大跨径连续梁桥拼宽方案比选研究

王震

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

目前我国大部分高速公路扩建都采用既有运营线路进行扩建拼宽改造方式，而利用既有线路进行扩建，涉及沿线大量的旧桥需要改造，尤其是大跨径桥梁，扩建难度大，受关注度高，经济指标影响大，拼接后结构受力复杂等，均制约了桥梁的拼宽方案的选择，因此大跨径桥梁的扩建成为了改扩建项目的控制性工程。如何对既有的大跨径桥梁进行拼宽改造，成为了改扩建项目需要重点解决的难题。本文依托于长春至深圳国家高速公路河源热水至惠州平南段改扩建项目东江大桥，对大跨径连续梁桥的拓宽方案进行分析研究，经比选后确定一种合理的拼宽方案。

1 工程概况

长春至深圳国家高速公路河源热水至惠州平南段是国家高速公路网第三条南北纵线-长春至深圳高速公路广东境内段的重要组成部分，同时是广东省高速公路网规划“五纵”的一段，是粤东北地区南北向运输的重要通道，也是粤东北地区（河源、梅州）连接港、澳与珠三角的交通大动脉，是联系深莞惠都市圈核心区与河源等地的重要高速通道，同时也是联系珠三角与江西省等东部地区的重要的省际大通道。

该工程现状为双向四车道，既有路基宽度有两种，分别为26m 和24.5m，拟扩建为双向八车道高速公路，路基宽度42m。扩建方式采用双侧直拼为主，单侧拼宽为辅，改扩建过程中交通不中断。桥梁拼宽采用目前国内通用的“同结构、同跨径、上连下不连”的横向拼接拓宽方式。东江大桥现状为（45+2×80+45）m 预应力砼连续梁+13×30m 预应力砼T 梁桥，2002 年12 月建成通车。主跨桥梁上部结构采用左右幅分离的单箱单室预应力连续梁，支点梁高4.5m，跨中梁高2m，桥梁顶宽12.1m，底宽6m。桥墩采用分离式矩形空心墩，整体式承台，钻孔桩基础；引桥上部结构由11 片预应力砼T 梁构成，桥面宽24.5m，桥墩采用整幅双柱式桥墩，钻孔桩基础，左右幅采用中央分隔带护栏分离。桥梁既有纵坡为0%，横坡为双向2%。根据检测评定，该桥现状综合评定为“二类”。桥梁现状通航等级为内河Ⅳ级，规划通航等级为内河Ⅲ级。

该桥历史上经历了加固维修，2008 年观测到：与设计成桥的梁顶标高相比，在无汽车荷载作用下，结构相对静止状态，左幅桥梁体80m 跨跨中下挠量为51mm，右幅桥梁体80m 跨跨中下挠量为57mm，2009 年对东江大桥进行了体外预应力加固、粘贴钢板和裂缝处理等，截至目前，该桥运营状态良好。

2 桥梁拼宽方式的受控因素

东江大桥扩建主要受制于东江现状为Ⅳ级航道，规划提升为Ⅲ级航道。桥梁跨径布置需满足Ⅲ级航道通航要求，并结合通航论证结论进行桥梁方案比选。本桥起点左侧为高边坡，右侧有一处出让用地，为纪委用地范围，已经开始施工，现状该用地开挖边坡坡顶已超出其用地红线范围，紧靠高速公路路肩。本段终点左侧有一处赣深高铁拌合站，距离本项目旧桥边线约17.4m。综合本桥桥址各受控因素，设计提出了两个方案，分别采用两侧拼宽方案和单侧拼宽方案，受纪委用地影响，单侧拼宽方案推荐采用左侧拼宽，具体如下：a. 两侧拼宽方案。新旧桥进行拼接。b.左侧拼宽方案。新旧桥分离，旧桥由对向行车改为同向行车。

3 桥梁两侧扩建方案分析

3.1 桥梁两侧拼宽方案分析

桥梁采用双侧拼宽，需要将新旧桥进行拼接，由于旧桥运营多年，收缩徐变过程已基本完成，新旧桥梁拼接后，旧桥会对接缝部位的混凝土和新桥的收缩徐变产生一定的约束，导致新旧桥拼接部位产生较大的剪力，从而使其产生纵向裂缝。

并且旧桥基础变形已经稳定，一般不会再产生新的沉降变形，而新建桥尚未完成其沉降过程，因此基础的差异沉降也会导致桥梁拼接部位产生附加内力。

桥梁采用两侧拼宽后，新桥位于外侧，旧桥位于内侧，而外侧车道多为大型货车、客车，内侧车道多为小车，常态运营下，新旧桥梁的车辆荷载导致的挠度亦有所不同，尤其是大跨径连续梁桥，变形较大，因此新旧桥梁的变形差异亦更大。

为了最大化提升新旧桥梁拼接后的整体受力能力，拼宽侧新建桥梁上部结构形式需与旧桥上部结构形式一致，采用（45+2×80+45）m 预应力砼连续梁。

3.2 桥梁两侧拼宽计算分析

桥梁两侧拼宽采用刚性拼接方案，先凿除既有桥梁翼缘1.5m，保留凿除部分横向钢筋。两侧新建9.25m 拼宽桥梁，翼缘预留钢筋，与既有桥梁翼缘钢筋连接，布设纵向钢筋，最后浇筑C50 钢纤维收缩混凝土。

结合两侧拼接方案，对两侧加宽的桥梁采用空间有限元方法进行了建模计算分析，构件纵向计算采用Midas Civil 2019 进行，静力计算有限元模型图如图1 所示。

图1 东江大桥双侧拼宽计算消隐模型

桥梁建模按照桥梁的全寿命周期运营进行精确模拟建模，根据计算结果显示：新桥旧桥在拼接后在存在变形差，其中旧桥跨中最大下挠为7.7cm，（与东江大桥桥梁观测报告截至2021 年的最大下挠量6.2cm 基本吻合），拼宽侧新建连续梁跨中最大下挠为5.4cm。具体如图2 所示。

图2 东江大桥双侧拼宽后新旧桥梁变形图

新旧桥拼宽后，受基础沉降、收缩徐变等影响，持久状况承载能力极限状态下，拼宽侧新建连续梁墩顶处弯矩承载力比旧桥墩顶承载力小，新建桥梁承载力未超限，而旧桥拼宽后，承载力弯矩超限，无法满足规范要求。具体如图3、图4 所示。

图3 东江大桥双侧拼宽后新建桥承载力包络图

图4 东江大桥双侧拼宽后旧桥承载力包络图

新旧桥拼宽后，正常使用极限状态下，拼宽侧新建连续梁桥梁顶缘和底缘均出现了拉应力（见表1），其中顶缘最大拉应力值达到了1.44MPa，底缘最大拉应力值达到了3.0MPa，而旧桥整体受力良好。

表1 拼宽侧新建连续梁桥梁顶缘和底缘应力

结合两侧拼宽的计算分析，新旧桥梁刚性拼接后，受基础沉降、不同车辆荷载作用、收缩徐变等的综合影响。新旧桥梁各自的边界条件和受力状态均发生了明显改变，拼宽侧新建桥梁存在拉应力，受力状态复杂，对桥梁全寿命周期的安全运营会产生不利的影响。

4 桥梁左侧扩建方案分析

4.1 桥梁左侧拼宽方案分析

东江大桥左侧分离新建桥梁，新旧桥分离，新建桥梁结构形式选择多样，既可以选择与旧桥相同的预应力砼连续梁，也可以选择预应力砼连续刚构、矮塔斜拉桥等，新旧桥梁独立运营，桥梁受力清晰明确。

根据本项目特点，考虑旧桥已采用了预应力砼连续梁，且有加固历史，结合通航论证与景观协调因素，新建桥梁的上部构造梁高需与旧桥保持一致，旧桥承台宽度需与旧桥保持一致。而预应力砼连续刚构桥墩梁固结，当活载作用于中跨时，与相同跨径的连续梁比较，其跨中弯矩较小，预应力砼连续刚构桥在跨中梁高相同时，可承受的弯矩较连续梁的更大。因此设计推荐采用与旧桥跨径一致的（45+2×80+45）m 预应力砼连续刚构桥进行左侧分离拼宽。

4.2 桥梁左侧拼宽计算分析

新建的预应力砼连续刚构桥，上部结构采用单箱双室断面，三向预应力结构，支点梁高4.5m，跨中梁高2m。

结合左侧拼宽方案，对新建桥梁采用空间有限元方法进行了建模计算分析，构件纵向计算采用Midas Civil 2019 进行。静力计算有限元模型图如图5 所示。

图5 东江大桥左侧拼宽计算消隐模型

根据计算结果显示，左侧分离拼宽新建的连续刚构桥梁受力性能良好。持久状况承载能力继续状态计算、持久状况正常使用极限状态计算、持久状况构件的应力计算均满足规范要求。具体部分计算结果如下图6 所示。

图6 东江大桥左侧拼宽承载力包络图

5 方案比选

根据东江大桥前后受控因素，并结合两侧拼宽和左侧拼宽的计算结果，对两方案进行了比选分析，具体如下。

5.1 两侧拼宽

优点：新建桥梁规模相对较小，两侧分别新建9.25m。占地较少，总体经济性好。对环境影响小，桥梁拼接后整体性好，景观性较好。新桥受重车荷载，旧桥受小车荷载。

缺点：无法预留后期旧桥拆除重建条件。拼接施工难度相对较大，设备投入高。拼接后新旧桥梁受力复杂，新建桥梁出现拉应力，旧桥承载力不足。新旧桥同向分离行车，交通安全性不高。距离道路右侧纪委建筑较近，存在一定协调难度。桥梁拼宽受制于旧路线型，纵坡采用0%，拼宽后桥面宽度较大，仅采用双向2%横坡，不利于排水。

5.2 左侧拼宽

优点：与航道部门意见一致。可预留旧桥拆除重建空间。对高速公路右侧纪委建筑干扰较小，噪音污染小。路线设计不受既有线位影响，新线位设计纵坡可按现行规范进行调整，利于桥梁排水。不受旧桥制约，新建桥梁结构形式选择多样。新旧桥梁独立运行，结构受力明确。

缺点：东江桥头挖方较多。新建桥梁规模相对较大，需拼宽21m。受纵坡调整，新建桥梁设计高度大于旧桥设计高度，存在高低桥梁现象，新旧桥梁景观性差。旧桥由对向行车改为同向行车，路基过渡段长，车辆行驶安全性较差。旧桥车辆行驶习惯改变，靠外侧始终受大车荷载。

综合以上的方案比较，东江大桥推荐采用左侧分离拼宽新建（45+2x80+45）m 预应力砼连续刚构桥。

6 结论

本文依托于长春至深圳国家高速公路河源热水至惠州平南段改扩建项目东江大桥，针对大跨径连续梁桥的改扩建方案进行了深入比较，分别对两侧拼宽和左侧拼宽方案进行了建模分析，计算发现，两侧拼宽新旧桥梁刚性拼接后，受基础不均衡沉降、收缩徐变等因素影响，拼宽后桥梁受力状态复杂，旧桥承载力不足，拼宽侧新桥出现拉应力，不利于桥梁的全生命周期的运营，左侧拼宽分离新建桥梁，桥梁受力明确，新旧桥梁独立运营，也可为后期的旧桥拆除重建预留条件，综合各方面因素，最终确定东江大桥采用左侧拼宽方案，主跨新建（45+2x80+45）m 预应力砼连续刚构桥。