高速公路改扩建工程中的拼宽桥梁设计分析

胡海洋

（江西省交通投资集团有限责任公司宜春管理中心，江西宜春 330700）

0 引言

目前，我国的货物和人员运输量呈迅猛增长态势，这对我国的公路交通运输体系提出了更大的挑战。与此同时，现有的许多公路桥梁因为受到使用时间、建设工艺、材料性质等多方面因素的影响，行车舒适性较差、安全性较低，通行能力也有所降低。这种情况不仅不符合现代社会对我国交通运输体系的要求，也不利于我国的快速、稳定发展。

在公路改扩建工程建设中，桥梁拼宽是核心问题。通常情况下，有两种方式可以实现拼宽，一种是加宽桥面，另一种是新建桥梁。然而后者的投入成本较高，而且在桥梁正式使用时可能会出现严重的不均匀沉降问题，从而影响新建桥梁的使用效果。相比之下，前者不仅投入较少，而且工期更短，也不会对原有桥梁的使用造成干扰。因此，当前大多数高速公路改扩建采用加宽桥面的方式。

1 工程概述

该次研究选择某高速公路改扩建工程为研究对象。原有车道为双向四车道，路面宽度为25m，车辆行驶速度标准为100km/h。近年来，随着当地经济的迅猛发展和交通运输量的不断增加，现有道路的运输量略有不足，影响了高速公路的正常使用。为了解决这一问题，相关部门开始对该高速公路进行拼宽改造，将其改造为双向八车道，以提升公路的通行能力。经过对该工程现场地质特点、气候条件等因素的勘察，最终确定了两侧拼宽的施工方案。

2 拼宽桥梁横向拼接设计

2.1 横向拼接方式的选择

现代公路改扩建拼宽施工时，通常会采用三种不同的横向拼接方式，每种方式有不同的特点。因此，在选择横向拼接方式时需要根据实际需求选择最佳的方式。

第一种方式是上下部结构均不连接。采用该拼接方式时，由于原桥梁与新桥梁间互不影响，地基出现不均匀沉降时，对上部结构产生的影响较小，且施工难度不是很大[1]。

第二种方式是上下部结构均连接。采用该拼接方式时，由于上下部结构完全连接到一起，若是基础出现较大沉降，会对桥梁产生较大的破坏，因此需要科学、合理地设计地基参数。同时，在下部结构拼接过程中，应配合植筋施工技术，整体操作流程较为复杂，难度较大[2]。

第三种方式是上部结构连接，下部结构不连接。采用该拼接方式时，即便基础出现较大的沉降，对整个桥梁结构的影响也比较小。与此同时，由于下部不连接，因而施工较为简单，能够通过控制拼接区域的形变量，降低基础沉降对桥梁的影响[3]。

2.2 上部结构拼宽

2.2.1 空心板桥梁

根据桥梁内部结构的不同，空心板桥梁可分为两种类型，一种是预应力钢筋混凝土桥梁，另一种是钢筋混凝土桥梁。在这两种类型的桥梁中，均有三种规格的跨径，分别为10m、16m 和20m。同时，为了确保拼宽部分能够与原桥梁有效拼接，应按照原桥梁的形式设计截面。

在拼宽过程中，根据桥梁的形状，对边梁翼板进行适当切割，并通过相应的植筋工艺将原有桥梁与新桥梁拼接到一起。此外，进行结构计算时，应将桥梁视为铰接的形式进行计算。如果桥梁两端含有横隔梁，在计算时则要将桥梁视为刚接形式。

2.2.2 T 桥梁

T 桥梁是一种结构形状类似于“T”字的桥梁。由于其自身结构特点，该类型桥梁在使用过程中容易出现腐蚀问题，尤其是边梁处[4]。因此，在对T 桥梁进行拼宽设计和施工时，应根据桥梁整体结构的具体情况，适当切割边梁翼板，并将其与新桥T 梁的肋板拼接在一起，如图1 所示。需要注意的是，在拓宽拼接施工中，原有桥梁边梁的受力状态会发生明显改变。因此，在拼接区域的两侧应设计合理的横隔梁，并在必要情况下，在其他适当位置放置横隔梁。如果对拼接区域的横向联系有更高的要求，则应在拓宽区域的中间及两边1/4 跨径区域分别放置一个横隔梁。

图1 T 桥梁拼接示意图（单位：mm）

2.2.3 不同梁截面连接

在桥廊拓宽拼接过程中，想要赋予新桥更高的刚度，应选择刚度较高的拼宽桥截面，以提升整个桥梁的承载能力，降低原有桥梁所需承担的荷载量，从而延长桥梁的使用年限。以原有桥梁为T 梁结构，拼宽桥梁为空心板梁截面为例，在两个结构拼接过程中，拼宽桥采用的是横向刚度较高的板梁，并以钢板为主要元件，将横隔梁固定在一起，从而赋予新桥更高的横向刚度，为整个桥梁的后续使用打下坚实的基础。

3 不均匀沉降下拼宽桥梁拼接结构的力学影响

3.1 影响基础沉降对上部结构作用的因素

3.1.1 沉降模式

淮安是一代伟人周恩来总理的故乡，淮安市历届市委、市政府始终坚持学习弘扬周恩来精神，努力把周恩来精神深深植根于广大党员干部群众心中，以之来引领推动淮安科学跨越发展[1]。淮阴师范学院地处淮安是一所以“用周恩来精神办学，用周恩来精神育人”为特色的高等院校，淮阴师范学院图书馆历来注重周恩来文献资源的收集整理工作，形成了较为完善的周恩来文献资源馆藏体系，并于2011年着手启动“周恩来研究专题数据库”建设。

该工程原有桥梁已使用较长时间，在长期使用下，基础已基本保持稳定，不会再出现沉降问题。而拼宽桥梁的基础则不是很稳定，仍会出现明显的沉降问题。因此，原有桥梁与新桥之间会出现一定的沉降差值，从而对新桥造成一定破坏，影响其正常使用。在拓宽拼接设计中，假设旧桥的基础不会再出现任何沉降，即沉降值为0。将其与新桥拼接后，新桥基础与旧桥的距离越短，产生的沉降量越低，反之则会产生更高的沉降量。为了方便研究，在沉降模式方面，将其假设成线性模式，并根据桥梁各位置的不同，线性分布沉降量。

3.1.2 影响因素

进行拼宽桥梁设计与建设时，若处于以上假设的沉降条件，新旧桥梁间的沉降量差异越高，拼接区域上部结构产生的拉应力越大，对新桥结构造成的破坏越严重，从而对新桥的使用带来更大影响，容易使桥梁出现裂缝[5]。为避免这一情况，则要符合σ≤[σ]的条件，即：

式（1）中：ε 为两基础沉降量存在较大差值时，新桥上部产生的拉应力；E为在新旧桥拼接区域处，结构产生的横向杨氏模量；σ为两基础沉降量存在较大差值时，新桥上部产生的横向拉力值；[σ]为在新旧桥拼接区域处，结构整体所具备的抗拉强度规定值。

由相关物理力学可知：

对上述公式转换后，可以得到：

将上述公式整合到一起后，可以得到：

由式（8）中，能够得到：

式（9）中：f为约束力。

3.2 计算数值模型

3.2.1 桥梁类型

该工程采用的是跨径相同的20m 简支空心板桥与简支T 梁桥。以FEA 软件为主要工具，对桥梁结构细部展开分析，在各结构单元上共设置了8 个节点单元。在每个单元内设置相应的刚度，以此模拟出钢筋材料。所有材料均看作线弹性，忽略材料间的细微差异。

3.2.2 计算荷载

第一，恒载。分为两部分，一个是主要受力构件产生的恒载，另一个为防撞栏等结构产生的二期恒载。

第二，位移荷载。为了防止拼接区域出现裂缝，要将梁体变形控制在规定区间内[7]。试验过程中，应将沉降值设置在允许数值范围内（具体设置成5mm）。

第三，温度荷载。通过梯度温度的设置，调节局部温差。温度出现变化后，简支梁结构内部出现的内力很小，可忽略不计。

第四，几何尺寸。在简支空心板拼接区域，旧桥的跨径是20m，宽度是9m，包含8 片空心板梁，在桥的两侧分别固定一个50cm 的横隔梁；在简支T 梁拼接区域，旧桥的跨径是20m，宽度是8.6m，由6 个T 梁构成。两个拼接区域的参数如表1 所示。

表1 两个区域拼接参数表

3.3 拼宽桥梁拼接部分在沉降荷载下的受力分析

3.3.1 截面配筋

分析截面配筋可以发现，不同桥型时均会对上部结构的拉应力产生一定影响，且影响情况基本相同。配筋率提高后，上部产生的拉应力会逐渐减小。但需要注意的是，对于空心板桥，配筋率对结构拉应力的影响与截面所处位置相关。在支座区域，应力值应为跨中区域的4倍，且越靠近跨中应力越小。对于T 梁桥，配筋率对结构拉应力的影响与位置的关联性较低，将应力值设置成跨中区域的1.3 倍即可。

3.3.2 拼宽宽度

经分析，拼宽宽度提高时，上部产生的拉应力逐渐降低。在沉降量一致的情况下，拼宽宽度越大，转角位移越低，因此会产生更小的拉应力。

3.3.3 拼接区域宽度

分析拼接区域宽度发现，拼接宽度提升后，上部的拉应力会逐渐降低。但对不同类型的桥梁来说，拼接区域宽度与拉应力间的关系存在一定差异。对于空心板桥，在支座区域处，其应力值为跨中区域的4.7倍；对于T 梁桥，其应力值为跨中区域的1.7 倍。

4 结语

综上所述，在高速公路改扩建工程建设中，建设单位应根据公路特点，结合施工现场的地质条件、气候特点等因素，设计出最佳的桥梁拼宽方案。在此基础上，通过科学、合理的方式设置截面配筋率、拼宽宽度和拼接区域宽度等参数，以此为后续施工活动的开展提供支持。