城市桥梁拼宽设计方法研究

汤春林

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西　西安　710064)

城市桥梁拼宽设计方法研究

汤春林

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710064)

关键词：城市桥梁；拼宽设计；设计方法

0引言

伴随着城市化的迅猛发展，城市交通量成倍增长，对现有道路进行改造以缓解交通量增大的压力是城市道路发展的趋势[1]。一般而言，城市桥梁的改、扩建可提高原有公路的桥梁荷载等级。在实际的城市桥梁拼宽施工中，拼宽结构与原结构的连接问题是难点，科学合适的拼宽措施不仅能提高桥梁通行能力，还可以提高原桥梁结构的承载能力，延长桥梁使用寿命；但不合理的拼宽设计不但不能提高原桥梁结构的承载能力，还会使拼宽结构与原桥梁结构连接面出现裂缝等现象，影响桥梁的正常使用。为确保桥梁的拼宽措施在改善交通压力的同时提高桥梁承载能力，需要对拼宽措施进行专项的设计研究并制定合理的施工方案。

1工程概况

某城市桥梁，长204.84 m，上下行分离式断面，上部结构为跨径20 m的预应力混凝土空心板梁，板高0.85 m，横向预制板之间采用铰缝连接，预应力钢筋为φJ15.2预应力钢绞线，主梁预制空心板上部的现浇10cm整体化混凝土参与结构受力，预制空心板主梁以及铰缝的混凝土强度均为C38，其横断面示意图如图1～3所示，下部为肋式桥台，采用扩大基础，其设计技术标准以及原结构使用情况如表1所示。

表1　桥梁设计技术标准表

表2　桥梁原结构使用情况表

图1　原桥梁结构标准横断面图

图2　边板横断面图

图3　中板横断面图

2拼宽设计前桥梁结构荷载试验

对原城市桥梁结构进行荷载试验，为确定拼宽设计的合理性以及制定相应的拼宽施工方案提供实际依据。

2.1静载试验

(1)静载试验概述

利用静态应变测试系统与机电百分表结合对桥梁结构进行竖向挠度测量，利用电子水准仪测量横向挠度，测定试验荷载作用下桥梁跨中的最大挠度；利用振弦式应变计进行测点应变测试出主梁空心板控制截面的最大应力或应变值以及挠度横向分布情况[2]。选择控制截面为应力测点，控制截面以及控制截面两侧支点为挠度测点，各板跨中截面为挠度横向分布测点。

(2)静载试验荷载设计

根据桥梁设计规范，静载试验检验原桥梁结构的工作性能及承载能力荷载效率取值为：

表3　加载车辆系数表

(3)加载注意事项

静载试验分3级进行加载，每1级增加1辆加载车辆；试验过程中加载和卸载的持续时间由桥梁结构测点读数变化达到稳定标准时间所需的时间决定；在每一级的荷载加载到规定数量后，桥梁结构在最后5 min内的变为增量不大于前一个5 min内的增量的15%，或不大于仪器最小分辨率值时，则认为结构变位相对稳定。

图4　静载试验车辆加载布置图

(4)静载试验结果分析

表4　挠度试验结果及理论计算结果分析表

表5　应变试验结果及理论计算结果分析表

表6　横向分布系数试验结果及理论计算结果分析表

由表4～5可以看出，挠度和应变的试验结果均比理论计算值小，校验系数为0.5～0.8，≤1，即原桥面结构安全度满足要求。

由表6可以看出，在偏心荷载的作用下，断面横向分布系数测试值与理论计算值相差甚小，即原桥面结构未出现单板受力情况。

2.2动载试验

(1)动载试验概述

利用动态信号测试系统收集在不同行驶速度的车辆荷载作用下桥梁动挠度数据，通过分析数据得出活载的冲击系数，以及进行桥梁的自振特性分析。

(2)动载试验荷载设计

安排一辆重车分别以10 km/h、20 km/h、30 km/h的行驶速度通过桥梁，在测试仪器的辅助下测定桥梁结构的冲击系数、自振频率以及阻尼比。

(3)动载试验结果分析

图5　10 km/h行驶速度的跑车曲线图

图6　20 km/h行驶速度的跑车曲线图

图7　30 km/h行驶速度的跑车曲线图

车速10km/h20km/h30km/h实测冲击系数0.090.110.05

图8　桥梁结构脉动加速度时程曲线图

通过分析跑车曲线和时程曲线(见图5～8)，结合实测冲击系数(见表7)，可以看出原桥梁结构的竖向一阶频率为6.26 Hz，理论值为4.25 Hz，桥梁实测尼阻比为6.34%，即桥梁动力性能良好。

2.3拼宽设计前桥梁结构荷载试验小结

在桥梁荷载试验过程中，挠度理论计算值皆大于实测值，可以看出该桥梁抗弯刚度良好，符合设计及满足正常车辆行驶的荷载作用，可以进行拼宽设计。在动载试验中，桥梁自振特性以及尼阻比等结果表明桥梁动力性能良好，宜进行同跨径、同结构两侧皆进行拼宽设计。

3桥梁拼宽设计

桥梁拼宽设计材料见表8。

表8　拼宽设计材料表

3.1拼宽原则

(1)拼宽桥梁结构与原桥梁结构应同一跨径、结构形式，拼宽后新旧桥梁的受力状态和结构刚度尽可能保持一致，在相同荷载作用下的新旧桥梁结构产生的挠度差不得过大，避免新旧桥面接缝处产生纵向裂缝[3]。

(2)新旧桥梁空心板主梁结构应考虑湿接缝、铰接以及横隔板连接三种拼宽方案，进行方案比选，择优取用。

(3)对旧桥下部结构应充分利用，承载能力不足的盖梁应考虑加固设计。

(4)拼宽的新桥梁结构上部主梁应采用与旧桥主梁一致的预应力空心板，为了避免拼宽后新桥重量引起桥梁结构产生不均匀沉降，对行车安全造成威胁，对拼宽新桥基础采用桩基础加固措施。

(5)拼宽设计应遵循安全、耐用、经济、美观的原则。

3.2拼宽设计方案

(1)湿接缝连接

在原桥梁结构边板外侧植上连接钢筋，将连接钢筋与新拼宽桥梁结构的预埋钢筋进行焊接，在新旧桥梁结构接缝处现浇45 cm宽度的混凝土并进行与原桥面一致的铺装[4]。为了使新旧桥梁连成整体，共同受力，在新旧桥梁接缝处两端皆增设一道厚为30 cm的横梁。见图9。

图9　湿接缝连接构造图

(2)铰缝连接

将原桥梁结构边板外侧腹板处的混凝土凿除，同时用预制中板替换原桥梁结构的边板，在新旧桥梁拼宽接缝处预留5 cm宽的缝，用于现浇混凝土铰缝将新旧桥梁结构连接成一体。见图10。

图10　铰缝连接构造图

(3)横隔板连接

在新旧桥梁预制空心板主梁拼宽接缝处的端部，距端部2 m以及中间部分每隔4 m均设置混凝土横隔板，将新旧桥梁结构连接成体，共同受力。见图11。

图11　横隔板连接构造图

3.3拼宽设计方案比选

(1)各拼宽设计方案后桥梁横向分布影响线比选分析

按照拼宽设计方案，拟设计拼宽后桥梁结构横断面图如图12所示，其中1#～12#为原桥梁结构，13#～19#为新拼宽桥梁结构。利用有限元软件Ansys建立计算模型，计算分析拼宽后桥跨中横向分布影响线，见图13。

图12　拼宽后桥梁横断面图

图13　Ansys计算模型图

通过软件的计算分析，可以得到各拼宽方案后桥梁横向分布影响线结果，具体如图14～19所示。

图14　1#梁横向分布影响线示意图

图15　2#梁横向分布影响线示意图

图16　12#梁横向分布影响线示意图

图17　17#梁横向分布影响线示意图

图18　18#梁横向分布影响线示意图

图19　19#梁横向分布影响线示意图

通过分析图14～19可以看出，采用铰缝连接方案的横向分布影响线比湿接缝连接和横隔板连接均匀，即采用铰缝连接的新旧桥梁结构整体性能好，其中采用横隔板连接的横向分布影响线变化差异较大，即新旧桥梁结构整体性能较差。

(2)桥梁拼宽前后横向分布影响线分析

表9　拼宽前后桥梁横向分布系数对比表

分析表9可以看出，三个拼宽方案的的横向分布系数中，横隔板连接后的主梁横向分布系数分布均匀，证明此拼宽设计后新旧桥梁结构联接不良；湿接缝连接后的主梁横向分布系数相对旧桥而言，明显减少，且分布均匀，证明拼宽后的新旧桥梁连接良好，共同承受荷载。

3.4拼宽设计方案选取

通过分析拼宽后桥梁结构的横向分布系数分布情况，可以知道湿接缝连接和铰缝连接都能使新旧桥梁结构联接良好，能达到共同受力状态，新桥结构能分摊原桥梁结构的荷载，有效延长桥梁使用寿命。横隔板连接的横向分布系数分析表明，新旧桥梁结构的联接一般，而且新桥在结构重力的作用下，支座会产生较大的不均匀沉降，横隔板易发生开裂等现象，一般不建议采用此方案。铰缝连接需要凿除边板，工序复杂，经济损耗大，相对而言更建议使用湿接缝连接拼宽方案。

4结语

在城市桥梁的拼宽设计中，在确保新旧桥梁结构联接良好，能共同受力、有效延长原桥梁结构使用寿命的同时，还需要考虑经济的损耗以及拼宽施工时对交通的影响。本文结合具体的工程实例，简述桥梁拼宽的要求、原则，分析了不同拼宽设计方案拼宽后的桥梁使用性能，并对城市桥梁拼宽设计提出了建议性的选取方案，希望能给后续类似工程提供参考。

参考文献

[1]方益红.高速公路桥梁拼宽改造关键问题分析[J].福建建筑，2009(9)：129-131.

[2]黄文波.公路旧桥扩宽加固及连接技术研究[D].广州：华南理工大学，2009.

[3]李王辉.石安高速公路预制拼装梁桥加固与扩宽拼接技术研究[D].西安：长安大学，2014.

[4]黄燕燕.城市桥梁拼宽设计方式探讨[J].福建建材，2016(1)：47-48.

摘要：城市桥梁作为跨越障碍的主要结构，其拼宽设计的改建工作是公路改扩建工程的重点和难点。文章结合工程实例，探讨桥梁拼宽设计的方法及注意事项。

Studies on Splicing-widening Design Methods of Urban Bridges

TANG Chun-lin

(CCCC First Highway Consultants Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi，710064)

Abstract：Urban bridge is the main structure across the barriers，thus the reconstruction work of its spli-cing-widening design is important and difficult work in highway expansion and reconstruction project.Combining the engineering example，this article discussed the methods of bridge splicing-widening de-sign as well as the precautions.

Keywords：Urban bridges；Splicing-widening design；Design method

作者简介

中图分类号：U445.6

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.04.017

文章编号：1673-4874(2016)04-0058-06

收稿日期：2016-03-28

汤春林(1983—)，工程师，研究方向：桥涵设计。