城镇农村公路桥梁改造设计

1 引言

上海市城镇早期建设的农村公路多为单车道， 其交通功能弱化，并且沿线附属设施缺失，存在安全隐患[1]。故上海启动2018—2022 年“四好农村路”建设五年专项行动。 现状农村公路宽度以4~6 m 为主， 桥梁多以普钢或预应力铰接空心板为主，跨径6~20 m 占比较高[2]。简支空心板桥梁形式在低等级农村公路中依然大量采用，所以在农村公路改造项目中，经常接触简支空心板桥梁改造。

本文依据上海市松江地区农村公路提档升级工程项目，桥梁根据道路总体进行拓宽设计，单车道拓宽至双车道。 桥梁拓宽设计方案采用Midas Civil 建立结构空间有限元模型，考虑收缩、徐变、新结构沉降、车道荷载主要影响因素，进行对比分析，得出最优设计方案，并用于实际施工。

2 老桥拓宽的改造设计方案

鉴于老桥使用多年，其基础沉降和收缩徐变已稳定，而且上海地处软土区域，如果采用下部结构相连，会容易导致连接处开裂损坏等病害，所以排除下部结构相连的设计方案，主要采用以下3 种拓宽设计方案：（1）下部结构不连，上部结构刚接；（2）下部结构不连，上部结构铰接；（3）下部结构不连，上部结构不连[3]。

2.1 工程背景

松江区古松路沿线共涉及1 座桥梁，该桥跨越栅里岗。 老桥跨径为13 m，桥面总宽为5.6 m，横断面布置5 片小铰缝的空心板。老桥上部结构为空心板，下部结构采用轻型桥台。老桥技术状况为2 类。 根据总体要求，道路由单车道变为双车道，老桥单侧拓宽，增加2 片刚接空心板，拓宽后，桥梁总宽为8.6 m。

2.2 计算分析

2.2.1 模型建立

采用Midas Civil 对桥梁结构进行建模计算分析。 采用梁格法模拟空心板受力，简支结构。 利用Midas Civil 里“释放梁端约束”的边界模型来分别模拟空心板之间拼接力学模型，分别为刚接、铰接、不连接，计算模型如图1 所示。

图1 计算模型

2.2.2 拓宽新桥的收缩、徐变对老桥结构效应的影响

在我国JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的收缩徐变模型[4]基础上，分析在新桥的收缩、徐变作用下，不同拓宽拼接模式对老桥的横向效应及承载能力的影响。 计算分析中考虑10 年的收缩徐变影响。

1）对老桥支座横向反力以及横向变形分析

表1 给出拓宽新桥运营10 年后，在收缩、徐变作用下对老桥结构产生的支座横向反力以及梁跨中横向最大变形。

表1 老桥支座反力以及横向变形

注：正、负仅表示受力或变形方向相反。

从表1 可以分析得出：（1）在新桥的收缩、徐变作用下，老桥上部结构采用刚接产生横向支反力、变形最大，采用不连接时不影响老桥；老桥靠近拼接缝的1#边梁产生横向支反力、变形最大，横向随着远离拼接缝效应依次递减。 （2）在新桥的收缩、徐变作用下，由于农村公路桥梁跨径小，老桥产生的横向效应较小，老桥支座满足规范要求。

2）对老桥内力分析

新桥收缩、徐变使老桥的上部结构内力将发生变化。表2、表3 给出拓宽新桥运营10 年后，在收缩、徐变作用下对老桥结构产生的内力。

表2 老桥内力（收缩、徐变）

表3 老桥弯矩（收缩、徐变）

从表2、表3 可以分析可知：（1）在新桥的收缩、徐变作用下，老桥上部结构采用刚接产生梁内力最大，采用不连接时不影响老桥；老桥靠近拼接缝的1#边梁产生内力最大，梁横向随着远离拼接缝产生的内力依次递减。 （2）在新桥的收缩、徐变作用下，老桥由原来的单向受弯变为双向受弯。 在新桥的徐变作用下， 老桥在端部受压为主， 老桥梁的纵向弯矩在跨中最大，横向弯矩在端部最大。 在新桥的收缩作用下，老桥在端部受拉为主，老桥梁的纵向弯矩在端部最大，横向弯矩在端部最大。 （3）在新桥的收缩、徐变作用下，对老桥的影响主要体现在水平方向，竖向效应影响较小。

2.2.3 拓宽后，车道荷载对老桥结构效应的影响

老桥之前为单车道，拓宽后，桥梁总宽为8.6 m，可布置双车道，同时兼顾行人和非机动车。 车道荷载在拓宽前后都按偏载最不利布置。

从表4 可以分析：（1）拓宽后，增加一车道，老桥上部结构采用不连接产生梁跨中弯矩最大， 采用刚接或者铰接产生梁跨中弯矩相等；（2）拓宽后，增加一车道，老桥靠近拼接缝的1#和2#梁产生的梁跨中弯矩相对其他梁较大， 梁横向随着远离拼接缝依次递减。

表4 最大弯矩

2.2.4 拓宽新桥的不均匀沉降对老桥结构效应的影响

通过对拓宽新桥支座施加竖向位移的方法， 从而模拟新桥基础沉降。 由于老桥已运营多年，其基础沉降基本稳定，拓宽新桥设计的沉降采用5 mm[5]。

从表5 可以分析：

表5 老桥效应（沉降）

1）在新桥的沉降作用下，老桥上部结构采用刚接与铰接产生梁内力相当，采用不连接时不影响老桥；老桥靠近拼接缝的1#边梁产生内力最大， 梁横向随着远离拼接缝产生的内力依次递减。 老桥梁的纵向弯矩、横向弯矩在端部最大，端部受拉为主，跨中受压为主。

2）在新桥的沉降作用下，对靠近拼接缝的1#边梁端部产生较大支反力（压力），并无出现负反力。 梁横向随着远离拼接缝产生的支反力依次递减。 如果跨径较大，应注意支座出现负反力产生脱空现象。

综上分析所述， 结合实际现场和业主要求， 本项目采用上、下部结构均不连，拼宽缝采用新老结构预留2~6 cm 的空隙，里面填塞苯板并用密封胶封口，上面铺钢板+C50 钢纤维混凝土调平+GD 弹性混凝土，但桥面整体连续，并采用超薄磨耗层。 实际效果如图2 所示。

图2 竣工现场

3 结语