的情況下，綜合考慮成本和老橋利用的原則。

（2）橋梁拼寬方案基于項目建設(shè)期間整個工程交通組織設(shè)計，遵循安全、耐久、適用、經(jīng)濟的原則進行設(shè)計。

（3）拼寬橋梁上部結(jié)構(gòu)采取相等跨徑進行加寬，下部結(jié)構(gòu)依據(jù)地質(zhì)情況選用合適的構(gòu)造形式，橋墩采用雙柱式墩，并采用沉降量小的樁基礎(chǔ)作為拼寬新建橋梁的下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，以此減少新老橋不均勻沉降產(chǎn)生的附加內(nèi)力。

3 橋梁拼寬方案比選

拼寬新建橋梁與既有橋梁之間橫向拼寬模式是橋梁拼寬成敗與否的主要因素，通過對相關(guān)高速公路改擴建的成功經(jīng)驗，經(jīng)過分析，現(xiàn)將既有橋梁拼寬的三個方案分析如下：

3.1 上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)均不相連

拼寬設(shè)計中為減小新老橋梁連接的施工難度，且保證拼寬新建橋梁與現(xiàn)有橋梁各自受力明確，互不影響，橋梁加寬部分與既有部分的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)均不相連。

此拼寬方案可使施工流程簡化，同時也能有效解決新老橋梁連接的工藝問題，但拼寬橋梁的后期沉降大于既有橋梁的沉降，此差異沉降將對改建橋梁造成方方面面的問題，如翼緣板負彎矩增大、橋面縱向裂縫、降低行車舒適性等。綜合考慮實際情況，該項目改建橋梁不適宜采用上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)均不相連的拼寬方式。

3.2 上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)均連接

此拼寬方案將加寬橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)與既有老橋?qū)?yīng)部位通過翼緣板植筋，連接橫向鋼筋、縱向分布鋼筋并澆注濕接縫的方式相連起來。上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)相互連接可以使拼寬新建橋梁與既有橋梁形成一個整體。

方案優(yōu)點是將拼寬新建橋梁與現(xiàn)有老橋之間連接成一個整體，不足之處是新老橋梁差異沉降造成附加內(nèi)力較大，容易使結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生裂縫，影響橋梁安全，外觀不雅，并且維修困難。除此之外，新老橋梁的連接處理使工程成本增高，工期加長。根據(jù)該項目地質(zhì)情況，該項目改建橋梁不推薦上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)均連接的拼寬方案。

3.3 上部結(jié)構(gòu)相互連接、下部結(jié)構(gòu)不連接

上部結(jié)構(gòu)連接對下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力影響較弱，且下部結(jié)構(gòu)沒有相互連接，使得拼寬新建橋梁對既有橋梁的下部結(jié)構(gòu)也不產(chǎn)生內(nèi)力作用，但基礎(chǔ)差異沉降產(chǎn)生的次內(nèi)力會增大連接部位內(nèi)力?？紤]上部梁板結(jié)構(gòu)與下部墩臺基礎(chǔ)相比剛度較小，通過對上部結(jié)構(gòu)連接部位進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計及配筋，可以改善附加內(nèi)力產(chǎn)生的裂縫等病害。此方案已在國內(nèi)外多個改擴建工程中使用，目前運營狀態(tài)良好。

3.4 橋梁總體拼寬方案選擇

綜合以上三種方案優(yōu)缺點，推薦該項目橋梁采用“上連下不連”的拼寬模式，主要推薦理由如下：

（1）“上連下不連”的拼寬方案既可以滿足加寬后的橋梁結(jié)構(gòu)性能要求，又能使橋面混凝土鋪裝整體化施工，減少工期，保證改擴建后高速公路安全暢通的行駛需求。

（2）此拼寬方案可使橋梁下部結(jié)構(gòu)墩臺基礎(chǔ)直至上部結(jié)構(gòu)梁板均獨立施工，有利于現(xiàn)場施工安排，保證高速公路改擴建施工進度。

（3）加寬橋梁與既有橋梁上部結(jié)構(gòu)拼接部位的受力雖然受到新老橋梁基礎(chǔ)之間不均勻沉降差的影響，但沉降差問題可以采用相應(yīng)的技術(shù)方案解決，如拼寬新建橋梁墩臺基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)，并且在施工中嚴格控制樁基沉渣厚度，減少樁基的沉降，并通過增加樁長、樁底注漿等措施盡可能減小新建橋梁的基礎(chǔ)沉降。

4 上部結(jié)構(gòu)連接方案

既有橋梁與拼寬橋梁間上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆混凝土濕接縫將其連接形成一個整體，在對應(yīng)既有梁板橫隔板處設(shè)置一道橫梁，加強其整體性。拼寬橋上部結(jié)構(gòu)架設(shè)2個月后，再進行濕接縫澆筑連接，減少收縮徐變及基礎(chǔ)差異沉降的影響。對新舊梁板拼寬設(shè)計的橫向誤差通過現(xiàn)澆段調(diào)整。

5 既有武店鐵路分離立交橋拼寬方案

既有G3京臺高速上跨武店鐵路分離立交橋老橋為36 m×16 m空心板，柱式墩接擴大基礎(chǔ)，橋臺為U形橋臺，基礎(chǔ)為擴大基礎(chǔ)。根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）[1]，全橋結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況綜合評分Dr=79.53/79.13，評定該橋為3類橋。

5.1 既有老橋上部結(jié)構(gòu)驗算

根據(jù)《高速公路改擴建設(shè)計細則》（JTG/T L11—2014）[2]

第3.0.8條及3.0.9條規(guī)定，既有橋涵極限承載能力應(yīng)滿足或采取加固措施后滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求，評價承載能力極限狀態(tài)時應(yīng)采用現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 10002—2017）[3]第3.7.3條規(guī)定：上跨鐵路的公路橋“汽車設(shè)計荷載采用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計荷載的1.3倍”。計算考慮的情況如下：

原結(jié)構(gòu)利用新規(guī)范根據(jù)檢測結(jié)果折減0.8倍，并加上1.3倍活載計算。簡稱“原結(jié)構(gòu)+新規(guī)+折減+1.3活載”。

5.1.1 正截面抗彎承載能力驗算

正截面抗彎承載力荷載組合按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[4]第4.1.6條規(guī)定執(zhí)行，驗算結(jié)果應(yīng)符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[5]第5.2.2條相關(guān)規(guī)定。主橋正截面承載能力極限狀態(tài)強度驗算結(jié)果如圖1所示。

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[5]第5.1.2-1條γ0S≤R驗算，由圖2可知，正截面彎矩荷載效應(yīng)值在節(jié)點3～17的位置均大于抗彎承載力值，不滿足規(guī)范要求。

5.1.2 正截面抗裂性能驗算

根據(jù)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[5]第6.3.1條的規(guī)定，對A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用短期效應(yīng)組合下計算結(jié)果如圖2所示。

A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用（荷載）短期效應(yīng)組合下，應(yīng)符合下列條件：

σst?σpc≤0.7ftk （1）

由圖2知：σst?σpc=11.32 MPa（拉應(yīng)力）>2.4×0.8=

1.92 MPa（拉應(yīng)力），不滿足規(guī)范要求。

通過計算，既有橋梁上部結(jié)構(gòu)空心板正截面抗彎承載力和正截面抗裂性能檢算均不能滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[5]的要求。

5.2 既有老橋拼寬方案

G3京臺高速公路蚌埠互通至路口樞紐段改擴建上跨武店鐵路立交橋工程設(shè)計采用雙幅橋梁上跨武店鐵路，由于老橋建設(shè)年代久遠，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，并根據(jù)上述計算結(jié)論，結(jié)合橋梁檢測結(jié)果為3類橋、運營期多次對該橋進行維修加固，且老橋不滿足鐵路凈高要求，故該橋跨鐵路聯(lián)拆除重建，其余聯(lián)上部結(jié)構(gòu)空心板更換為矮T梁，下部結(jié)構(gòu)利用（拆除原有蓋梁，接長橋墩，新建橋墩蓋梁），兩側(cè)新建拼寬橋墩，新建橋墩為樁柱式橋墩以減少橋梁差異沉降，新老橋墩不連接，U形橋臺拆除，新建肋板式橋臺。既有老橋拼寬方案如圖3、圖4所示。

6 結(jié)語

隨著我國交通行業(yè)的快速發(fā)展，為緩解交通壓力，高速公路改擴建工程也越來越多，橋梁拼寬方案也需要得到廣泛應(yīng)用。該文從工程實際出發(fā)，對高速公路改擴建工程橋梁拼寬方案進行研究。橋梁加寬必須建立在對老橋檢測評定、加固維修與結(jié)構(gòu)檢算的基礎(chǔ)上，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、施工技術(shù)、交通組織、造價等因素選擇合適的拼寬方案。

參考文獻

[1]公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)： JTG/T H21—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[2]高速公路改擴建設(shè)計細則： JTG/T L11—2014[S]. 北京：人民交通出版社， 2014.

[3]鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范： TB 10002—2017[S]. 北京：中國鐵道出版社，2017.

[4]公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范： JTG D60—2015[S]. 北京：人民交通出版社， 2015.

[5]公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范： JTG 3362—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.