公路橋梁加寬與拼接技術(shù)研究

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)

1 概述

近年來，我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動了交通事業(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)過大，因此對早期公路進(jìn)行加寬改造，提高其道路等級及通行能力，是一種切實(shí)可行的途徑[1]。因此國內(nèi)對早期公路及橋梁進(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—洛陽高速公路、泉州—廈門高速公路、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道改為八車道[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)對于保證施工過程中現(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，可以保證加寬過程中現(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。

2 傳統(tǒng)橋梁加寬方法

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]。

2.1 單側(cè)新建橋梁加寬法

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新建預(yù)制混凝土小箱梁進(jìn)行加寬。

2.2 增加主梁法

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(見圖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。

2.3 增設(shè)邊梁法

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。

2.4 懸臂挑梁加寬法

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，用作行車道板或者人行道板(見圖4)。最后重新在行車道板兩側(cè)安裝護(hù)欄，從而達(dá)到加寬橋梁的目的。

3 采用鋼結(jié)構(gòu)或者組合梁進(jìn)行橋梁加寬

3.1 利用鋼-混組合梁進(jìn)行加寬

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產(chǎn)生過大的沉降，有效防止結(jié)合部位的開裂；3)組合梁可利用其特性有較大的荷載分布系數(shù)，可以承受更大的車輛與行人產(chǎn)生的荷載，對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。

3.2 利用鋼梁間插橋墩進(jìn)行加寬

考慮到單側(cè)新建橋梁加寬法對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，鋼主梁可通過大橫梁搭接在舊橋兩側(cè)，此方法既實(shí)現(xiàn)了對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)(見圖7)。

3.3 利用鋼結(jié)構(gòu)撐桿進(jìn)行加寬

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所示為兩車道預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋通過撐桿進(jìn)行加寬至三車道橋梁，撐桿采用直徑30 mm的鋼管；如圖9所示為兩車道T梁橋通過直徑15 mm的鋼管加寬至三車道。

4 新舊橋梁拼接技術(shù)

加寬橋梁的新舊結(jié)構(gòu)之間面臨著連接的問題，目前國內(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)測量定位安裝后可通過橋面連續(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，僅通過橋面板的傳遞與舊橋相連，施工難度大大縮短，對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)長期穩(wěn)定，不會產(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，國內(nèi)多條高速線上橋梁采用此拓寬方式。

5 預(yù)制T梁橋加寬拼接設(shè)計(jì)

以50 m預(yù)制T梁橋拼接設(shè)計(jì)為例進(jìn)行對比分析，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。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。方案1～方案6加寬示意圖及連接構(gòu)造示意圖見圖10～圖15。

6 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路交通的運(yùn)輸量也隨之增大，其對我國道路運(yùn)輸要求也有所提高。面對此情況，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，希望對橋梁加寬設(shè)計(jì)提供一定的參考。