陳華軍

（日昇創(chuàng)意景觀規(guī)劃設(shè)計湖北有限公司，湖北 武漢 430074）

1 工程概況

該文以某山區(qū)高速公路橋梁改造工程項目作為研究對象，通過對現(xiàn)場的施工條件及地質(zhì)條件進(jìn)行分析，決定采用三跨連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)的橋梁形式。整座橋細(xì)分為兩聯(lián)，橋跨設(shè)計為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)（30m+50m+30m）+鋼混結(jié)構(gòu)的連續(xù)箱梁（2×20m），橋梁的總長度設(shè)計為167.08m。橋梁的主梁設(shè)計使用預(yù)應(yīng)力混凝土，混凝土的強度標(biāo)號為C50，墩身部位的混凝土強度標(biāo)號為C40，基礎(chǔ)部位的混凝土強度標(biāo)號為C30。

2 上連下不連加寬方式的有限元計算分析

2.1 新舊上構(gòu)鉸接簡支空心板受力特性

16m 的簡支空心板，根據(jù)新舊橋梁的上部結(jié)構(gòu)空心板的受力特性，技術(shù)參數(shù)如下?；炷恋膹姸葮?biāo)號為C40，彈性模量為3.3×10Pa，泊松比1/6。

結(jié)合原設(shè)計圖紙，原橋梁設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)是汽車-超20 級標(biāo)準(zhǔn)，該文則是按照現(xiàn)行的管理規(guī)范中公路-I 級標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計依據(jù)。橋梁兩側(cè)的車道的均布荷載值為q=10.5kN/m。

橋梁兩側(cè)的車道的集中荷載值：P=180+180÷45×11=224kN。

橋梁三車道荷載折減系數(shù)為0.78，在整個橋梁布載的情況下，空心板的彎拉應(yīng)力具體情況可以參照圖1。

舊橋加寬部分通常都是單車道或雙車道，加寬部位一般都是重車道或是慢車道，按照半幅布載狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計。具體的情況可以參照圖2。

為了探究出新建橋梁對既有結(jié)構(gòu)的影響，現(xiàn)假設(shè)新建部分上部結(jié)構(gòu)的一段支座的沉降量為1mm。將圖1 和圖2 中信息進(jìn)行對比，偏載會導(dǎo)致接縫部位的橫向彎拉應(yīng)力增大，從原本的1.55MPa 提高至1.94MPa，增長率為25.2%；但是縱向彎拉應(yīng)力則會因為傳荷作用反而呈現(xiàn)出降低現(xiàn)象。因此，對比可以發(fā)現(xiàn)，新空心板與舊空心板之間可能會出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，而這種不均勻沉降必然會導(dǎo)致接縫部位出現(xiàn)開裂。

2.2 新舊上構(gòu)剛接簡支空心板受力特性

因邊緣部位的空心板保養(yǎng)質(zhì)量較好，若使用前文中闡述的鉸接方法，則需要將邊梁廢掉，部分情況下也可以對邊板做加固處理，確保新空心板與舊空心板完成剛性連接。

荷載、材料計算與上文一致，不需要考慮不均勻沉降帶來的影響，按照全橋布載進(jìn)行計算，結(jié)果可知，在剛性連接形式下，空心板的橫向最大彎拉應(yīng)力減少，使用剛性連接時，縱向方向的彎拉應(yīng)力基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 空心板彎拉應(yīng)力云圖

偏載的存在會促使接縫部位的橫向彎拉應(yīng)力提高，由此可見，接縫部位的最大橫向彎拉應(yīng)力對于荷載分布的橫向位置比較敏感，依靠鋼混結(jié)構(gòu)根本就無法支撐上部荷載，應(yīng)該使用鋼板作進(jìn)一步的加固處理，保證接縫部位不會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。剛性接縫方式會促使接縫部位的橫向彎拉應(yīng)力降低，所以應(yīng)該使用剛性接縫方式。

圖2 偏載空心板彎拉應(yīng)力云圖

2.3 新舊上構(gòu)差異剛度鉸接簡支空心板受力特性

因邊板翼緣的上側(cè)都會砌筑防撞前提，結(jié)合設(shè)計層面來說，一般都是將配筋率降低，在加寬施工過程中，先將舊防撞墻鑿除，所以可以使用鉸接縫施工形式，下面使用有限元計算方法對鉸接縫的情況進(jìn)行計算分析。

對圖1（a）進(jìn)行分析，橫向彎拉應(yīng)力從原本的1.55MPa，提升至1.76MPa，提升率為13.5%，模量差的幅度并不是很大。由此可以斷定撓度與彎拉應(yīng)力的波動也不會太大。

2.4 計算分析結(jié)果

結(jié)果如下。1）假若空心板的邊板翼緣加寬施工方案使用的是剛性連接方式，那么使用鉸接連接形式更為合適，可以更好地適應(yīng)橋梁下部結(jié)構(gòu)的沉降問題。2）針對新舊主梁的橫向彎拉應(yīng)力方面的影響，若使用鉸接縫連接方式，可以提高的幅度較大；若選擇使用鉸接縫方式，提高的幅度較小。3）不均勻沉降會對橫向彎拉應(yīng)力造成比較大的影響，存在局部較為顯著的應(yīng)力，為保證接縫的初期不會損壞混凝土的強度，不管是使用哪種連接方式，均應(yīng)該施工鋼板作加固處理。4）山區(qū)高速公路拓寬，橫向連接部位的方式主要有以下2 種，分別為剛性連接、鉸接縫連接。針對地質(zhì)條件比較理想的部位，若新舊橋梁的沉降差異比較小，剛性連接、鉸接縫連接都可以使用；反之，則只能選擇使用剛性連接方式。5）新舊主梁的模量差問題，不管是使用剛性連接縫，還是使用鉸接縫，二者都會增大橫向彎拉應(yīng)力；假若鉸接縫提高的幅度比較大，那么剛性接縫的提高幅度則比較??；這2 種連接方式對于橋梁下部結(jié)構(gòu)的沉降影響都較為明顯，同時，應(yīng)力分布具備明顯的局部特性，這對于不良地段來說，不管使用哪種連接方式都需要使用鋼板進(jìn)行加固處理，否則會導(dǎo)致混凝土的早期強度受到較大的影響。

3 山區(qū)低等級公路橋梁拓寬設(shè)計要點

3.1 拓寬基本方法

基本方法如下。1）額外的設(shè)置鋼混結(jié)構(gòu)的懸臂梁。這種拓寬方法是最簡單的橋梁加寬改造方法，可以與其他方法一起使用。鋼混結(jié)構(gòu)的懸臂梁加寬方法不需要對橋墩作加寬處理，減少施工人員的工作量。2）增設(shè)邊梁或邊拱。通常情況下，加寬結(jié)構(gòu)構(gòu)件與原橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形式基本相同。但是通過深入調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，對于實腹式的橋梁加寬來說，加寬部位也會使用空心板，但是需要在空心板與原橋梁的拱橋之間設(shè)置沉降縫。因橋梁結(jié)構(gòu)的形式存在一定的差異性，且結(jié)構(gòu)剛度不同，在荷載的影響下，新橋結(jié)構(gòu)與舊橋結(jié)構(gòu)的跨中撓度必然會呈現(xiàn)出差異，在交付運營后可能會顯現(xiàn)出較多的質(zhì)量缺陷。3）增加強梁或強拱。這種方法不但可以對原橋梁進(jìn)行加寬，同時還可以提高橋梁的承載能力。這種加寬方法的特點主要為加寬部分的主梁剛度明顯的超過舊橋的剛度。

3.2 拓寬時新、老結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)方式

3.2.1 新、老結(jié)構(gòu)分離

橋梁加寬施工過程中，為了保證新橋結(jié)構(gòu)與舊橋結(jié)構(gòu)的受力分布均勻，且分布明確，二者之間不會產(chǎn)生影響，降低施工難度，施工單位會在新舊橋梁結(jié)構(gòu)之間設(shè)置工作縫。這種施工方法可以很大程度上簡化施工流程，消除連接過程中存在的問題，但是在汽車的活載影響下，新舊橋梁的主梁較大可能出現(xiàn)不均勻撓度，同時加寬部分橋梁的下部結(jié)構(gòu)沉降量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過舊橋的沉降量，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁的路面出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會減少行車舒適感，影響橋梁的安全性，增大后期橋梁維護(hù)的工作量。

新、老結(jié)構(gòu)分離施工方法有以下4 種：1）使用瀝青和木條作填充處理。1997 年時，廣佛高速擴建時就曾經(jīng)使用這種施工方法，但是由于長期受行車影響，新橋結(jié)構(gòu)與舊橋結(jié)構(gòu)的邊緣部位非常容易出現(xiàn)啃邊現(xiàn)象，促使填充物失效。2）使用鋼板作包邊處理。將鋼板包裹住接縫部位兩側(cè)的翼緣，能夠良好地解決啃邊現(xiàn)象，但是無法處理新舊橋梁結(jié)構(gòu)的撓度差異問題，且行車的安全性不足。3）采用橋面連接，這種方法使橋梁路面瀝青混凝土施工及鋪裝層施工保持連續(xù)性。但是受長期行車影響，新橋結(jié)構(gòu)與舊橋結(jié)構(gòu)的邊緣部位非常容易出現(xiàn)啃邊現(xiàn)象，促使填充物的效能蕩然無存。4）設(shè)置縱向伸縮縫。這種方法是利用自身的構(gòu)造，巧妙使用新舊橋梁的主梁形變，促使新舊橋梁的形變平穩(wěn)實現(xiàn)過渡，提高行車舒適感。目前全球范圍內(nèi)使用最多的方法就是英國的Britflex 縱向伸縮縫施工方法，這種方法的縱向變形偏差須控制在±100mm，豎向變形須控制在±75mm。

為了保證橋面鋪裝至伸縮縫的過渡時間段內(nèi)剛度不會突然變化，進(jìn)而導(dǎo)致鋪裝面損壞，通常都是根據(jù)伸縮縫的設(shè)計形式，選擇使用剛性橋面鋪裝。縱向伸縮縫在西方發(fā)達(dá)國家應(yīng)用程度比較高，但是這種方法的總造價非常高，同時需要后續(xù)頻繁的維護(hù)，所以未能夠在我國獲得廣泛的應(yīng)用。

該項目采用的是型鋼單縫式的伸縮縫，將其作為新舊橋面的鋪裝過渡構(gòu)造，結(jié)合實際運營狀況來說，該伸縮縫目前已使用超過1 年時間，期間并未出現(xiàn)錯臺、裂縫等質(zhì)量缺陷，整體應(yīng)用效果比較理想。

橋梁加寬過程中，通常不會將新舊橋梁的上部結(jié)構(gòu)分開，但是不包括以下3 種特殊情況。1）存在復(fù)雜的管線，促使新舊橋梁的橫向連接難度增大。2）橋面的行車道分為快車道、慢車道，且新舊橋梁結(jié)構(gòu)的接縫位置為中央分隔帶的位置。3）新舊橋梁的結(jié)構(gòu)形成不相同。

3.2.2 上下部結(jié)構(gòu)均連接

為了保證新建橋梁結(jié)構(gòu)與舊橋結(jié)構(gòu)形成1 個整體，降低在荷載作用下新舊橋梁接縫部位的變形程度，降低橋梁上下部結(jié)構(gòu)特殊部位的內(nèi)力，應(yīng)該將加寬部分的橋梁上部結(jié)構(gòu)與舊橋通過植筋方式進(jìn)行連接，然后澆筑混凝土，保證新橋與舊橋緊密地連接一體。

道路加寬工程項目內(nèi)，橋梁的橫向加寬是指將新舊橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)連接在一起，其關(guān)鍵點在于連接形式的選擇。上下部結(jié)構(gòu)連接方式的優(yōu)勢在于完成拼接以后，橋梁的整體性比較理想。但是它也存在缺陷，新橋梁的基礎(chǔ)沉降量非常大，進(jìn)而導(dǎo)致附加內(nèi)力變大，同時還會導(dǎo)致橋梁的下部結(jié)構(gòu)諸多構(gòu)件部位出現(xiàn)裂縫，使橋梁的服務(wù)功能性降低，提高后期維護(hù)的頻率。

3.2.3 上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)分離

橋梁加寬使用下部結(jié)構(gòu)分離施工方式，新結(jié)構(gòu)與舊橋梁的下部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力之間不會造成任何影響，橋梁上部結(jié)構(gòu)連接部位因新舊橋梁使用的原材料存在差異性，導(dǎo)致橋梁的附加內(nèi)力必然會發(fā)生較大的變化。針對以上質(zhì)量缺陷，傳統(tǒng)的處理方法為新橋結(jié)構(gòu)使用樁基礎(chǔ)，通過強化基礎(chǔ)處理、擴大樁身長度、擴大樁體直徑等方式，以達(dá)到降低基礎(chǔ)沉降的目的。

結(jié)合整體情況來說，可以遵照以下基本原則合理選擇拼接方式。寬拼連接方式，至拼接長度超過5m，拼接部分屬于獨立受力模式，原則上來說，上部結(jié)構(gòu)選擇使用弱連接方式，下部結(jié)構(gòu)選擇使用分離方式。

窄拼連接方式，至拼接長度部超過3m，拼接部分無法實現(xiàn)獨立受力，原則上來說，上部結(jié)構(gòu)選擇使用強連接方式。

除了這2 種情況以外的處理方式，可以根據(jù)實際情況合理選擇拼接方式。

3.3 拓寬橋梁橫向拼接構(gòu)造技術(shù)

橫向拼接構(gòu)造技術(shù)是橋梁加寬設(shè)計活動的核心內(nèi)容之一，設(shè)計過程須著重考慮新舊橋梁的地基沉降對橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響，混凝土的收縮對新舊橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況造成的影響。此外，還應(yīng)該兼顧“邊營運、邊施工”的施工方案對橋梁結(jié)構(gòu)造成的負(fù)面影響，并考慮行車對橋梁運營造成的影響。

當(dāng)舊橋的邊梁加寬完成后，在活性荷載的影響下，邊梁的撓度、內(nèi)力都會所有降低，剛性連接加寬對于橋梁的通行性能起到了積極性的作用。但是歸根結(jié)底，提高橋梁的通行性能的核心因素在于拓寬自身，并非是剛性連接或是鉸接方式。

拓寬后舊橋邊梁在活載作用下的撓度及內(nèi)力均大大降低，剛接銜接方式拓寬橋梁新橋與舊橋的橫向連接主要可分為三種形式：一是，橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)不作連接處理；二是，橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)果全部連接；三是，橋梁的上部結(jié)構(gòu)連接，橋梁的下部結(jié)構(gòu)分離處理。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹：1）橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)不作連接處理。上部結(jié)構(gòu)分離可通過兩種方式實現(xiàn)。①使用鋼板對舊橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行包邊處理。這種方式比較適合使用在半剛性橋面中，需要注意的是這種方法無法解決新舊橋梁之間的撓度差距過大問題，若行車速度比較快，則會存在一定的安全隱患；②采用縱向伸縮縫進(jìn)行連接。2）橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)果全部連接。其具體為新橋的上部結(jié)構(gòu)與舊橋的上部結(jié)構(gòu)采用植筋、濕接縫的方式進(jìn)行連接；舊橋的下部結(jié)構(gòu)與新橋相對應(yīng)部位使用鋼筋進(jìn)行連接，最后澆筑混凝土連接為一個整體。3）橋梁的上部結(jié)構(gòu)連接，橋梁的下部結(jié)構(gòu)分離處理新舊橋的上部結(jié)構(gòu)采用濕接縫、植筋方式進(jìn)行連接，下部結(jié)構(gòu)不做連接處理，單獨受力。

3.4 拓寬橋梁承載能力計算

設(shè)計橋梁拓寬時，設(shè)計人員應(yīng)該嚴(yán)格的按照現(xiàn)行設(shè)計管理規(guī)范展開設(shè)計作業(yè)。對于舊橋，先明確橋梁的承載力的設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定性、抗裂性能。具體來說，應(yīng)該保證橋梁在持久狀態(tài)下的承載能力的極限狀態(tài)與正常狀況下的極限狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，該研究主要對某山區(qū)公路橋梁加寬施工技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合具體的施工項目，著重關(guān)注了新舊橋梁的沉降差異、剛度差異性、偏載等問題，結(jié)合問題提出了合理的優(yōu)化建議。