张文进

中国华西工程设计建设有限公司，广东 广州 510062

随着新时代下经济的发展和公路管理政策的改革，政府逐渐取消二级公路收费政策，部分重载车辆为降低运输成本改走二级公路；另外在载重车辆发展大型化的总趋势下，依据《城市道路工程设计规范》（CJJ 37—2012），最大铰接列车总长由14m增至18.1m，最大宽度由2.5m增至2.55m，大型车折算系数由2.0增至2.5，这些变化都将引起公路荷载的增加。为此，《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）将二级公路荷载由公路-Ⅱ级提升为公路-Ⅰ级；《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）（以下简称新规范）将公路-Ⅰ级车道荷载集中荷载由180～360kN调整为270～360kN。根据新规范的规定，部分早期公路尤其是二级公路，已难以满足新时代下公路荷载标准要求，各地政府部门对早期公路的升级改造计划逐渐提升日程。新规范下如何合理评价并利用现状桥梁成为早期公路升级改造中亟待解决的问题。

针对按原JTJ 021—89规范或JTG D60—2004规范（以下简称旧规范）设计的公路桥梁能不能满足JTG D60-2015规范要求的课题，李传习等[1]以广东省佛山市三水大桥为对象，研究了独塔斜拉桥在新旧规范下的作用效应，得出该独塔斜拉桥已不满足新规范的要求，且主梁压应力超出新规范规定值5.4MPa，主塔压应力超出规范规定值2.72MPa的结论；王汝志等[2]以交通运输部10～20m的预应力混凝土简支空心板桥为研究对象，得出新规范下基本组合弯矩效应显著增大，其中16m空心板基本组合弯矩效应增大10%，预应力钢筋估算面积需增加26%的结论。

这些研究均指出新规范对桥梁结构的要求更高，桥梁继续使用时必须按新规范要求重新验算。当面对桥梁资料不全，无法通过计算验算时，只能通过荷载试验确定其承载力，当不满足现行规范时，一般解决方案是在桥梁附近区段限制重载车辆通行，或者进行加固处理。前一种方案严重影响公路的使用功能，且难以保证重载车辆不通行，桥梁结构存在一定的安全隐患；后一种方案往往造价高，且桥梁外观改变较大，影响桥梁美观。

为此，根据临湘市X108公路升级改造工程中的桥梁设计成果，针对外观检测无重大损伤、基本可维持原有功能的旧桥，提出采用外贴独立式防撞墙的方案，以减小旧桥恒载，提升旧桥承载能力。

1 桥梁升级改造工程概况

临湘市X108公路升级改造工程起自临湘市坦渡镇，终至临湘市羊楼司，全长21.125m，现状公路为等级外公路，改造后为二级公路。其中，联合村处有一座2m×16m后张法预应力空心板桥梁，建于2009年。根据外观检测结果，现状桥梁为二类状态桥梁，有轻微缺损，对桥梁使用功能无影响。该桥设计资料已遗失，无法根据原有设计资料判断现状桥梁是否满足公路改造后的受力要求。

现状桥梁桥面净宽8.15m，设计荷载为公路-Ⅱ级，人群荷载为3.0kN/m2，如图1所示。升级改造后公路标准横断面宽度为10m，如图2所示。

图1 现状桥梁横断面布置（单位：cm）

图2 改造后路基标准横断面（单位：cm）

2 桥梁升级改造方案对比

2.1 初步方案

针对公路升级改造后现状桥梁宽度不足，荷载设计标准低的问题，在方案设计阶段提出3个解决方案。

方案一：维持现状宽度；进行荷载试验判断是否满足新规范荷载要求，再决定是否加固。

方案二：维持现状宽度；维持现状公路-Ⅱ级荷载不变，于桥梁前后设置限高架，并限载20t。

方案三：按路桥同宽原则进行改造，凿除原有桥梁防撞墙，于桥梁外侧设置独立式防撞墙，将减少的恒载转化为承载能力，使现状桥梁满足公路-Ⅰ级荷载要求。

通过分析可知，方案一荷载试验代价较大，且缺少旧桥设计资料，难以提出经济合理的加固方案，同时宽度与升级后的公路标准横断面宽度不符；方案二在该桥处将形成交通瓶颈，不能满足公路升级改造的功能要求；方案三无需对旧桥进行荷载试验及加固处理，仅需重新设置防撞墙，经济可行。因此，初步选定方案三作为该桥升级改造方案。

2.2 计算验证

该空心板桥为简支结构，整体升降温、梯度升降温、收缩徐变等均不引起内力，改造前后也不发生变化，故不计算其效应。

简支空心板的主要荷载为恒载及汽车荷载，因此可只考虑结构自重、铺装、防撞墙、汽车荷载在改造前后的内力组合变化情况。

为了验证方案三的可行性，对比分析2种工况，如表1所示。

表1 2种工况对比分析

2.3 计算模型

对于空心板桥的计算方法，张经纬等[3]采用鱼刺骨模型建立梁格单元，对电算和理论计算结果进行对比，认为梁格法电算可以较好地计算铰接空心板的横向分布系数，其计算结果更为详细，因此采用该方法建立鱼刺骨模型进行梁格法计算，如图3所示。纵梁采用08版交通运输部标准图，中梁如图4所示，未示边梁。虚拟横梁断面取工字型，翼缘厚同空心板顶底板厚，腹板厚1mm，如图5所示。

图3 计算模型

图4 中梁横断面（单位：mm）

图5 虚拟横梁截面（单位：mm）

边梁主要计算结果如表2所示，中梁主要计算结果如表3所示，表中的汽车荷载均包含冲击系数。

表2 边梁计算结果

表3 中梁计算结果

由表2、表3可知，桥梁改造后（工况2），边梁在各组合下控制截面处最大弯矩和剪力均有所下降，短期组合下最大弯矩下降7.2%；中梁弯矩除基本组合增大5.3%，短期组合和长期组合下均有所下降；中梁剪力增大较明显，基本组合下最大值约增加28%。

考虑空心板主要由短期组合下应力水平控制设计，抗弯和抗剪承载能力不控制设计，而边梁和中梁在短期荷载组合下，最大弯矩均有不同程度下降，可以认为改造后原有桥梁结构不仅能承受新规范汽车荷载，还可以提高安全系数。

3 独立式防撞墙设计

3.1 横断面设计

改造后桥梁横断面布置如图6所示。

图6 桥面改造横断面布置（单位：cm）

3.2 连接设计

防撞墙在桥台和桥墩处通过植筋与现状盖（帽）梁连接，连接大样如图7所示。在其余位置与原边板顶板钢筋焊接，连接大样如图8所示。

图7 桥墩（台断面）连接构造（单位：cm）

图8 跨中横断面构造钢筋图（单位：cm）

3.3 构造钢筋设计

防撞墙为A级，设计使用年限15年，重要性系数为0.9，按钢筋混凝土构件裂缝限值0.2mm设计，横断面及纵向配筋如图9所示。随着跨径的增加，材料指标呈增加趋势。对于该项目2m×16m桥梁，防撞墙共消耗C40混凝土39.8m3，钢筋8749.1kg，换算为每米材料指标如下：C40混凝土为0.62m3/m；钢筋为136.7kg/m。

图9 骨架钢筋立面图（单位：cm）

3.4 防撞能力验算

根据《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017），A级防撞墙计算宽度为1.2m，撞击力为170kN。

计算范围内主筋为12B12（按原空心板顶板钢筋HRB335级验算），单根应力为125MPa，满足A级防撞能力要求。

4 结束语

通过对双车道16m交通运输部标准空心板桥梁在改造前后2种工况下的计算分析可知，采用外贴独立式防撞墙对旧桥进行改造，可将桥梁荷载等级由公路-Ⅱ级提升至公路-Ⅰ级，使桥梁在无需加固的情况下满足公路改造后的荷载要求。同时，该方案可用于桥梁拓宽不超过1m时的升级改造项目，使行车宽度可增加约1m。