程宇飞

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，乌鲁木齐 830006)

连霍高速(G30)新疆境内乌鲁木齐至奎屯段(简称乌奎高速)是国家公路网的重要组成部分，也是新疆交通运输网络东联西出的主动脉，直接服务于国务院批准的“丝绸之路经济带”和“天山北坡经济带”。乌奎高速为4车道高速公路，路基宽度26 m。老桥上部结构主要为钢筋混凝土空心板、预应力空心板和小箱梁。乌奎高速改扩建采用沿老路两侧加宽为42 m的8车道扩建方案，2019年10月项目建成通车。因乌奎高速桥梁构造物运营期跨越了新、旧规范2套体系的服役期，所以在桥梁改扩建设计中，正确理解和运用新、旧规范，确定合理的拼接技术标准是控制工程质量和投资的关键因素。

1 桥梁结构拼接设计方案研究

拼接设计首先应对老桥承载力、基础不均匀沉降、混凝土徐变变形、汽车荷载作用对原结构和拼接处的受力状况和影响程度等进行分析验算，在满足承载能力前提下确定合理的拼接方式和控制标准。结构分析验算采用桥梁博士、Midas Civil对老桥分别按85版[1-2]、04[3-4]版规范分别验算；加宽后整体结构按04版规范验算。

1.1 规范与标准

1) 新、旧规范材料特性对比

(1) 混凝土。以85版规范C40混凝土为例，与04版规范相应材料对比分析，如表1所示。

(2) 钢筋(钢绞线)。85版规范：Ⅱ级钢筋fsd=340 MPa,Φ5碳素钢丝fpd=1 280 MPa；04版规范：HRB335钢筋fsd=280 MPa，Φ5碳素钢丝fpd=1 088 MPa。

表1 C40与C38混凝土材料特性对比

注：EC为混凝土弹性模量。

2) 荷载作用对比

(1) 汽车荷载。04版规范公路-Ⅰ级最大正弯矩较85版规范汽车超-20级平均增大约18%，最大负弯矩平均减小约9%。

(2) 冲击系数。04版规范冲击系数比85版规范增大25%～72%，在承载能力计算时应计入汽车冲击力影响。

3) 承载能力极限状态

钢筋混凝土构件04版规范与85版规范承载能力比值1.000～1.029；预应力混凝土构件比值1.035～1.062，04版规范较85版规范承载力增加1%～6%。

4) 梯度温度作用

85版规范给出的温度梯度作用产生的效应较小，一般不控制设计。04版规范温度梯度结构效应增长较大，应考虑相应荷载组合设计。

综上，按照 04版规范进行结构设计更接近工程实际，计算结果更合理，故乌奎高速改扩建桥梁拼接结构的安全和耐久性分析计算均按04版规范执行。

1.2 新、老桥梁拼接验算分析

乌奎高速老桥以预应力空心板为主(占比75%以上)，本文以20 m预应力空心板进行分析研究，为新、老桥梁拼接加宽探索合理的理论依据和可行拼接方式。

1) 20 m预应力空心板结构分析

空心板有限元模型划分为32个单元，如图1所示。采用铰接板(梁)法计算横向分布系数，按85版、04版规范分别对最不利边板和中板进行结构验算。

单位：cm

2) 承载能力极限状态分析

承载能力极限状态分析结果如表2所示。由表2可知，老桥20 m空心板主要控制截面承载能力均能满足85版、04版规范要求，且承载能力安全储备较大。

表2 承载能力极限状态弯矩及抗弯承载能力

3) 正常使用极限状态分析

85版、04版规范正常使用极限状态分析结果如表3、表4所示。由表3、表4可知，老桥20 m空心板正常使用极限状态分析计算表明，各主要截面控制应力满足85版、04版规范要求。

表3 85版规范正常使用极限状态应力 MPa

表4 04版规范正常使用极限状态应力 MPa

4) 整体加宽桥梁承载能力分析

乌奎高速改扩建老桥宽度26 m，拼接加宽后桥梁整体宽度42 m，两侧各加宽8 m，如图2所示。

单位:cm

整体加宽后桥梁承载能力分析结果如表5所示。由表5可知，老桥20 m空心板拼接加宽后，整体结构承载能力满足04版规范要求，且桥梁各控制截面均有不同程度的安全储备。

表5 加宽后桥梁承载能力极限状态弯矩、抗弯承载能力

整体加宽后桥梁正常使用极限状态应力分析结果如表6所示。由表6可知，老桥20 m空心板拼接加宽后，各截面正常使用极限状态应力满足04版规范要求。

表6 加宽后桥梁正常使用极限状态应力 MPa

综上分析，乌奎高速老桥20 m空心板拼接加宽后，各截面承载能力极限状态及正常使用极限状态下计算结果均能够满足85版、04版规范要求，老桥上部结构无需加固可直接进行拼接加宽[5]。另外, JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》已于2018年11月1日正式实施，汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，与04版规范一致，乌奎高速运营阶段全线构造物限重49 t，各互通立交出入口均设置有超重检测站和劝返车道，老桥整体加宽后承载能力能够满足现行规范要求。

2 桥梁拼宽方案研究

经对国内高速公路改扩建项目新、老桥梁3种拼接模式的研究，确定乌奎高速桥梁扩建方案采用“上连下不连”的拼接方案，加宽桥采用与老桥同结构、同跨径、刚度相近形式[6]。针对空心板、T梁、小箱梁分别采用铰接、刚接和纵向伸缩缝连接方式；另外，乌奎高速沿线地质状况主要以粘土、砂砾、漂、卵石地层为主，加宽桥部分下部结构采用钻孔灌注桩基础，并适当增大基桩的桩长、桩径，以确保新、老桥梁工后基础沉降差不超过5 mm[7]，防止运营期内桥面产生较大的纵向裂缝。

2.1 20 m空心板拼接方案

因加宽新建桥20 m空心板与老桥空心板在板高、板宽、悬臂长度等方面存在一定尺寸差异[8]，结合乌奎高速桥梁扩建方案确定的“上连下不连”总体拼接方案[9]，提出以下5个比选方案，各连接方案优缺点如表7所示。

1) 方案1：湿接缝连接。老桥与加宽桥间由现浇混凝土湿接缝连接形成整体，在空心板端部各设1道50 cm厚的横梁，加强其整体性。加宽桥架设100 d后进行湿接缝连接，以减少混凝土收缩徐变及新、老基础沉降影响。

2) 方案2：铰缝连接。老桥外侧边板有悬臂时，首先切除悬臂，加宽桥空心板与老桥之间预留5 cm形成铰缝，由现浇混凝土铰缝将原桥与加宽桥连接形成整体。加宽桥架设100 d后进行铰缝连接，减少收缩徐变及基础沉降的影响。

表7 新、老桥梁拼接加宽方案对比

3) 方案3：横隔板连接。老桥与加宽桥间现浇混凝土横隔板，其它部分桥面连续，二者连接形成整体。在空心板端部及端部2 m处设置横隔板，其余段落按4 m间距设置。加宽桥架设100 d后进行横隔板连接，减少收缩徐变及基础沉降影响。

4) 方案4：混凝土铰连接。老桥与加宽桥间设置25 cm宽的混凝土铰连接，两者连接形成整体。加宽桥架设不少于180 d后，再进行混凝土铰连接，减少收缩徐变及基础沉降的影响[10]。

5) 方案5：纵向桥面连续。老桥与加宽桥空心板间以纵向桥面连续连接，加宽桥与原桥悬臂间设置2 cm缝(缝内填塞弹性材料)。加宽桥架设120 d后，进行纵向桥面连续施工，减少收缩徐变及基础沉降影响。

经综合比选上述5个拼接方案，乌奎高速老桥与加宽桥间采用现浇混凝土湿接缝连接形成整体，确保新老结构整体共同受力[11-12]，如图3(a)所示；另于空心板两端各设置1道50 cm厚的横梁，如图3(b)所示；抵抗因收缩徐变和基础沉降等产生的附加内力及变形，加宽桥空心板架设100 d后进行横接板浇筑。

(a) 湿接缝连接构造

(b) 端部横梁连接构造

2.2 基础差异沉降对桥梁拼接影响分析

1) 基础差异沉降对新、老边板影响

乌奎高速至今已运营近16年，老桥基础沉降已趋于稳定，新建基础沉降尚在发展中[13]。拼接设计中假定老桥基础不沉降，新桥基础沉降值作为两者之间的沉降差△。因新桥基础沉降导致上部结构各片主梁沉降值计算按线性变化模式假定，如图4所示。

图4 20 m空心板梁沉降示意

新、老桥基础沉降差△导致上部结构截面产生纵向附加内力，同时在新、老桥拼接部位(简称横接板)产生横向附加内力。有限元分析结果显示，基础差异沉降在沉降点附近1.5 m范围产生的内力值较大，其中，老桥号边板纵向弯矩为121.2 kN·m，拼接桥号边板纵向弯矩为-107.1 kN·m，距板端1.5 m至跨中截面，新、老桥拼接处对应的号、号板纵向弯矩急剧降至13.5 kN·m 和6.8 kN·m。结合差异沉降荷载组合计算，确定乌奎高速新、老桥梁基础差异沉降容许值按不大于5 mm控制。

2) 沉降差对横接板影响

有限元计算表明，沉降差在横接板支点截面最大竖向剪力为49.7 kN，号板横向最大弯矩-39.8 kN·m，号板横向最大弯矩-48.5 kN·m，横向弯矩沿纵向变幅不大。由此可知，基础差异沉降产生的附加内力对刚度大、配筋多的板梁结构影响很小，但对横接板影响显著，故横接板构造和配筋设计应按由差异沉降引起的附加内力与恒载、汽车荷载作用组合进行验算。

2.3 混凝土徐变变形差对桥梁拼接影响分析

新、老混凝土徐变变形差导致新、老桥梁内力重分布，加宽侧梁板按存梁60 d分析计算，拼接后老桥号边板产生的附加弯矩值为-90.1 kN·m～132.6 kN·m,横接板弯矩为-2.6 kN·m～14.6 kN·m，由此可知，新、老混凝土徐变变形差对拼接后主梁及横接板产生的附加内力较小，非新、老桥梁拼宽设计的控制因素。

2.4 汽车荷载对横接板受力影响分析

为使荷载效应达到最大，汽车荷载布置按集中荷载Pk作用在跨中影响线峰值处，车道均布荷载qk顺桥向全跨满布；横桥向车辆紧靠号板边缘布置。结果显示，横接板沿纵向在跨中处产生最大剪力59 kN，号边板纵向弯矩为0～14.6 kN·m，号边板纵向弯矩为0～32 kN·m，对拼接加宽影响较小。

2.5 效应组合下的横接板验算

横接板正截面抗弯强度富余量为43%(跨中)～87%(L/4截面)；斜截面抗剪强度富余量为3%(支点)～64%(跨中)，均满足04版规范；截面裂缝值在L/4截面为0.19 mm，其余截面均能满足要求。

综上研究结果表明，通过乌奎高速新、老桥梁结构分析计算，采用钢筋混凝土构件进行拼接加宽，老桥及整体结构均能够满足04版规范要求，且有不同程度的安全储备。

3 拼接实施方案

结合项目不中断交通的施工组织特点，桥梁加宽采用半幅施工、半幅保通的施工组织方案。依据桥梁综合检测评定结果，对2类以上桥梁直接进行拼接，对评定为3类的桥梁按照病害情况进行维修加固后再实施拼接[14]，对4类桥梁按拆除重建处理。实施方案流程如下：

1) 老桥左、右幅加宽侧墩台和下部基础施工，同时对老桥桥面系和护栏进行处理，包括拆除护栏、桥面铺装和悬臂切割等。在悬臂切割时应沿横桥向按一定间距预切若干切口，确保全桥切割完成后,按大致均等切块统一调运；老桥铺装层应采用手工凿除，避免损伤老桥钢筋。

2) 对老桥边梁外侧、顶部植筋，并按间距1.0 m绑扎FH-N电化学材料(牺牲阳极)进行防腐蚀预处理，植筋选用Φ12螺纹钢筋，植筋深度为15 cm，钻孔直径为16 mm，要求凝胶时间<10 min，固化时间<60 min。待植筋抗拔力达到37.9 kN以上时，调运安装加宽部分空心板，浇筑铰缝和桥面铺装。

3) 加宽桥架设完毕后应进行均载预压，预压值为3.5 kN/m2，空置时间>100 d；新、老桥拼接前必须测定新建桥沉降值，当沉降差大于5 mm时要分析其原因。

4) 绑扎横接板湿接缝及端部横梁钢筋，浇筑UEA补偿收缩混凝土[15]。待横接板混凝土达到设计强度后，对加宽桥进行二次沉降观测，并对横接板处裂缝、错台等异常情况进行检查。

5) 老桥和加宽桥拼接完毕后卸除桥面预压荷载，进行桥面系及附属工程施工。

6) 路面交通转至已建成一幅，另外一幅按上述顺序依次进行施工。

4 结束语

本文结合乌奎高速改扩建施工期不中断交通的总体要求,以20 m预应力空心板为例，按照85版、04版规范对老桥结构承载能力及新、老桥梁拼接后结构整体安全性和耐久性，从各阶段结构受力情况、新老桥梁拼接方式、横接板处受力影响因素及质量控制等方面进行了深入研究。从该路建成通车运营情况看，新、老桥采取整体拼宽方案合理可行，且安全可靠，其成功实践对今后新疆公路改扩建项目桥梁构造物拼接加宽具有一定的指导和借鉴作用。