空心板桥拼宽后老桥承载力验算

李 攀 孙东生 王丹，2

1 河南省交通规划勘察设计院有限公司（450052） 2 河南中原高速公路股份有限公司（450052）

空心板桥拼宽后老桥承载力验算

李 攀1孙东生1王丹1，2

1 河南省交通规划勘察设计院有限公司（450052） 2 河南中原高速公路股份有限公司（450052）

随着交通量增大，高速公路改扩建项目的增多，高速公路逐渐进入拼宽时代。这里以郑州机场高速公路为背景，通过对老桥空心板拼宽方式的研究，计算拼宽后桥梁整体横向分布系数，并结合新规范设计荷载验算老桥承载力，为空心板拼宽及拼宽后运营养护提供参考和建议。

高速公路；空心板；拼宽；横向分布；承载力

1 项目背景

郑州市机场高速公路作为新郑国际机场与郑州市的主要连接通道始建于1994年,起于中州大道下穿陇海铁路通道南侧，终于机场高速机场互通立交，路线全长26.41公里，其前身是京港澳国家高速公路郑州至新郑段。2004年，京港澳国家高速公路席庄至薛店段建成后，正式成为郑州市机场高速公路。机场高速公路建成以来，成为郑州市南部最重要出入口，2012年1～9月交通量达46 137辆/日（折算小客车47 845 pcu/d）。现有机场高速已难以承担郑州市“南大门”和南部重要出入通道的需求，并且随着航空港区建设的不断发展，机场高速的扩容更是势在必行。

2 老桥介绍

本项目已建成桥梁上部结构主要采用预应力混凝土空心板，跨径为10 m、16 m、20 m。下部构造采用桩柱式桥墩，桩柱式或肋板式桥台，钻孔灌注桩基础，桥面简易连续。老桥桥面宽度为2×12 m，由12块1.0 m的空心板组成,其中中央分隔带3 m。老桥采用85年设计规范的要求，设计荷载标准为汽-超20级、挂车-120。

3 加宽情况

综合路线通道资源利用、社会经济效益、解决运输能力、占地和投资、通行能力和交通安全、环境保护比选，本次扩容在现有郑州至航空港高速公路的基础上实施双侧拓宽方案，老桥左、右半幅分别加宽8.0 m，由6块板宽1.25 m的空心板组成。

桥梁结构拼宽形式大致有“上下相连”和“上连下不连”两种方式。“上下相连”方式：上部新老板间通过湿接缝和桥面铺装相连；下部拆除原盖梁端部变截面端,加铺负弯矩钢筋与新桥拓宽部分盖梁的钢筋连接后，新老盖梁浇筑一体，盖梁衔接处设置假缝。这种方式的优点是新老桥连接刚度大，结构整体性较好，横向受力明确。缺点是对通行影响较大，下部盖梁施工难度较大；新老桥上部材料混凝土收缩、徐变引起的变形及新老桥沉降差异产生的附加内力，易造成下部墩台连接处拉裂；新老桥的不均匀沉降还会在原有桥梁盖梁外边柱顶处产生附加负弯距，且会较大增加原有桥梁外边墩的竖向内力。“上连下不连”方式：上部连接方法同上，但下部新老桥盖梁设缝隔离、互不连接。该设计方案保证了上部结构共同参与受力，同时亦避免了下部结构刚性连结对桥梁结构的不利影响。参照国内桥梁加宽的经验，“上连下不连”拼接方式具有一定的设计合理性和施工可行性，但该方式要求严格控制扩建桥梁的工后沉降，避免上部结构接缝产生桥面裂缝。通过对比，选择“上连下不连”拼接方式。

空心板桥具体拼接方案为切除老桥护栏，新老桥间湿接缝通过老桥边板外侧植筋与新板预埋筋相连（如图1）。加宽桥梁中，20 m跨径共14座，总长750.16 m；16 m跨径共2座，总长58.16 m；10 m跨径共3座，总长123.24 m。

4 承载力计算

4.1 基础资料

老桥预应力混凝土空心板采用C40混凝土，其中20 m、16 m空心板板宽99 cm、高75 cm;10 m空心板板宽99 cm、高50 cm（如图2）。空心板采用18根Фj15钢绞线，其标准强度Rby=1 500 MPa，每根钢绞线控制张拉力16.09 t，公称面积140 mm2。

4.2 计算要点

1）上部构造预应力混凝土空心板桥面简易连续，每一跨仍作为简支空心板桥。

2）新老桥湿接缝连接,共同参与荷载横向分配。

3）全桥采用新规范设计荷载，计算考虑其横向分配，按横向铰接板法计算。

图1 空心板拼宽断面图

4）按先张法A类构件进行计算。

5）桥面铺装不参与受力，按外荷载考虑。

图2 空心板断面图

4.3 空心板结构计算

4.3.1 横向分布系数

老桥空心板拼宽后桥面净宽19 m，设计车道数分别采用5车道、6车道，考虑车道横向折减，采用桥梁博士铰接板法计算全桥横向分布系数，并取较大横向分布系数值计算共同参与荷载横向分配下的老桥承载力。

表1 20m跨径拼宽后横向分布系数

表2 16m跨径拼宽后横向分布系数

表3 10m跨径拼宽后横向分布系数

4.3.2 承载能力极限状态验算

承载能力极限状态验算采用MIDAS软件建模计算。建立梁单元构成单梁模型，设计荷载按公路-Ⅰ级，横向分布系数取最大值；空心板桥采用简支梁约束，钢束两端张拉，张拉力为1 120 MPa。

4.3.2.1 正截面抗弯承载力验算

按JTG D62-2004第5.2.2条，矩形截面或翼缘位于受拉边的T型截面受弯构件,正截面抗弯承载力应符合：

及第5.2.3条

20 m空心板横向分布系数取0.245；16 m空心板横向分布系数取0.263；10 m空心板横向分布系数取0.284，验算结果如图3～5、表4～6。

表4 20m空心板正截面弯矩值

图3 20m空心板正截面抗弯承载力

图4 16m空心板正截面抗弯承载力

表5 16m空心板正截面弯矩值

表6 10m空心板正截面弯矩值

4.3.2.2 斜截面抗剪承载力验算

按JTG D62-2004第5.2.9条，矩形、T型和I型截面的受弯构件，其抗剪截面应符合：

按第5.2.10条，T型和I型截面的受弯构件，当符合下列条件时：

可不进行斜截面抗剪承载力验算。

图5 10m空心板正截面抗弯承载力

图6 20m空心板斜截面抗剪承载力

图7 16m空心板斜截面抗剪承载力

表720 m空心板斜截面剪力值

表8 16m空心板斜截面剪力值

图8 10m空心板斜截面抗剪承载力

表9 10m空心板斜截面剪力值

从图6～8、表7～9中可以看出老桥跨径10 m、16 m、20 m预应力混凝土简支空心板在公路Ⅰ级荷载作用下，截面抗弯、抗剪承载力均满足现行规范要求。

5 结论

老桥涵设计荷载标准为汽-超20级、挂车-120，根据运营状况和老桥涵初步检测结果显示，主体结构能满足85年设计规范的要求,但需对原老结构物局部病害加以处置，防止病害进一步发展以影响结构物整体健康状况。经过双侧拼宽后，单纯从结构计算考虑，按照全宽20 m进行活载横向分配计算，老桥涵基本可以满足公路-I级标准的使用要求，但在安全等级和耐久性方面有所欠缺。运营阶段应对车道进行划分，要求减少大型车辆行驶到内侧车道即老桥空心板的概率。养护阶段应加强日常养护、减轻和防止病害的发生，从而延长拼宽后老桥使用寿命，保持良好运营。

[1]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[2]陈宝春.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社,2008.

[3]邵景干.郑漯高速公路加宽工程新旧桥梁拼接技术施工技术研究[J].公路交通技术,2009(4)：95～102.

[4]吴萍.洛三高速公路改扩建桥涵设计要点[J].中外公路, 2011(10)：164～167.

[5]於文超,顾超平,马晓谦.旧桥加宽方案设计与比选[J].公路交通技术,2011(2)：68～71.