采用部分拼接方法拓宽的长联桥梁设计与施工

■葛金城

（河北省高速公路石安改扩建筹建处，石家庄 050000）

采用部分拼接方法拓宽的长联桥梁设计与施工

■葛金城

（河北省高速公路石安改扩建筹建处，石家庄 050000）

以三座长联桥梁为背景，采用有限元方法分析了普通拼接方法拼宽的长联桥受力性能，结果表明采用普通拼接方法的三座长联新桥的静置时间均需三年以上。通过不拼接段长度确定、不拼接段构造设计和拼接后各构件承载力验算，介绍了采用“新、旧桥沿纵桥向部分拼接”拓宽的长联桥梁设计方法，结果表明采用部分拼接方法的情况下，根据各新桥实际静置时间，三座长联桥两端的不拼接段均为三跨；拼接后各构件受力均满足要求。介绍了采用部分拼接方法拓宽的三座长联桥梁施工，拼宽后三座长联桥在运营状况良好，部分拼接方法可在长联桥梁的拓宽拼接中推广。

长联桥梁 部分拼接方法 拼接构造 钢板连接

1 前言

在公路改扩建工程中面临着大量的桥涵构造物的改扩建。桥梁拓宽拼接的方法有很多，其中“新、旧桥上部结构连接、下部结构不连接[1]”已成为目前国内桥梁拓宽的主要拼接方式。然而，采用这种拼接方法拓宽的桥梁在新、旧桥混凝土收缩和徐变差异等影响下，新、旧桥上部结构连接处会产生较大的附加内力，甚至出现裂缝。因而，进行桥梁扩宽研究显得尤为重要。

目前已有许多学者对拓宽桥梁拼接后的整体受力性能以及各种因素对拓宽桥梁结构受力的影响开展了大量的研究工作，并取得了一定成果。文献[2-4]采用了有限元、试验、理论推导等方法分析了新、旧主梁混凝土收缩和徐变差异对拓宽桥梁内力变化、平面变形等的影响。Nie[5]通过试验研究得到了组合铰处新、旧混凝土接触面的抗剪强度和失效模式。Chai等[6]通过现场监测和试验研究指出拓宽桥梁新、旧桥连接构造的刚度决定了新桥建成后需要静置的时间。方志等[7]研究成果表明新、旧桥之间的混凝土收缩、徐变差异会导致拓宽后的桥梁结构产生显著的横桥向变形，使支座发生剪切破坏。刘桂红[8]指出新桥采用简支结构可减少新、旧桥的混凝土收缩和徐变差，并且新桥建成3年后再拼接方可确保拓宽后桥梁结构安全。陈康明等[9]研究表明混凝土收缩是引起拓宽拼接后长联桥梁产生纵、横桥向变形最主要的因素，为避免3座长联桥梁的旧桥支座发生剪切破坏，均需将新梁建成静置3年后再进行拓宽拼接，这将严重影响长联桥梁施工工期，增加建设成本。为此，文献[10]提出了可缩短长联桥梁拼接时间的“部分拼接”的方法。本文以长联桥梁为研究对象，以三座实桥介绍采用部分拼接方法拼宽的长联桥的设计与施工，为以后缩短长联桥梁拼宽时间提供参考。

2 工程简介

依托工程为某高速公路改扩建段的三座长联桥梁，其联跨组合见表1。拓宽用新桥与旧桥的结构形式相同，均为长联多跨装配式预应力混凝土连续箱梁桥。旧桥上部结构由4片主梁组成，新桥上部结构由3片主梁组成。图1为新、旧桥主梁典型横断面构造图，每片新、旧桥主梁均为单箱单室等高度箱梁，箱梁高分别为160cm和150cm，中梁截面顶板宽均为240cm，顶板厚度分别为18cm和15cm，底板宽度分别为100cm和110cm。

表1 三座长联桥的联跨组合

3 普通拼接方法设计计算

3.1 普通拼接方法

图1 新、旧桥主梁跨中横断面构造（单位：cm）

长联桥梁拓宽时常以“新旧桥上部结构连接、下部结构不连接”为原则，采用“部分预制+部分现浇”的施工方法将新、旧桥主梁间的横隔板布置在每跨的跨中和端部，通过横隔板将新、旧桥主梁的腹板连接起来，消除整体挠度差；通过现浇混凝土湿接缝将新旧桥主梁翼缘板连接起来，防止新旧桥主梁翼缘在外荷载作用下出现局部挠度差，影响拓宽桥梁的正常使用。拓宽后三座长联桥上部结构的横截面示意图见图2。

图2 拓宽后上部结构的横截面构造（单位：mm）

3.2 模型建立与分析

分别选取漳河特大桥12跨一联，支漳河特大桥17跨一联，和洺河特大桥18跨一联的主桥作为分析对象，利用MIDAS/Civil有限元软件，采用梁格法建立三座长联桥的空间有限元模型。将主梁作为纵桥向单元，根据实际横向刚度建立虚拟横梁与主梁连接。虚拟横梁只有刚度不计重量，由此实现现浇混凝土湿接缝的模拟。支座采用弹簧单元模拟其实际刚度，主梁与支座连接方式为弹性连接中的刚接。以18跨一联的洺河特大桥为例，其有限元模型如图3所示。

有限元模型计算表明长联桥梁新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接时，由于纵桥向拼接缝的存在使得由于混凝土收缩和徐变等长期荷载产生的新桥主梁纵桥向变形受到旧桥主梁的约束，导致新、旧桥主梁在横桥向均发生弯曲变形。

由图4可知，当漳河特大桥、支漳河特大桥、，洺河特大桥的新桥建成后静置时间为3年时，混凝土收缩等长期荷载造成的旧桥支座横桥向位移最大值分别为19.14mm、19.01mm和18.99mm，仍然大于相应的容许值17.50mm，说明对于三座长联桥结构，若新、旧桥主梁沿纵桥向采用横隔板和湿接缝的拼接方式，要使旧桥支座不会因混凝土收缩造成的横桥向位移过大而发生剪切破坏，拼接时间必须大于3年，即采用普通拼接方法拓宽的长联桥梁，其新桥形成连续梁结构体系后的静置时间需超过3年，这将严重影响实桥建设工期。

图3 洺河特大桥有限元模型

图4 旧桥支座横向变形随拼接时间影响

4 采用部分拼接方法拓宽的长联桥梁设计

4.1 不拼接段长度确定

受工期要求，漳河特大桥、支漳河特大桥和洺河特大桥的新桥建成后静置时间如表2所示。根据长联桥梁新桥建成后的实际静置时间和文献[10]提出的部分拼接方法，采用第2节中相同的建模方法，分别计算新、旧桥主梁沿纵桥向采用普通拼接方法全部拼接、一联两端2跨和3跨不拼接3种情况下，新、旧桥拼接完毕10年后的桥梁结构在混凝土收缩和徐变等荷载作用下产生的横桥向变形。结果表明为使长联桥梁在施工期间3年内进行拼接，且使新、旧桥拼接10年后支座在混凝土收缩和徐变作用下产生的横桥向变形小于容许值，不拼接段长度均为一联两端各3跨，见表2。

表2 三座长联桥沿纵桥向拼接长度

4.2 不拼接段拼接构造设计

为保证不拼接段桥面铺装不出现裂缝，且新、旧桥主梁横桥向不发生碰梁，根据文献[10]，在不拼接段新、旧桥主梁翼缘间沿纵桥向每隔一段距离设置一道连接构造进行拼接。不拼接段的拼接构造见图5，新、旧桥主梁翼缘间沿纵桥向每隔 1.5m设置一道长×高×厚为：40cm× 18cm×1.5cm的Q235钢板进行连接，纵向钢筋分段焊接在钢板上；桥面现浇混凝土层中心线处设置一道高10cm的锌铁皮用来隔断横向钢筋和混凝土；桥面沥青层铺装完成后，在钢板拼接段范围内由表面切割一条深度为沥青铺装厚度1/2缝隙，并用沥青玛蹄脂填缝。断缝两侧各10cm现浇层上应先设一层2mm厚的聚氨酯防水卷材或沥青油毡并加热密封粘结，再全桥统一采用防水涂料。

图5 不拼接段拼接缝构造（单位：cm）

4.3 结构验算

为保证拓宽后长联桥梁的安全性与耐久性，对新桥主梁、湿接缝、桥面铺装、拼接钢板等构件进行抗剪、抗弯、抗扭承载力验算。以漳河特大桥的主桥为例，根据《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D60-2004）[11]进行结构验算，各构件的承载力验算结果汇总于表3。由表3可知，离散拼接段各构件承载力满足规范要求。

表3 漳河特大桥主桥结构验算结果汇总表

5 采用部分拼接方法拓宽的长联桥梁施工

对于采用部分拼接方法拼宽的长联桥梁，其拼接过程包括两次。第一次为为了缩短拼接时间，沿纵桥向新、旧桥主梁采用部分拼接方法拼接；第二次为待混凝土收缩徐变结束后，将采用钢板连接的不拼接段按照全拼节段的拼接方式进行拼接。

5.1 一次拼接施工方法

对于采用部分拼接方法拼宽的长联桥，首先，由桥梁中跨向两边整跨施工连续拼接段。连续拼接段按照普通的钢筋搭接方式进行包含横隔板和横梁在内的拼接，直至两端各剩3跨。然后，进行不拼接段的施工。

采用钢板拼接构造的不拼接段体施工步骤为：

（1）离散拼接区段横隔板、横梁不拼接，横向钢筋不连接。

（2）每隔1.5m设置一块40cm×18cm×1.5cmQ235钢板连接新、旧桥主梁。

（3）湿接缝及桥面现浇混凝土层中心线处设置一道高28cm的锌铁皮用来隔断横向钢筋。

（4）在钢板两侧设置8cm×5cm×18cm的软木块，纵向钢筋分段焊接在钢板上，横向钢筋用锌铁皮隔断不连接。

（5）桥面沥青层铺装完成后，在钢板拼接段范围内由表面切割一条深度为沥青铺装厚度1/2缝隙，然后用沥青玛蹄脂填缝。

（6）断缝两侧各10cm现浇层上先设一层2mm厚的聚氨酯防水卷材或沥青油毡并加热密封粘结，再全桥统一采用防水涂料。

图6 采用部分拼接方法拼宽的长联桥照片

5.2 二次拼接施工方法

二次拼接的施工工序为：

（1）定出离散拼接段纵向湿接缝的中心线。

（2）凿除桥面铺装层：由靠近连续拼接段的一跨开始，依次凿除中心线左右两侧95cm范围内的桥面铺装层，三跨的桥面铺装全部凿开。

（3）凿除旧桥翼缘板：桥面铺装层凿除以后，同样由靠近连续拼接段的一跨开始，凿除中轴线左右两侧20cm范围内的新、旧桥主梁翼缘板。翼缘板每次的凿除长度不应大于一跨。在翼缘板凿除时，保留拼接构造钢板。

（4）进行横隔板连接，浇筑混凝土，完成横隔板的施工。

（5）安装湿接缝模板，与钢筋焊接，混凝土浇筑，完成湿接缝的施工。

（6）铺设湿接缝处的桥面铺装层。

目前，采用“部分拼接方法”与“采用钢板连接的拼接构造”进行拓宽后的漳河特大桥、支漳河特大桥、洺河特大桥运营状况良好。在连续拼接段，未发现任何破坏现象。对于不拼接段，钢板与翼缘连接处以及桥面铺装与主梁翼缘结合面等关键未出现任何破坏现象。说明钢板连接的拼接构造在三座长联桥梁中的应用效果良好。

6 结语

通过不拼接段长度确定、不拼接段构造设计，以及拼接后各构件验算介绍了三座采用部分拼接方法拼宽的长联桥的设计，介绍了三座采用部分拼接方法拼宽的长联桥的施工步骤。目前，三座长联桥梁运营状况良好，部分拼接方法可推广应用于长联桥梁拼宽中，为今后长联桥拼宽设计与施工提供参考。

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[11]JTG D60-2004,公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范[S].