高速公路扩宽桥梁设计研究

高速公路扩宽桥梁设计研究

柯铁军

武汉市市政建设科研有限公司 ，湖北 武汉 430023

摘要：近些年，随着我国经济快速增长，与日俱增的交通量给公路运输体系带来了较大的挑战。目前，很多已建的公路桥梁受设计理念滞后、设计标准低及建筑材料老化等因素的影响，其行车舒适性和安全性无法得到保证，而且桥梁的通行能力不足更是严重制约了我国社会经济发展。改扩建工程重难点是桥梁扩宽，一般是通过加宽桥面或者新建桥梁的方式来实现加宽原桥面的目的。桥梁扩宽技术既可保证在施工中旧桥的正常使用，又可节省工程预算，但新桥基础不均匀沉降，对新建扩宽桥的上部结构产生较大影响，尤其对扩宽连接结构的影响更为明显。本文对高速公路扩宽桥梁设计进行了分析。

关键词：桥梁截面形式；扩宽；空心板；T梁

1导言

高速公路扩宽桥梁即在旧桥两侧或一侧进行加宽，涉及到新旧部分的拼接问题。实践证明，采用适当的拼接措施，能有效地解决旧桥承载和通行能力，延长桥梁的使用寿命。但在新旧桥的拼接改造工程中，经常会出现如连接面产生裂缝等各种问题，从而影响扩宽桥梁的正常使用。因此，为了确保新旧桥扩宽方法的合理有效，需对桥梁扩宽方法进行设计研究。

2扩宽桥梁拼接概述

2.1横向连接方式

新、旧桥梁之间的横向连接方式是保证桥梁扩宽质量的主要因素，目前使用的扩宽方法主要有三种。

2.1.1上下部结构均不连接

扩宽桥梁的上下部结构均不与旧桥相连，仅在新、旧桥之间预留工作缝，新、旧桥结构之间受力明确、互不影响，从而避免了地基不均匀沉降对上部结构的影响，降低了拼接部位的施工难度。

2.1.2上下部结构均连接

桥梁上下部结构均连接是在新、旧主梁之间通过植筋，浇筑横隔梁等将两者连接成整体，下部结构采用植筋、设置角钢连接等。这种连接方式将新、旧桥之间形成整体，共同受力，不足之处是扩宽桥梁基础沉降大于旧桥基础沉降，产生较大的附加内力，上、下部结构连接处可能会产生裂缝，影响桥梁的使用功能，并且采用植筋方式，其施工技术复杂，步骤繁多，导致设计施工的难度和成本提高。

2.1.3上部结构互连、下部结构不连

新、旧桥上部结构之间连接，下部结构之间不连接，新桥与旧桥上部结构连接形成整体，有利于上部结构的整体受力、行车平稳舒适，下部结构各自受力，内力互不影响，从而减小新、旧桥之间由于基础不均匀沉降产生的附加内力，施工工艺简便，综合考虑了上述两种连接方式的优缺点，是目前应用较多的一种桥梁扩宽方式。

2.2上部结构扩宽

2.2.1空心板桥

该类桥梁主要有预应力和钢筋混凝土两类，包含10、16、20m三种常用跨径，截面形式通常与旧桥一致。扩宽时，应先对旧桥边板翼缘进行切除，再利用植筋技术进行新、旧桥拼接，按照铰接形式进行结构计算。如端部设置横隔梁，结构计算形式视为刚接。

2.2.2 T梁桥

T梁桥易受到环境的腐蚀，尤其是边梁，扩宽时可以把边梁翼板切除后，与新桥T梁的肋板进行拼接，但旧桥的边梁受力状态会发生较大变化。扩宽T梁桥除了在拼接部位两端加设横隔梁外，还可在扩宽部分1/4跨径及跨中位置设置横隔梁。

2.2.3不同梁截面连接

桥梁扩宽时，如选用刚度较大的截面就可以增加桥梁的整体刚度，从而降低了旧桥所承担的荷载。在T梁(旧桥)+空心板(扩宽桥)截面组合中，所用空心板梁截面的横向刚度较大，通过用钢板将横隔梁进行锚固连接以后，新桥结构的整体横向刚度将大大提高，桥梁的承载能力也随之提升。

3桥梁加宽原则

作为高速公路线路的组成部分，桥梁加宽需和高速公路线路加宽保持一致，同时还需符合以下原则：工程造价，控制工程规模(基本原则)；维持原有构造物功能，对交通的影响应降到最小；上部结构采用同跨径、同结构梁、板进行拼接，下部结构也应与老桥相似；新旧桥拼接后，需保证受力协调一致，桥梁拼接遵循“上连下不连”的原则，保证上部结构共同参与受力，避免下部结构刚性连接对桥梁结构的不利影响。

4高速公路扩宽桥梁设计

以某高速公路的空心板桥以及T梁桥为研究对象。根据项目特点和工程地质条件，为避免新旧桥梁产生较大沉降差，新旧桥之间常采用“上连下不连”的拼宽方式，新建部分桥梁下部宜采用桩基础，因此该桥梁选取了连接上部结构，分离下部构造的拼接方案，桥梁墩台扩宽尺寸与旧桥墩台保持一致。空心板桥为简支梁桥，在原有基础上扩宽13#－15#主梁，并通过铰缝进行连接。T梁为简支T梁桥，在原有基础上扩宽6#－7#主梁，并通过横隔梁进行连接。

4.1加宽前后的横向分布系数

4.1.1空心板桥

主梁混凝土等级为C50，原桥的抗弯惯性矩以I表示，扩宽梁的抗弯惯性矩为0.8I～2I，其中I为0.046m⁴。荷载的横向传递规律通过铰接板法进行分析，可得出各梁的荷载分配方式，直观反映出梁体所受荷载跟不同抗弯惯性矩的关系。在12#梁轴线位置施加单位荷载，分析不同扩宽刚度的主梁荷载分布情况。

4.1.2 T梁桥

T梁桥的抗弯惯性矩为0.0782m⁴。扩宽桥梁采用的抗弯惯性矩为0.5～1.5I，对其荷载横向传递规律采取偏心压力法进行分析，在5#梁轴线处施加单位荷载。可看出，与扩宽前相比，扩宽后的桥梁横向分布系数出现下降的趋势，既桥梁扩宽部分替旧桥分担了部分荷载而使旧桥所承受荷载降低，与实际状况相符。对比横向分布系数在不同刚度比之下的情况可知，刚度比取0.7，曲线的平缓处在5#～6#的位置，表明扩宽后桥梁结构具有较好的整体性。和空心板相比具有较大差异，因此可知，刚度比对桥梁荷载分布情况的影响与桥梁截面形式有关。

4.2新、旧铰缝的剪力和剪应力

4.2.1空心板梁桥

随着刚度比的变化，铰缝处的剪应力也相应的发生变化，在1.0的刚度比时，铰缝存在最小的剪应力，而当刚度比在1.0以下或以上时，剪应力均表现出上升的趋势。因此可得结论：在相同的刚度之下，扩宽后的空心板梁具有较好的整体性，新、旧桥梁具有较一致的变形，且具有最小的剪应力和变形差值，此时的铰缝具有较为合理的受力。当刚度比较大或者较小时均会在铰缝处产生较大的剪力，使铰缝处的安全性降低。

4.2.2 T梁桥

同空心板，T梁桥选取最不利截面，即跨中截面作为研究对象，并通过ANSYS有限元软件进行建模分析结果得出，T梁桥和空心板具有一致的结论。

5扩宽后桥梁静载试验

5.1试验方案

5.1.1控制截面

选取跨中正弯矩位置处作为控制截面。

5.1.2加载车

加载车的数量按照等效弯矩原则进行确定，最终方案采用四辆350kN的大型车辆。

5.1.3试验加载布置

工况一采取四辆车对称加载的方式，给以控制截面最大正弯矩，试验分为2级加载以及1级卸载。加载分级为I－0对应的加载车为0；I－1对应的加载车为C3+C4；I－2对应的加载车为C1+C2+C3+C4；I－3对应的加载车辆为0。工况二采取四辆车偏心加载的方式，给以控制截面最大正弯矩。工况二加载分级同工况一。

5.2试验结果

从试验数据可知，工况一和工况二各个测点的应变均为实际小于理论值，因此满足要求。工况一和工况二测点的挠度值均符合实测小于理论值的要求，表明桥梁刚度符合要求。

6结束语

（1）通过对新、旧桥的三种横向连接方式进行综合比较，高速公路扩宽桥梁优先推荐“上部结构互连、下部结构不连”的连接方式。

（2）对比空心板和T梁板的横向分布系数，建议控制新、旧桥梁的新旧比处于0.7～1.2，当新旧梁体的抗弯刚度较接近时，铰缝处的剪应力和变形差值较小，此时的桥梁具有较好的整体性。

（3）通过对桥梁扩宽后的力学性能进行分析，结果表明扩宽后的桥梁性能符合要求。

参考文献

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