高速公路橋梁改擴建的設計研究

何玉寶 謝斌 李焱

0 引言

公路、橋梁是現(xiàn)代公路與水運交通的重要組成部分，它不僅起著交通運輸紐帶的作用，同時也對發(fā)展國民經(jīng)濟、促進文化交流等方面都具有非常重要的作用。

高速公路是公路中的一個重要組成部分，高速公路的設計必須遵照適用耐久、經(jīng)濟合理、安全可靠、協(xié)調(diào)美觀的原則;它必須有足夠的承載能力，能保證行車的暢通、舒適和安全［1］;既滿足當前的需要，又照顧今后的發(fā)展;同時要具有一定的經(jīng)濟性，要求其在建造時消耗最少量的材料、工具和勞動力;在適用、經(jīng)濟和安全的前提下，盡可能具有美觀的外形，并與周圍的環(huán)境相協(xié)調(diào)、相得益彰。

我國高速公路發(fā)展的4個階段:

1)第一階段為1985年以前，20世紀80年代初期，我國大陸還沒有高速公路，在這以前我國建設的公路都屬于一級以下公路。

2)第二階段為1986年～1995年期間，為適應國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要，在“七五”期間，我國建設了一批高速公路，實現(xiàn)了高速公路零的突破，這一階段開始嘗試將一級公路、二級公路改造為高速公路。

3)第三階段為1995年～2000年期間，這一階段開始全采用四車道以上的高速公路，并開始探索將四車道路面加寬改造為六車道路面的探索。

4)第四階段為2000年至今，這一階段探索將原有高速公路車道改造為六車道、八車道的研究。

近年來，隨著我國公路交通運輸?shù)陌l(fā)展，早期修建的高速公路通行能力日趨飽和，服務水平逐漸降低，部分四車道的高速公路已不能滿足交通量的增長需求，因此對其進行改擴建，由四車道加寬為六車道或八車道，提高其通行能力已成為當務之急。橋梁在現(xiàn)代高速公路中占有較大比重，且橋梁加寬存在技術復雜、實施難度高、對現(xiàn)狀交通影響大的特點，因此橋梁加寬改造設計成為高速公路改擴建工程的重點。本文重點分析總結了高速公路構造物的常見病害，探討分析高速公路橋梁改擴建設計中的若干問題，總結了橋梁拼接加寬設計的主要拼接方式的優(yōu)缺點，為類似工程提供參考。

1 橋涵構造物類型及存在的主要問題

高速公路的常規(guī)橋梁工程中，大部分橋梁其上部結構主要為混凝土板梁和預應力混凝土T型梁及混凝土箱梁;下部結構多為鋼筋混凝土薄壁臺、鋼筋混凝土薄壁U臺、鋼筋混凝土肋板臺和柱式墩臺等。由于初期的高速公路建設是在高速公路整體設計和施工規(guī)范還不完善等條件下進行的，因此早期的高速公路在設計和施工方面存在諸多不足。如上跨跨線橋橋孔跨徑偏小;橋梁結構安全儲備較低，耐久性差，嚴重影響著結構和車輛運營的安全。尤其隨著后來交通量的急劇增長，重車、超載車輛的增加，原有的橋涵構造物出現(xiàn)了破損，存在一些問題或缺陷，常規(guī)構筑物病害［2］主要為:

1)橋面瀝青鋪裝多存在坑槽、網(wǎng)裂，甚至破損比較嚴重。

2)橋面伸縮縫存在不同程度的損壞，致使行車不通暢，橋頭跳車。

3)橋梁支座主要病害表現(xiàn)形式為:支座位置偏移、支座脫空、支座丟失、支座剪切變形超標等。

4)板梁多存在不同程度的氯離子腐蝕，梁板混凝土剝落和剝蝕、滲水。帶翼緣式空心板板間鉸縫破壞嚴重，形成橋面梁板單板受力現(xiàn)象。

5)箱梁結構主要病害表現(xiàn)為跨中附近梁底出現(xiàn)橫向裂縫，腹板出現(xiàn)裂縫及墩頂負彎矩處的裂縫。

6)T梁結構橋普遍存在橫隔板開裂;翼板、后澆帶滲水病害，見圖 1，圖 2。

圖1 T梁開裂

圖2 T梁橫隔板滲水

7)橋梁橋墩多采用矩形截面蓋梁下接圓形立柱結構，橋墩立柱主要病害為存在環(huán)狀裂縫。

8)下部結構的薄壁橋臺中的混凝土臺身和側(cè)墻存在嚴重的縱、橫向裂縫等。

2 擴建工程的設計原則

根據(jù)項目的建設條件、要求及技術特點及橋涵結構物加寬、加固的特殊性，主要遵循以下原則:

1)首先收集舊橋的設計、竣工資料和地質(zhì)資料，對全線原有橋梁構造物進行歸類分析和現(xiàn)場調(diào)查并進行必要的研究、論證，同時充分吸收國內(nèi)外高速公路擴建工程建設的成功經(jīng)驗和先進理念，特別是類似地質(zhì)、地形條件下的類似拓寬工程的成功經(jīng)驗，認真做好重點部位的方案比選工作，以選擇合理可行的建設方案。

2)橋涵構造物的改擴建，本著“安全、經(jīng)濟、適用、美觀”的原則［3］，因地制宜，盡量利用原有構造物，最大限度地利用現(xiàn)有工程，靈活運用新、舊橋梁設計規(guī)范。

3)對現(xiàn)有構造物進行逐一分析歸類的同時對其進行相應的檢測、驗算，以此對構筑物的承載能力和可靠度做全面的準確的評價;在對既有構筑物準確評估后，確定合理的處理方案。

4)橋涵構造物的改擴建的拼接加寬方案宜采用“同結構型式、同跨徑布置”方式，力求標準化、裝配化、外觀一致性。

5)在研究橋梁改、擴建方案時，應合理的選擇方案以減少對現(xiàn)有道路交通的影響，應將擬實施的技術方案與施工期的施工組織、交通組織緊密結合、統(tǒng)籌考慮，做到技術方案與施工組織、交通組織方案的協(xié)調(diào)及統(tǒng)一，將施工期對現(xiàn)有交通的影響程度降到最低。

6)加強課題研究，積極應用新技術。加強科學研究，積極采用新技術、新結構、新材料和新工藝，解決擴建中的技術難題。運用高新技術進行本項目的勘察設計，提高項目的科技含量和可靠度。

3 橋梁改擴建工程設計難點、要點

3． 1 荷載標準

由于原高速公路的構筑物是按照舊橋規(guī)設計的，而新的技術標準和設計規(guī)范的頒布執(zhí)行，設計荷載由橋規(guī)89規(guī)范的汽—超20提高到04規(guī)范的公路—Ⅰ級［4］;且新橋規(guī)對結構在正常使用狀況下的各項應力要求也有較大提高，使得既有橋梁構筑物已不可能全面滿足新橋規(guī)的要求。基于以上實際情況，本文認為應本著“盡量最大限度的利用既有構造物、靈活運用新、舊橋梁設計規(guī)范”的原則，務實采用“舊橋舊標準、新橋新標準”的方法處理;同時通過對舊橋進行驗算、加固，使其承載能力極限狀態(tài)以達到公路Ⅰ級的標準要求。

3． 2 橋梁橫向拼接加寬方式

橋梁橫向連接方式的選擇是橋梁改擴建成敗與否的一個重要因素，橫向連接方式受許多因素的影響，如原有橋梁的承載能力和耐久性的評估結果、上部結構的協(xié)調(diào)變形要求、橋梁活載的影響、基礎的差異沉降及施工的難易程度等，通過對廣佛高速公路、滬杭甬高速公路一期、沈大高速公路、滬寧高速公路、哈大高速公路、連霍高速公路鄭州段等改擴建項目的調(diào)研與考察，可知上部結構和下部結構的連接方式分為三種:

1)上下均不連的優(yōu)點是:加寬橋與原橋各自受力、互不影響、簡化了施工程序、消除了連接的技術問題，減小了連接的施工難度。缺點是:活載作用下兩橋主梁會產(chǎn)生不均衡撓度，同時新橋后期沉降大，易造成新舊橋之間橋面鋪裝層的破壞，從而形成縱向裂縫和橫向錯臺，影響行車安全舒適和橋面外觀，增加后期養(yǎng)護維修工作。廣佛高速公路早期多數(shù)采用了上下均不連的方式，但運營后出現(xiàn)問題，運營結果表明橋面鋪裝層極易損壞，縱向裂縫隨著瀝青鋪裝層啃邊現(xiàn)象的發(fā)展而日益擴大，嚴重影響行車安全和路容美觀。

2)上下均連即新拓寬上部結構與舊橋?qū)纳喜拷Y構橫向連接起來，同時新拓寬下部結構(墩臺)的蓋梁及系梁、承臺也通過植筋、布設鋼筋骨架，澆筑混凝土連接件與舊橋下部結構形成整體，其適用于橋梁基礎較好的條件及小跨徑。其優(yōu)點是:原橋與新橋形成一體，減少了基礎不均勻沉降、汽車活載、溫度荷載等作用下，新舊橋連接處的不均勻變形。缺點是:新舊橋混凝土收縮徐變引起的變形不一致、新舊橋不均勻沉降會產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，易在下部結構蓋梁、系梁、墩臺連接處產(chǎn)生裂縫，導致使用功能下降，維修困難。同時對下部結構的拼接成本高，對交通影響大，施工繁瑣。沈大高速公路中、小跨徑結構采用了這種方式。

3)上連下不連的優(yōu)點是:新橋與原橋上部結構連接，形成整體，有利于上部結構受力，行車舒適美觀。下部結構不連接，各自受力互不影響，減小附加應力對下部結構的影響。主要注意:a．應保證現(xiàn)澆混凝土接縫在養(yǎng)護和使用過程中不出現(xiàn)過大的變形和開裂，這是新舊橋面是否真正連接的關鍵;b．控制新、舊橋之間的沉降差。

綜上所述，通過對三種拼接方式各自優(yōu)缺點的比較可知，“同結構、同跨徑、上連下不連”的連接方式既可以使上部結構形成整體，行車舒適美觀;同時也解決了下部結構拼接中的繁瑣問題。對于其新舊結構的沉降差的關鍵問題可以通過適當增加樁長、采用樁底注漿等方式予以解決;結合部位的構造及施工的關鍵問題可以通過采用合適的連接剛度(減少剛度差異)、適當加強連接部位的構造處理、延遲新舊結構的拼接時間(使其發(fā)生一部分收縮、徐變，一般時間為3個月～5個月，以減小新舊結構齡期差引起的收縮、徐變效應)等措施予以解決。

目前上部構造相互連接、下部構造不連接的擴建方式已得到國內(nèi)專家、同行的肯定。該拼接方式已被國內(nèi)多個擴建工程采用，如滬寧、海南東線高速公路、滬杭甬高速公路等且已通車多年，效果較好。

4 結語

在研究橋梁拓寬方案是需考慮諸多的因素，如需要考慮原橋的技術狀況、沿線的地質(zhì)條件、合理的拼接方式、新舊結構間的協(xié)調(diào)變形、新舊結構的合理拼接時間等。橋梁的橫向拼接方式是橋梁拼接設計的技術重點，作者在對國內(nèi)已實施的幾條高速公路改擴建項目的調(diào)查研究基礎上，介紹了常規(guī)橋梁的常見病害并重點探討了橋梁加寬設計應遵循的主要原則及技術要點，分析了橋梁拼接加寬不同方式優(yōu)缺點，希望對類似項目的設計、建設有所幫助。

［1］ 范立礎．橋梁工程［M］．北京:人民交通出版社，1996:2．

［2］ 蒙 云．橋梁加固與改造［M］．重慶:重慶大學出版社，1989:1．

［3］ JTJ 021-89，公路橋涵設計通用規(guī)范［S］．

［4］ JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規(guī)范［S］．