探讨改扩建公路桥梁拼宽设计

杨 俊

（贵州省公路工程集团有限公司,贵州 贵阳 550000）

0 引言

近年来，我国经济发展迅速，交通量不断增加，对目前的道路运输系统提出了更高的要求。由于设计理念落后、设计标准低、施工材料陈旧等原因，许多在使用中的道路桥梁不但不能保证行车的舒适度，也不能保证其安全，同时也限制了交通运输的发展[1-3]。在高速公路改扩建工程中，桥梁的扩容一直是工程的重中之重，一般都是通过拓宽桥面或者新建桥墩来扩展原来的桥型。拓宽桥面既能保证工程中旧桥的安全运行，又能节省资金。但由于新桥基础的连续下沉导致的沉陷差，对新增宽桥的上部构造产生了较大的冲击，尤其对拓宽后的桥面结构产生了较大的冲击。为解决山地高架桥拓宽技术难题，该文对非均匀沉降对桥梁的受力等问题进行了研究。通过调查、分析、整理各种影响因素，采用模型试验方法，对不同沉降条件下的桥梁进行了受力响应分析，得出了各种因素对桥梁承载力的影响，为以后的桥梁加宽设计提供了依据[4]。

1 拓宽桥梁横向拼接

1.1 横向连接方式

1.1.1 上下部结构均不连接

如果在原桥没有与桥面相连的情况下，新老桥不会发生交互作用，可以避免地基不均匀下沉对桥面的破坏，降低搭设的难度。

1.1.2 上下部结构均连接

在桥梁上下两层均为联体时，地基沉降对其内力的影响较大，因而对其技术参数提出了更高的标准[5]。同时，在采用这种方法的情况下，对下层结构进行拼接，必须采用植筋技术。

1.1.3 上部结构互连、下部结构不连

该方案可保证原桥的上层建筑在不均匀沉降条件下仍然能保持其整体的完整。其基础无接缝，施工过程简单，可以利用粘结部分的位移，使其具有较小的承载力。

1.2 上部结构拓宽

1.2.1 空心板梁桥

这种类型的梁桥可分成两种：即预应力和RC，它们的横径通常是10 m、16 m和20 m，它们的横断面与原桥基本相同。在进行扩建时，应先将桥面板的边梁翼切去，再利用植筋技术将新老桥梁结合，并按照关节形式进行结构分析。如果在末端设置了横向隔离层，那么该构件的计算方式应该是刚体。

1.2.2 T梁桥

T梁桥因其本身的构造特点，在施工中会遭受周围的腐蚀，尤其是边梁[6]。并且，在T梁桥加宽时，应考虑将侧梁翼板剪掉，将其与新桥T梁的肋骨连接起来，如图1所示。原桥的边梁在加宽时的受力状况发生了很大的改变。在T梁桥的加宽过程中，除在连接点两端增设横隔梁外，还需在桥梁的中部指定位置增设横向隔板。例如，在加宽桥梁和原桥的横向连接上，通常会在扩大段的四分之一跨径和中间位置设置隔板。

图1 上部结构拼接示意图(单位：mm)

1.2.3 不同梁截面连接

在桥梁扩建过程中，采用具有更高刚性的扩张桥断面，可以极大地提高新桥的整体刚性，从而减轻原桥承载力。在T梁（原桥）+中空板梁（拓宽桥）的横断面结合中，采用的中空板梁的横截面具有很强的横向刚性，采用钢板对新桥进行锚固，可以极大地改善新桥的整体水平刚性和承重性能，T梁和空心板拼接横断面见图2。

图2 T梁和空心板拼接横断面

2 不均匀沉降下拓宽桥梁拼接结构力学响应

2.1 影响基础沉降对上部结构作用的因素

2.1.1 沉降模式

原桥地基经过长时间的使用，地基的沉陷已趋于平稳。但对于新建加宽大桥，地基沉降比较大，老桥的沉陷差异大，对新桥的结构也会有很大的影响。在假设原桥地基为0的情况下，在原桥的限制作用下，新桥地基离原桥较近，地基沉降较少，而地基沉降较大。地基的沉降方式是直线的，并根据地基的位置进行直线布置[7]。

2.1.2 影响因素

根据以上的线型沉降模型，随着沉降差异的加大，连接处上部的上部结构的张应力也随之增大。为了防止连接处的上部边缘出现结构性裂纹，应当满足σ≤[σ]。

2.2 计算数值模型

2.2.1 桥梁类型

在此基础上，选取了两种常用的桥梁——简支中空板桥和简支T梁桥。采用FEA软件对其进行了详细的分析。钢筋仿真则是在主单元中增加刚性。模型中的材料都是线性的，没有考虑到材料的非线性。

2.2.2 计算荷载

（1）恒变的负载。新旧桥的主要构件为静荷载，而桥墩及桥面则为第二等静荷载。

（2）位移负载。为了防止连接构件的断裂，梁的受力应在一定的弹性区间之内。实验中的沉降值应当小于拓宽桥，而拓宽桥的沉降控制在5 mm以下。

（3）气温负荷。根据技术要求设定的温度梯度对区域温差进行控制。文中所述的体系为一种简单的支撑体系，其自身的温度波动不会产生任何的内力，因此不需要计算其内部的温差。

2.2.3 几何尺寸

（1）中空结构的简支中空板—简支中板的基础模式。原桥是一座20 m长的简支中空板桥梁，桥梁宽度9 m，采用8根中空板梁柱，采用上段连接，下段不相连。扩容桥梁在扩容时，采取与原桥同样的中空钢板，并在两端增加50 cm宽的横向隔梁，两侧梁翼上插入一根钢筋。

（2）简支T梁+简支T梁。原桥采用T型单层T梁，跨度20 m，宽度8.6 m，包括6个T形梁，采用上下不连接的形式进行加宽。扩容时采用同一T形梁，在原桥侧梁的侧向侧梁后插入钢筋，并在两端和中间各增设30 cm宽的横向隔梁，间隔为4.8 m。

2.3 拓宽桥梁拼接部分在沉降荷载下的受力

2.3.1 截面配筋

从图3可以看出，在加劲比条件下，加劲度对加劲性的影响具有类似的特征。结果表明：两种不同类型的桥式拼装形式，不同的截面配筋比对其上部边缘的拉伸强度均有一定的作用，并且其规律是一致的。随着截面配筋度的增大，连接构件上边缘的张应力也相应减小。但区别在于，对于中空板桥梁，其加劲度与其受力部位的关系密切，其最大应力量为4个跨距，且在从支撑向跨中方向运动时，其应力量会随梁向梁中部方向的变化而降低。但在T梁桥加宽过程中，其张应力与断面的位置没有明显的相关性，其应力值只有跨中部位的1.3倍。一方面，当截面配筋比例增大时，连接构件的中线轴线会逐步向上移动；在简支梁桥加宽实验中，支架对梁体竖向位移的限制从支撑到跨中的限制作用是逐步减小的，这将有助于扩大桥梁的主框架，使其在不同的变形情况下减小不均衡的沉降[8]。另外，跨梁的布置提高了桥梁的横向刚性，从而使其上部的张应力增大。在加宽中空板桥梁实验中，承台与中梁的受力情况存在很大差异。通过对T梁桥加宽实验的分析，发现在横向梁的作用下，其上边缘的张应力没有发生明显的改变。

图3 不同桥梁拓宽拼接部分在不同配筋情况下的应力值

2.3.2 拓宽宽度

结果表明，在不同加宽条件下，连接梁上边缘的张应力的取值与计算结果一致。在T梁桥与中空板桥梁加宽实验中，加宽对连接构件的受力有很大相似之处。随着加宽的增加，连接件的上边缘的拉伸强度会降低。在相同的沉陷条件下，随扩大宽度增大，对应的倾角位移也随之降低，上边缘的张应力也随之降低。

2.3.3 拼接部分宽度

新桥的连接线宽度对其产生的张应力数值如图4所示。结果表明：随着接缝的宽度的增大，黏合部分的上边缘张应力将会降低。然而，T梁桥与中空板连接处的粘结长度的改变对其上边缘的张应力有很大的差异。当剖面的位置不一样时，这个差异也会随之改变。特别是在两种断面的桥面连接处，由于连接的宽度对上边缘张应力的作用是从支架到中间的。在加宽中空桥梁时，支架位置的受力是中间段的4.7倍[9]。在T梁桥实验中，只有1.7个百分点。可见，在各种加宽的桥面连接处，拼装宽度对上边缘的拉伸强度有显著的作用[10]。而连接截面的宽度对桥面的弯曲系数有很大的影响，因此，增大桥面的接缝宽度会使桥面的弯矩增大，从而使桥面的张应力也随之减小。另外，由于新桥横桥在剪力墙上存在着一些位移，因此，搭接截面的宽度会影响到横桥的拉应力。T梁桥与空心板桥在各部位受拉应力的作用差异很大。

图4 不同桥梁拼接结构在不同拼接部分宽度下的应力值

3 结论

该文运用有限元分析技术，重点讨论了桥梁拓宽工程中截面配筋、拓宽宽度、接缝宽度等3项影响因素，并提出如下建议：

（1）随着搭接截面宽度和截面配筋比例增大，上缘拉应力减小。在中空板桥梁结构中，由于各部位的作用对其产生的作用也各有差异，且从中间到另一端的作用强度均有较大的变化。

（2）参考有关资料，所选择的地基沉陷数值是5 mm。结果表明，在5 mm的沉陷条件下，连接构件上边缘所引起的横桥拉应力没有超出标准水平。对于20 m直径的简支中空梁桥，在不均沉陷小于5 mm的情况下，可以确保其正常工作。