高速公路改擴(kuò)建工程中的拼寬橋梁設(shè)計(jì)分析

胡海洋

（江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司宜春管理中心，江西宜春 330700）

0 引言

目前，我國的貨物和人員運(yùn)輸量呈迅猛增長態(tài)勢(shì)，這對(duì)我國的公路交通運(yùn)輸體系提出了更大的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，現(xiàn)有的許多公路橋梁因?yàn)槭艿绞褂脮r(shí)間、建設(shè)工藝、材料性質(zhì)等多方面因素的影響，行車舒適性較差、安全性較低，通行能力也有所降低。這種情況不僅不符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)我國交通運(yùn)輸體系的要求，也不利于我國的快速、穩(wěn)定發(fā)展。

在公路改擴(kuò)建工程建設(shè)中，橋梁拼寬是核心問題。通常情況下，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)拼寬，一種是加寬橋面，另一種是新建橋梁。然而后者的投入成本較高，而且在橋梁正式使用時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的不均勻沉降問題，從而影響新建橋梁的使用效果。相比之下，前者不僅投入較少，而且工期更短，也不會(huì)對(duì)原有橋梁的使用造成干擾。因此，當(dāng)前大多數(shù)高速公路改擴(kuò)建采用加寬橋面的方式。

1 工程概述

該次研究選擇某高速公路改擴(kuò)建工程為研究對(duì)象。原有車道為雙向四車道，路面寬度為25m，車輛行駛速度標(biāo)準(zhǔn)為100km/h。近年來，隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和交通運(yùn)輸量的不斷增加，現(xiàn)有道路的運(yùn)輸量略有不足，影響了高速公路的正常使用。為了解決這一問題，相關(guān)部門開始對(duì)該高速公路進(jìn)行拼寬改造，將其改造為雙向八車道，以提升公路的通行能力。經(jīng)過對(duì)該工程現(xiàn)場地質(zhì)特點(diǎn)、氣候條件等因素的勘察，最終確定了兩側(cè)拼寬的施工方案。

2 拼寬橋梁橫向拼接設(shè)計(jì)

2.1 橫向拼接方式的選擇

現(xiàn)代公路改擴(kuò)建拼寬施工時(shí)，通常會(huì)采用三種不同的橫向拼接方式，每種方式有不同的特點(diǎn)。因此，在選擇橫向拼接方式時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求選擇最佳的方式。

第一種方式是上下部結(jié)構(gòu)均不連接。采用該拼接方式時(shí)，由于原橋梁與新橋梁間互不影響，地基出現(xiàn)不均勻沉降時(shí)，對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響較小，且施工難度不是很大[1]。

第二種方式是上下部結(jié)構(gòu)均連接。采用該拼接方式時(shí)，由于上下部結(jié)構(gòu)完全連接到一起，若是基礎(chǔ)出現(xiàn)較大沉降，會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生較大的破壞，因此需要科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)地基參數(shù)。同時(shí)，在下部結(jié)構(gòu)拼接過程中，應(yīng)配合植筋施工技術(shù)，整體操作流程較為復(fù)雜，難度較大[2]。

第三種方式是上部結(jié)構(gòu)連接，下部結(jié)構(gòu)不連接。采用該拼接方式時(shí)，即便基礎(chǔ)出現(xiàn)較大的沉降，對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的影響也比較小。與此同時(shí)，由于下部不連接，因而施工較為簡單，能夠通過控制拼接區(qū)域的形變量，降低基礎(chǔ)沉降對(duì)橋梁的影響[3]。

2.2 上部結(jié)構(gòu)拼寬

2.2.1 空心板橋梁

根據(jù)橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，空心板橋梁可分為兩種類型，一種是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁，另一種是鋼筋混凝土橋梁。在這兩種類型的橋梁中，均有三種規(guī)格的跨徑，分別為10m、16m 和20m。同時(shí)，為了確保拼寬部分能夠與原橋梁有效拼接，應(yīng)按照原橋梁的形式設(shè)計(jì)截面。

在拼寬過程中，根據(jù)橋梁的形狀，對(duì)邊梁翼板進(jìn)行適當(dāng)切割，并通過相應(yīng)的植筋工藝將原有橋梁與新橋梁拼接到一起。此外，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，應(yīng)將橋梁視為鉸接的形式進(jìn)行計(jì)算。如果橋梁兩端含有橫隔梁，在計(jì)算時(shí)則要將橋梁視為剛接形式。

2.2.2 T 橋梁

T 橋梁是一種結(jié)構(gòu)形狀類似于“T”字的橋梁。由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該類型橋梁在使用過程中容易出現(xiàn)腐蝕問題，尤其是邊梁處[4]。因此，在對(duì)T 橋梁進(jìn)行拼寬設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)橋梁整體結(jié)構(gòu)的具體情況，適當(dāng)切割邊梁翼板，并將其與新橋T 梁的肋板拼接在一起，如圖1 所示。需要注意的是，在拓寬拼接施工中，原有橋梁邊梁的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生明顯改變。因此，在拼接區(qū)域的兩側(cè)應(yīng)設(shè)計(jì)合理的橫隔梁，并在必要情況下，在其他適當(dāng)位置放置橫隔梁。如果對(duì)拼接區(qū)域的橫向聯(lián)系有更高的要求，則應(yīng)在拓寬區(qū)域的中間及兩邊1/4 跨徑區(qū)域分別放置一個(gè)橫隔梁。

圖1 T 橋梁拼接示意圖（單位：mm）

2.2.3 不同梁截面連接

在橋廊拓寬拼接過程中，想要賦予新橋更高的剛度，應(yīng)選擇剛度較高的拼寬橋截面，以提升整個(gè)橋梁的承載能力，降低原有橋梁所需承擔(dān)的荷載量，從而延長橋梁的使用年限。以原有橋梁為T 梁結(jié)構(gòu)，拼寬橋梁為空心板梁截面為例，在兩個(gè)結(jié)構(gòu)拼接過程中，拼寬橋采用的是橫向剛度較高的板梁，并以鋼板為主要元件，將橫隔梁固定在一起，從而賦予新橋更高的橫向剛度，為整個(gè)橋梁的后續(xù)使用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 不均勻沉降下拼寬橋梁拼接結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響

3.1 影響基礎(chǔ)沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)作用的因素

3.1.1 沉降模式

淮安是一代偉人周恩來總理的故鄉(xiāng)，淮安市歷屆市委、市政府始終堅(jiān)持學(xué)習(xí)弘揚(yáng)周恩來精神，努力把周恩來精神深深植根于廣大黨員干部群眾心中，以之來引領(lǐng)推動(dòng)淮安科學(xué)跨越發(fā)展[1]?；搓帋煼秾W(xué)院地處淮安是一所以“用周恩來精神辦學(xué)，用周恩來精神育人”為特色的高等院校，淮陰師范學(xué)院圖書館歷來注重周恩來文獻(xiàn)資源的收集整理工作，形成了較為完善的周恩來文獻(xiàn)資源館藏體系，并于2011年著手啟動(dòng)“周恩來研究專題數(shù)據(jù)庫”建設(shè)。

該工程原有橋梁已使用較長時(shí)間，在長期使用下，基礎(chǔ)已基本保持穩(wěn)定，不會(huì)再出現(xiàn)沉降問題。而拼寬橋梁的基礎(chǔ)則不是很穩(wěn)定，仍會(huì)出現(xiàn)明顯的沉降問題。因此，原有橋梁與新橋之間會(huì)出現(xiàn)一定的沉降差值，從而對(duì)新橋造成一定破壞，影響其正常使用。在拓寬拼接設(shè)計(jì)中，假設(shè)舊橋的基礎(chǔ)不會(huì)再出現(xiàn)任何沉降，即沉降值為0。將其與新橋拼接后，新橋基礎(chǔ)與舊橋的距離越短，產(chǎn)生的沉降量越低，反之則會(huì)產(chǎn)生更高的沉降量。為了方便研究，在沉降模式方面，將其假設(shè)成線性模式，并根據(jù)橋梁各位置的不同，線性分布沉降量。

3.1.2 影響因素

進(jìn)行拼寬橋梁設(shè)計(jì)與建設(shè)時(shí)，若處于以上假設(shè)的沉降條件，新舊橋梁間的沉降量差異越高，拼接區(qū)域上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大，對(duì)新橋結(jié)構(gòu)造成的破壞越嚴(yán)重，從而對(duì)新橋的使用帶來更大影響，容易使橋梁出現(xiàn)裂縫[5]。為避免這一情況，則要符合σ≤[σ]的條件，即：

式（1）中：ε 為兩基礎(chǔ)沉降量存在較大差值時(shí)，新橋上部產(chǎn)生的拉應(yīng)力；E為在新舊橋拼接區(qū)域處，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫向楊氏模量；σ為兩基礎(chǔ)沉降量存在較大差值時(shí)，新橋上部產(chǎn)生的橫向拉力值；[σ]為在新舊橋拼接區(qū)域處，結(jié)構(gòu)整體所具備的抗拉強(qiáng)度規(guī)定值。

由相關(guān)物理力學(xué)可知：

對(duì)上述公式轉(zhuǎn)換后，可以得到：

將上述公式整合到一起后，可以得到：

由式（8）中，能夠得到：

式（9）中：f為約束力。

3.2 計(jì)算數(shù)值模型

3.2.1 橋梁類型

該工程采用的是跨徑相同的20m 簡支空心板橋與簡支T 梁橋。以FEA 軟件為主要工具，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)細(xì)部展開分析，在各結(jié)構(gòu)單元上共設(shè)置了8 個(gè)節(jié)點(diǎn)單元。在每個(gè)單元內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的剛度，以此模擬出鋼筋材料。所有材料均看作線彈性，忽略材料間的細(xì)微差異。

3.2.2 計(jì)算荷載

第一，恒載。分為兩部分，一個(gè)是主要受力構(gòu)件產(chǎn)生的恒載，另一個(gè)為防撞欄等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二期恒載。

第二，位移荷載。為了防止拼接區(qū)域出現(xiàn)裂縫，要將梁體變形控制在規(guī)定區(qū)間內(nèi)[7]。試驗(yàn)過程中，應(yīng)將沉降值設(shè)置在允許數(shù)值范圍內(nèi)（具體設(shè)置成5mm）。

第三，溫度荷載。通過梯度溫度的設(shè)置，調(diào)節(jié)局部溫差。溫度出現(xiàn)變化后，簡支梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)的內(nèi)力很小，可忽略不計(jì)。

第四，幾何尺寸。在簡支空心板拼接區(qū)域，舊橋的跨徑是20m，寬度是9m，包含8 片空心板梁，在橋的兩側(cè)分別固定一個(gè)50cm 的橫隔梁；在簡支T 梁拼接區(qū)域，舊橋的跨徑是20m，寬度是8.6m，由6 個(gè)T 梁構(gòu)成。兩個(gè)拼接區(qū)域的參數(shù)如表1 所示。

表1 兩個(gè)區(qū)域拼接參數(shù)表

3.3 拼寬橋梁拼接部分在沉降荷載下的受力分析

3.3.1 截面配筋

分析截面配筋可以發(fā)現(xiàn)，不同橋型時(shí)均會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力產(chǎn)生一定影響，且影響情況基本相同。配筋率提高后，上部產(chǎn)生的拉應(yīng)力會(huì)逐漸減小。但需要注意的是，對(duì)于空心板橋，配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的影響與截面所處位置相關(guān)。在支座區(qū)域，應(yīng)力值應(yīng)為跨中區(qū)域的4倍，且越靠近跨中應(yīng)力越小。對(duì)于T 梁橋，配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的影響與位置的關(guān)聯(lián)性較低，將應(yīng)力值設(shè)置成跨中區(qū)域的1.3 倍即可。

3.3.2 拼寬寬度

經(jīng)分析，拼寬寬度提高時(shí)，上部產(chǎn)生的拉應(yīng)力逐漸降低。在沉降量一致的情況下，拼寬寬度越大，轉(zhuǎn)角位移越低，因此會(huì)產(chǎn)生更小的拉應(yīng)力。

3.3.3 拼接區(qū)域?qū)挾?/p>

分析拼接區(qū)域?qū)挾劝l(fā)現(xiàn)，拼接寬度提升后，上部的拉應(yīng)力會(huì)逐漸降低。但對(duì)不同類型的橋梁來說，拼接區(qū)域?qū)挾扰c拉應(yīng)力間的關(guān)系存在一定差異。對(duì)于空心板橋，在支座區(qū)域處，其應(yīng)力值為跨中區(qū)域的4.7倍；對(duì)于T 梁橋，其應(yīng)力值為跨中區(qū)域的1.7 倍。

4 結(jié)語

綜上所述，在高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)中，建設(shè)單位應(yīng)根據(jù)公路特點(diǎn)，結(jié)合施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件、氣候特點(diǎn)等因素，設(shè)計(jì)出最佳的橋梁拼寬方案。在此基礎(chǔ)上，通過科學(xué)、合理的方式設(shè)置截面配筋率、拼寬寬度和拼接區(qū)域?qū)挾鹊葏?shù)，以此為后續(xù)施工活動(dòng)的開展提供支持。