蔣彥鵬
(中鐵二十三局集團(tuán)第一工程有限公司,山東 日照 276826)
近年來(lái),我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動(dòng)了交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展;同時(shí),人員和物資的頻繁流動(dòng)也使得交通需求激增。完全靠新建公路去緩解交通擁擠代價(jià)過(guò)大,因此對(duì)早期公路進(jìn)行加寬改造,提高其道路等級(jí)及通行能力,是一種切實(shí)可行的途徑[1]。因此國(guó)內(nèi)對(duì)早期公路及橋梁進(jìn)行了大規(guī)模的拓寬改擴(kuò)建工程[2],如2010年竣工的鄭州—洛陽(yáng)高速公路、泉州—廈門(mén)高速公路、京港澳高速公路,2011年竣工的西安—寶雞高速公路、柳州—南寧高速公路,2015年竣工的長(zhǎng)春—四平高速公路等,這些高速公路改擴(kuò)建均由建造初期的四車(chē)道改為八車(chē)道[3-4]。高速公路的改擴(kuò)建涉及了道路、橋涵等構(gòu)造物的改擴(kuò)建,道路工程的改擴(kuò)建一般在原有道路兩邊或一邊進(jìn)行加寬處理,而橋涵構(gòu)造物的改擴(kuò)建不僅要面臨新舊橋梁的拼接問(wèn)題還需要考慮原有橋涵的承載能力是否滿足需求等技術(shù)難題,因此橋涵工程的改擴(kuò)建較為復(fù)雜[5]。
合理的橋梁改造及加寬技術(shù)對(duì)于保證施工過(guò)程中現(xiàn)有橋梁的通暢,以及提高改造后的使用性能和耐久性具有重要意義。傳統(tǒng)橋梁改造及加寬多以增加主梁的方式進(jìn)行,增加的主梁一般與原橋具有相同的結(jié)構(gòu)尺寸、截面形式以使新舊橋梁結(jié)構(gòu)受力體系一致。但是一些情況下,如舊橋承載力不足以滿足預(yù)制混凝土梁吊裝、橋下不具備設(shè)置支架的條件等,采用上述增加主梁的方法則無(wú)法滿足設(shè)計(jì)、施工和使用的要求。
為了克服傳統(tǒng)加寬方式的困難和不足,可以采用鋼-混組合梁 或者鋼結(jié)構(gòu)撐桿加寬的方法。這是由于鋼結(jié)構(gòu)具有截面尺寸較小、自重較輕、便于制造及運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢(shì),可以保證加寬過(guò)程中現(xiàn)有橋梁的暢通,并具有優(yōu)越的力學(xué)性能?;诖?,本文首先總結(jié)橋梁加寬方法及新舊橋梁拼接技術(shù),并通過(guò)預(yù)制T梁、預(yù)制空心板加寬拼接設(shè)計(jì)指出傳統(tǒng)加寬方法與鋼-混組合梁加寬方法的差異性。
橋梁加寬方式有單邊拓寬與雙邊拓寬兩種形式,單邊拓寬通常指的是利用原橋的設(shè)計(jì)方向及長(zhǎng)度,平行原橋一側(cè)新建一座橋跨結(jié)構(gòu);雙邊拓寬則是在原有結(jié)構(gòu)兩側(cè)增設(shè)相應(yīng)的主梁。具體加寬方法具有多樣性,傳統(tǒng)加寬方法主要包含以下幾種[6]。
當(dāng)原橋交通不能中斷,或者拆除重建經(jīng)濟(jì)性不理想,或者只能降低標(biāo)準(zhǔn)使用時(shí),一般使用單邊拓寬方法,即在舊橋合適的一側(cè)新建橋梁達(dá)到橋梁拓寬的目的。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是減小了新加寬橋梁部分對(duì)原橋的影響,新舊結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立避免了橫向聯(lián)結(jié)施工的技術(shù)難題。這種方式實(shí)際就是新建一座橋梁,其成本較高,如早期的沈大、佛開(kāi)及廣佛高速均采用這種方法,如圖1所示為原有空心板橋梁通過(guò)新建預(yù)制混凝土小箱梁進(jìn)行加寬。
當(dāng)原有主梁承載力不能滿足現(xiàn)階段通行要求時(shí),可以在原有主梁截面基礎(chǔ)上新增主梁,值得注意的是,采用增加主梁法施工時(shí)需要適當(dāng)加大橋梁的樁基礎(chǔ)及承臺(tái)(見(jiàn)圖2)。這樣可使原橋主梁的荷載橫向分布系數(shù)變小,從而在拓寬橋梁的同時(shí)提高橋梁的承載力。
橋梁加寬時(shí)需要拆除橋梁欄桿及人行道板,然后在一側(cè)或兩側(cè)增設(shè)邊梁。這種方法需要考慮原有橋梁下部基礎(chǔ)承載力是否足夠以及原有橋梁蓋梁是否需要進(jìn)行加寬處理,因此實(shí)際施工時(shí)具有一定的局限性,如圖3所示為預(yù)制混凝土小箱梁橋采用增加邊梁法加寬的示意圖。
懸臂挑梁加寬法適用于原有橋梁下部結(jié)構(gòu)性能完好,設(shè)計(jì)承載力遠(yuǎn)大于上部結(jié)構(gòu)壓力,可以滿足加寬后上部結(jié)構(gòu)壓力增大情況,可以先拆除橋梁兩側(cè)護(hù)欄,對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理加固,提高橋梁上部結(jié)構(gòu)承載力,之后對(duì)橋面鋪裝層進(jìn)行破碎處理,利用三滾軸鋪裝機(jī)重新澆筑橋面鋪裝混凝土,然后在橋梁兩側(cè)增設(shè)懸臂,用作行車(chē)道板或者人行道板(見(jiàn)圖4)。最后重新在行車(chē)道板兩側(cè)安裝護(hù)欄,從而達(dá)到加寬橋梁的目的。
如圖5所示為組合梁加寬示意圖。與傳統(tǒng)的橋梁加寬方式相比,采用鋼-混凝土組合梁加寬橋梁,使新舊結(jié)構(gòu)協(xié)同工作,具有如下的特點(diǎn)[7]:1)組合梁吊裝質(zhì)量輕、施工方便,對(duì)現(xiàn)有交通影響??;2)因后期沉降量較小,組合梁施工完成后可以有效的保證新舊橋梁間不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的沉降,有效防止結(jié)合部位的開(kāi)裂;3)組合梁可利用其特性有較大的荷載分布系數(shù),可以承受更大的車(chē)輛與行人產(chǎn)生的荷載,對(duì)原橋具有較好的卸載作用;4)利用組合梁進(jìn)行橋梁加寬可以使新舊橋梁共同受力,如圖6所示的加寬構(gòu)造可以較少的損傷舊橋結(jié)構(gòu),全橋也具有較高的強(qiáng)度和剛度。
考慮到單側(cè)新建橋梁加寬法對(duì)原有地面空間的占用較多,設(shè)計(jì)階段可行性研究將產(chǎn)生較大的成本,即可考慮在舊橋橋梁左右幅中間新建基礎(chǔ)及承臺(tái)墩身等下部結(jié)構(gòu),采用鋼主梁結(jié)構(gòu)兩側(cè)連接,鋼主梁可通過(guò)大橫梁搭接在舊橋兩側(cè),此方法既實(shí)現(xiàn)了對(duì)原橋的加寬又兼顧了盡量小的干擾原有地面空間的優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)圖7)。
當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋以及T 梁橋需要加寬橋梁時(shí),可以采用撐桿加寬的方式進(jìn)行。此方法具有高度靈活性、較新建橋梁投資少的優(yōu)點(diǎn)。如圖8所示為兩車(chē)道預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋通過(guò)撐桿進(jìn)行加寬至三車(chē)道橋梁,撐桿采用直徑30 mm的鋼管;如圖9所示為兩車(chē)道T梁橋通過(guò)直徑15 mm的鋼管加寬至三車(chē)道。
加寬橋梁的新舊結(jié)構(gòu)之間面臨著連接的問(wèn)題,目前國(guó)內(nèi)外拼接方法主要包含如下三種[8]:
1)上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)均不連接。
第一種拓寬方法的結(jié)構(gòu)分離,施工完成后在新舊橋梁之間將存在保留一條工作縫,上部結(jié)構(gòu)測(cè)量定位安裝后可通過(guò)橋面連續(xù)實(shí)現(xiàn)橫向的搭接,主要適用于舊橋下部結(jié)構(gòu)完好且下部結(jié)構(gòu)承載力較高,可支撐橫向加寬后上部結(jié)構(gòu)靜載及動(dòng)載要求的橋梁。由于新建加寬橋梁為獨(dú)立受力體系,僅通過(guò)橋面板的傳遞與舊橋相連,施工難度大大縮短,對(duì)舊橋采取的處理措施較少,時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本較低。
2)上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)均連接。
第二種拓寬方法新舊橋梁聯(lián)系緊密,施工時(shí)需要預(yù)先對(duì)梁側(cè)搭接部分進(jìn)行連接前處理,然后采用鉆眼植筋的方式完成骨架連接,最后采用類(lèi)似濕接縫施工處理的方式將橋梁連接,同時(shí)將原橋下部結(jié)構(gòu)也通過(guò)澆筑混凝土成為一體,完成新舊橋梁的拼接工作。第二種拓寬方法聯(lián)系緊密造成新舊橋梁位移約束大,當(dāng)新橋發(fā)生沉降位移時(shí),舊橋因結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定,不會(huì)產(chǎn)生同步位移,故新舊橋梁之間將存在不均勻沉降,導(dǎo)致應(yīng)力集中在連接處造成混凝土開(kāi)裂,施工是一大技術(shù)難題。
3)上部結(jié)構(gòu)連接,下部結(jié)構(gòu)不連接。
第三種拓寬方式既有第一種連接方式的優(yōu)點(diǎn),分離下部結(jié)構(gòu),使下部結(jié)構(gòu)之間影響減弱,以克服地基的不均勻沉降,又兼顧第二種連接方式對(duì)上部結(jié)構(gòu)的連接加強(qiáng),橋面的整體性比第一種方式有較大改善,使結(jié)構(gòu)共同參與受力。這種連接方式因既有增強(qiáng)橋面連接的優(yōu)點(diǎn),又兼顧了結(jié)構(gòu)整體受力,應(yīng)用比較廣泛,國(guó)內(nèi)多條高速線上橋梁采用此拓寬方式。
以50 m預(yù)制T梁橋拼接設(shè)計(jì)為例進(jìn)行對(duì)比分析,橋梁加寬方式以及拼接方式如表1所示[9-10],實(shí)際施工時(shí)主要采用方案4、方案8,其中方案4為增設(shè)邊梁法進(jìn)行加寬,方案8是利用鋼-混組合梁進(jìn)行加寬。這兩種方案加寬的主要實(shí)施步驟為:1)拆除舊橋護(hù)欄;2)鑿除原邊梁翼緣一定長(zhǎng)度的混凝土,使其露出鋼筋;3)邊梁翼緣板側(cè)面植入受力鋼筋;4)預(yù)制新建橋梁內(nèi)邊梁時(shí)于外側(cè)相應(yīng)位置時(shí)預(yù)埋橫隔板鋼筋;5)吊裝新梁;6)采用綁扎連接或焊接新舊梁板預(yù)埋鋼筋;7)制作橫隔板鋼筋骨架;8)澆筑混凝土,利用連接橫隔板使新舊橋梁連接成整體。
表1 方案比選
采用方案4進(jìn)行橋梁加寬,新舊橋梁抗沉降能力較大,新舊橋梁連接牢固,不易出現(xiàn)裂縫;但是此種方法植筋連接工程量大,施工工藝操作難度較大,施工危險(xiǎn)性高,且不宜多點(diǎn)操作,導(dǎo)致施工周期較長(zhǎng)。當(dāng)采用方案8進(jìn)行橋梁加寬,因植筋連接工程量較小,占用工期時(shí)間較短,且組合梁剛度較大,有利于提高原橋的承載等級(jí)。方案1~方案6加寬示意圖及連接構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖10~圖15。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,道路交通的運(yùn)輸量也隨之增大,其對(duì)我國(guó)道路運(yùn)輸要求也有所提高。面對(duì)此情況,許多早期建造的橋梁需要進(jìn)行加寬處理。傳統(tǒng)橋梁加寬方式除了平行于原橋另外建造一座新的橋跨結(jié)構(gòu)還可以在原有結(jié)構(gòu)的一側(cè)或者兩側(cè)增設(shè)相應(yīng)的主梁,而這些加寬方式對(duì)下部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)工程的要求不盡相同。當(dāng)下部結(jié)構(gòu)或者基礎(chǔ)工程不能滿足新增的橋跨結(jié)構(gòu)時(shí)可以考慮采用鋼結(jié)構(gòu)或者鋼-混組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行橋梁加寬。本文在現(xiàn)有橋梁加寬方式與新舊橋梁拼接技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)方案比選的方式指出預(yù)制T梁采用鋼-混組合梁加寬方式與傳統(tǒng)加寬方式的差異,希望對(duì)橋梁加寬設(shè)計(jì)提供一定的參考。