林友杨 吴 琼

(湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430051)

随着我国交通经济的爆发式发展，以往修建的高速公路桥梁已经不能满足交通量的需求[1]，因此高速公路桥梁的拼宽改扩建在我国已成为常见工程。20世纪90年代以前，公路改造主要局限于普通道路，而且一般是简单提高路面等级，进入20世纪90年代后期以来，随着国家经济的迅速发展，国内经济发达地区一些早期修建的高速公路桥梁已经不能满足交通量的需求，部分高速公路已经开始进行拓宽改造。高速公路扩建的一个重要的方面是对既有桥梁进行扩建、改造。其中涉及对既有桥梁现状的认识，以及扩建后新、老桥梁共同工作的性能等。因此，在桥梁扩建前对既有桥梁的使用状况、承载能力进行评定是十分有必要的。

本文以京港澳高速湖北北段改扩建项目中的桥梁作为工程依托，对既有桥梁及改扩建后的新桥进行有限元模型计算分析，进而为桥梁设计提供数据支持。

1 工程实例分析

1.1 桥梁概况

既有桥梁为桥宽12.5 m、跨径20 m的空心板简支梁桥，共10片主梁，其边、中板横断面及结构形式见图1和图2。改扩建后新桥为桥宽20.5 m、跨径20 m的空心板简支梁桥，在既有桥梁的结构基础上拼接了6片主梁，一共16片主梁，其结构形式见图3。

图1 边、中板横断面(单位：cm)

图2 既有桥梁上部结构(单位：cm)

图3 改扩建新桥上部结构(单位：cm)

1.2 有限元模型

本文通过有限元分析软件midas Civil对既有桥梁及改扩建新桥建立有限元模型，见图4、图5。

图4 既有桥梁有限元模型

图5 改扩建新桥有限元模型

1.3 计算结果分析

1.3.1正截面抗弯强度验算

在JTJ 023-85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(下文简称《85规范》)体系下，既有桥梁的正截面抗弯强度计算结果见表1。

表1 既有桥梁跨中正截面抗弯强度验算结果

由表1可见，既有桥梁在最不利荷载组合作用下，边、中板设计弯矩均小于结构抗力，正截面抗弯承载力能力均满足《85规范》要求。

在JTG 3362-2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(下文简称《18规范》)体系下，改扩建后新桥的正截面抗弯强度计算结果见表2。

表2 改扩建新桥跨中正截面抗弯强度验算结果

由表2可见，改扩建后新桥在最不利荷载组合作用下，边、中板设计弯矩均小于结构抗力，正截面抗弯承载力能力均满足《18规范》要求。

1.3.2斜截面抗剪强度验算

在《85规范》体系下，既有桥梁在支点附近斜截面抗剪强度计算结果见表3。

表3 既有桥梁支点附近斜截面抗剪强度验算结果

通过计算结果可以得出，既有桥梁在最不利荷载组合作用下，边、中板支点附近斜截面设计剪力均小于结构抗力，抗剪截面均满足《85规范》要求，斜截面抗剪承载力均满足《85规范》要求。

在《18规范》体系下，改扩建后新桥在支点附近斜截面抗剪强度计算结果见表4。

表4 改扩建新桥支点附近斜截面抗剪强度验算结果

由表4可见，改扩建后新桥在最不利荷载组合作用下，边、中板支点附近斜截面设计剪力均小于结构抗力，抗剪截面均满足《18规范》要求，斜截面抗剪承载力均满足《18规范》要求。

1.3.3应力、抗裂验算

在《85规范》体系下，既有桥梁的截面正应力计算结果见表5。

表5 既有桥梁截面正应力计算结果 MPa

由表5可见，既有桥梁在最不利荷载组合作用下，边、中板上、下缘最大压应力和最大拉应力均小于规范限值，正应力满足《85规范》要求。

在《85规范》体系下，既有桥梁的主应力计算结果见表6。

表6 既有桥梁主应力计算结果 MPa

由表6可见，在最不利荷载组合作用下，边、中板主应力小于规范限值，满足《85规范》要求。

在《18规范》体系下，改扩建后新桥的边、中板抗裂计算结果见表7。

表7 改扩建新桥边、中板抗裂计算结果 MPa

由表7可见，改扩建后新桥在最不利荷载组合作用下，边、中板上、下缘拉应力和主拉应力均小于规范限值，抗裂性满足《18规范》要求。

1.3.4挠度验算

在《85规范》体系下，以汽车荷载(不计冲击力)计算的上部构造最大挠度不应超过计算跨径的1/600，既有桥梁的计算结果见表8。

表8 既有桥梁挠度计算结果 mm

由表8可知，以汽车、挂车荷载(不计冲击力)计算的边、中板最大挠度均小于规范限值，满足《85规范》要求。

在《18规范》体系下，受弯构件的长期挠度值，在消除结构自重产生的长期挠度后主梁的最大挠度不应超过计算跨径的1/600，改扩建后新桥的挠度计算结果见表9。

表9 改扩建新桥挠度计算结果 mm

由表9可见，改扩建后新桥边、中板的长期挠度值，在消除结构自重产生的长期挠度后，主梁的最大挠度均小于限值，满足《18规范》要求。

2 桥梁拼宽改造技术研究分析

既有桥梁的改扩建一般有3种方法，第一种方法是上部结构和下部结构均不相连，单独新建拼宽部分，该种方法的优点是对于车流量较大的桥梁是比较实用的，可以在不影响既有桥梁运行的情况下正常施工，既有桥梁和拼宽部分相互不影响，受力简单，施工方便。其缺点是在既有桥梁与拼宽桥梁相接的沥铺装层桥面易产生纵向裂缝，后期需经常对其养护。

第二种方法是上部结构与下部结构均相连，其优点是既有桥梁与拼宽部分形成一个整体，一定程度上减小了外部荷载对其产生的过大变形。其缺点是既有桥梁与拼宽部分由于混凝土等新旧材料存在着差异，在相接的位置易产生较大的附加应力，并且在施工过程会对既有桥梁的交通运行产生较大影响。

第三种方法是上部结构相连，下部结构不相连，这种方法结合了前2种方法，桥面沥青铺装不易产生裂缝，同时对整个结构也不会产生过大的附加应力，在拼宽施工过程中也可以保持车辆的正常运行。故在既有桥梁的改扩建拼宽项目中广泛应用。

3 结语

本文以京港澳高速湖北北段改扩建项目为依托，对该项目中的既有桥梁和改扩建后新桥进行有限元建模计算，较为系统地对桥梁承载能力进行了分析，并且研究分析了现有阶段的3种拼宽改造技术，得出以下结论。

1) 既有桥梁及改扩建后的新桥在正截面抗弯强度、斜截面抗剪强度、抗裂，以及挠度验算上均满足相应规范要求。

2) 在既有桥梁的结构基础上，对桥梁进行拼宽处理，其承载能力不仅能满足现有规范要求，同时还增加了高速公路桥梁的车道数，提高了其交通通行的能力。

3) 建议采用上部结构相连，下部结构不相连的拼宽方式，这种方法对结构的受力影响较小，同时施工过程也可以保证既有桥梁的正常运行。