高速公路空心板桥拼宽设计和施工技术研究

■彭胤涵 欧智菁 丘福连

（福建工程学院，福州 350118）

0 引言

桥梁在现代高速公路中占有较大比重，随着经济飞速发展，交通量迅速增长，原有的高速公路桥梁难以满足交通需求。新建桥梁费时多费用高，因此对旧桥进行适当加宽改造，可充分利用旧桥的潜能，经济效益显著。当前的高速公路桥梁加宽存在技术复杂、实施难度高、对现状交通影响大等特点，已成为改扩建工程的难点。本文以高速公路空心板桥为研究对象，结合具体桥例重点介绍了其上部结构拼宽设计与施工方法，旨在为类似工程提供参考和技术指导。

1 国内外研究现状概述

国外高速公路桥梁建设起步较早，从20世纪70年代起，许多欧洲国家开始了高速公路桥梁拓宽扩建研究，形成了较为系统的理论体系[1]。乌克兰公路勘察设计院和国家道路科学研究院研究并提出了桥梁拓宽方法和基准拓宽模式；美国桥梁拓宽设计中要求新旧桥的结构性能尽可能接近，并制定了完整的桥梁拓宽规程AASHTOLRFD Bridge Construction Specifications[2]；德国公路部门出版了桥梁拓宽初步技术设计图集，提出了用标准装配式板拓宽板桥的拓宽图式（在拓宽桥梁时，主要采用加筋榫头联接新老构件）。英国、俄罗斯、日本等国在部分高速公路桥梁加宽扩建时，应用了纵向伸缩缝的新技术，实现新旧桥一体化。

自上世纪90年代中期起，我国的基础设施进入大规模建设时期，在借鉴国外公路建设经验的基础上，我国高速公路桥梁改扩建的研究日益成熟。目前国内现有的研究主要集中在新旧桥不均匀沉降分析及结构受力变化情况；广泛应用植筋技术。现有的相关规程主要有《高速公路改扩建设计细则》（JTG/T L11-2014）[3]，不足之处是没有专门针对高速公路桥梁的改扩建规范，其改扩建施工技术与方法也有待改进。

2 设计原则

我国高速公路桥梁拼宽，应贯彻环境保护、耕地保护和资源节约的基本国策，遵循“利用与改扩建充分结合、建设与运营相互协调”的基本原则，进行科学论证，提出合理方案。对拼接加宽利用的老桥梁和新建桥梁，其极限承载能力应满足现行标准要求。宜采用“同结构型式、同跨径布置”方式，力求标准化、装配化、外观一致性。同时需要有效控制新旧桥基础差异沉降。应综合考虑结构形式、跨径布置、拼宽部分自身稳定性、地质等因素，确定新结构与既有结构间是否连接。

3 高速公路桥梁拼宽方式

当前我国高速公路桥梁拼宽常采用的方法为单侧拓宽和双侧拓宽两种方法，而桥梁拓宽中横向连接方式的选择成为施工中主要面对的问题[4]。现有桥梁拼宽横向连接方式主要有上部连接下部不连接，上、下均连接，上、下均不连接这三种类型。桥梁拼宽横向连接方式方案比较见表1。

表1三种横向连接形式中，常采用“上连下不连”，其关键是控制上部结构混凝土收缩徐变差值以及新、旧桥梁基础之间的不均匀沉降，造成上部结构混凝土和桥面铺装开裂等危害[5]。上连下不连方式示意图如图1所示。当原桥梁板满足现行规范标准时，可将原边板移动到拼宽部分外侧使用，以中板直接通过铰缝进行连接，如图2，此种方式适用于下部结构相互连接的情况。上下均不连接指新建拼宽桥梁与既有桥梁分离、相互独立，新老结构各自受力明确，如图3所示。

表1 桥梁拼宽方式比较分析

图1 上连下不连拼宽方式

图2 上、下均连接拼宽方式

图3 上、下均不连接拼宽方式

4 桥梁横向连接设计与施工方法研究

桥梁横向连接方式的选择是桥梁拼宽设计的关键，影响因素包括：原有桥梁的承载能力和耐久性的评估结果、上部结构协调变形要求、桥梁活载及基础差异沉降和施工的难易程度等[6]。拼接缝的三种方案如下：

4.1 方案一：植筋现浇湿接缝连接法

该拼接方法的设计原理为：拆除旧桥外侧护栏，并在其外侧边板上种植连接件（钢板、种植螺栓、连接钢筋）。新加宽桥外侧边板预埋的钢筋要与连接件焊接，沿桥配纵向主筋，形成现浇段板梁。同时，板梁上继续浇注桥面混凝土，应注意新旧盖梁之间需要设置分隔缝，不用切除挡块，最后通过现浇段将新旧桥上部结构连接在一起。如图4所示。

图4 植筋现浇湿接缝连接法

在石安高速公路某段改扩建中采用了 “上部结构连接，下部结构不连接”的桥梁拼接加宽方式[7][8]。左幅新建小桥和原桥采用上连下不连的连接形式，即上部结构刚性连接，下部结构各自独立。上部结构简支，桥面连续，桥头和中间墩处设置联接钢板。原桥内侧护栏拆除，翼缘凿除，植入钢筋，新建小桥预留现浇段，与原桥原有钢筋及植入钢筋连接，浇注成整体，实现刚性连接；原桥桥面铺装凿出1m宽(含原桥护栏宽度)与新建小桥桥面铺装横向钢筋绑扎，浇注防水混凝土；原桥内侧桥台、桥墩挡块凿除，为上部结构连接预留空间。凿除原桥上部沥青路面，按照设计横坡重新铺筑桥面铺装。

4.2 方案二：采用型钢临时加固法

该拼接方法的设计原理为：沿纵向接缝将两侧空心板用型钢临时加固，拆除旧桥外侧护栏、原盖梁的端部以及防震挡块，用混凝土重新浇筑新空心板与旧桥外侧空心板间的企口缝和桥面铺装，等混凝土达到设计强度后，拆除临时型钢。其盖梁植筋连接方案如图5。

沪杭甬高速公路的某座桥梁[8]，首先将老护栏凿除到梁板顶面的位置，不割除老梁板内预埋的护栏钢筋，把钢筋弯向纵缝侧使其与种植钢筋共同受力；其次在老梁板上种植螺栓；钢筋与钢板焊好后，将钢板安装在种植好的锚栓上并与梁板粘结，之后将钢筋进行焊接，老桥铺装层的钢筋网与纵缝拼接顶部设置的钢筋网及拼宽桥梁桥面铺装钢筋网绑扎在一起；工字钢与梁板之间的支撑点要垫入钢板，以保证梁体传力的可靠性；接着制作模板；在混凝土浇筑时先浇筑下部，用插入式振捣器振捣密实再浇筑T梁部分的上部，并用平板振捣器振捣密实。混凝土一旦开始浇筑就不能停顿，直至完成半幅桥。

图5 盖梁植筋连接方案

纵缝混凝土浇筑完后，应进行适当的覆盖，表面收浆后立即开始养生，洒水时间应在7d以上，待混凝土强度达到设计强度70%(35MPa)以上时，即可拆除工字钢和底模。施工图如图6所示。

图6 采用型钢临时加固法

4.3 方案三：悬臂边板拼接法

盖梁、边板不动，即拆除旧桥外侧护栏，新加宽桥的边板采用带悬臂的形式，沿纵向接缝临时用型钢加固两侧空心板，并浇筑桥面铺装混凝土，待混凝土达到设计强度后，拆除临时型钢。盖梁不相连接方案如图7。

图7 悬臂边板拼接法

5 桥梁拼宽新技术及运用

高速公路新旧桥连接，受混凝土收缩徐变、差异沉降和运营荷载等因素影响，可能引起一系列安全问题。为确保桥面平顺、安全行车，目前国内外高速公路桥梁拼宽工程中采用了多项新技术。

5.1 纵向伸缩缝技术

纵向伸缩缝是桥宽拼宽工程中，布置在新旧桥之间的铰接位置上的连接装置，如图8所示。设置纵向伸缩缝的目的是为了满足桥面变形的要求。

图8 纵向伸缩缝（Brit flex LJ型）

纵向伸缩装置能充分吸收车辆的振动冲击，且接头平顺，具有良好的耐久性、较强的弹性恢复力，对温度和荷载变化产生的影响有较强的适应能力，桥梁整体沿桥梁横向能自由伸缩，结构牢固可靠，承载能力优越。纵向伸缩缝具有良好的防排水性能，平整舒适性好，与其相连接的路面在同一水平面上，行车效果和在路面上基本相同，不会出现与横向伸缩缝一样的跳车现象，噪声小，且其施工简便快捷，经济效益好，成本低廉。

广州市南沙区省道S111线上的一涌中桥采用了纵向伸缩缝装置[9]，如图9。该桥的连接方式为上部横向连接，下部不连接。施工时在桥头增设伸缩缝，重新浇筑搭板，采用钢筋除锈外加环氧树脂砂浆对旧桥空心板梁底板及栏杆剥露的混凝土进行修补。接缝施工时先要凿掉现有桥面铺装，用环氧树脂砂浆或环氧树脂混凝土对梁板尤其是纵缝两侧裂缝进行修补，并用聚氨脂胶泥对纵缝进行填充；最后对桥面铺装进行维修。

图9 广州一涌中桥单侧纵向设置伸缩缝

5.2 刚度渐变技术

刚度渐变技术即：将新旧桥板之间的刚度差异渐变，扩展其变化区域，由原来两块板之间的刚度突变转换为多块板之间的刚度渐变，这样使新旧桥板结合部位产生的位移差和附加应力大大减小，从而实现桥面铺装的整体性[10]。新桥板与旧桥板的单板刚度差异较大，这样会导致新桥板与旧桥板连接后在连接部位出现桥面铺装破坏。基于此，提出新旧空心板桥刚度渐变的方法。对刚度渐变的钢筋混凝土空心板桥的静力力学性能进行分析，研究结果表明：施加横向刚度渐变构件前后的整桥在过渡区域位移有较大的不同，在施加横向刚度渐变构件前，新内板和旧板之间出现较大的刚度突变，引起位移突变；施加横向刚度渐变构件后，各个桥面板的位移呈现逐步变化的趋势。施加横向刚度渐变构件前承受荷载的空心板荷载横向分布系数突起明显，即单板受力明显；施加横向刚度渐变构件后，荷载横向分布系数突起值减小，突起宽度增大，说明施加的集中荷载由多块板共同承担，各个空心板的变形相差不大。对比施加横向刚度渐变构件前后的静力力学性能，证明了施加横向刚度渐变构件的有效性，横向刚度渐变效果良好。

通过对比空心板在施加横向刚度渐变构件前后的受力和变形特征，证明了施加横向刚度渐变构件可有效缓解单板受力情况，改善空心板桥的整体受力性能。不同刚度空心板板之间的连接图示见图10，图中由空心板①到空心板⑧的刚度以较小的刚度差逐渐变化，形成刚度渐变的整体结构。

图10 刚度渐变模型

6 结语

本文以高速公路空心板桥为研究对象，探讨了常见的三种拼宽类型，依托具体桥例，详细介绍了拼宽桥梁横向连接设计及施工方法，并概述了空心板桥拼宽新技术，得到以下几点结论：

（1）我国高速公路桥梁拼宽，应遵循“利用与改扩建充分结合、建设与运营相互协调”的基本原则，宜采用同结构型式、同跨径布置方式，力求标准化、装配化、外观一致性。在满足极限承载能力要求基础上，有效控制新旧桥基础差异沉降。

（2）对高速公路空心板桥三种拼宽方式进行对比研究，其中“上连下不连”拼宽方式的优点在于能缓解新、旧桥梁基础之间不均匀沉降对结构受力的影响，且施工便捷，可推荐应用；并针对该拼宽方式，详细论述了“植筋现浇湿接缝连接法” “型钢临时加固法”、“悬臂边板拼接法”三种拼接方法。

（3）纵向伸缩缝技术具有耐久性强、平整舒适性好、防排水性能优、经济效益高等优点，在实际工程应用效果良好，值得推广。刚度渐变技术能有效防止由于新旧主梁刚度差异较大而造成的新旧桥梁接缝处易发生局部破坏的现象，可供类似工程参考。