高速公路改扩建工程中的拼宽桥梁设计

2022-04-18成威

交通世界 2022年9期

成威

（中交远洲交通科技集团有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

随着高速公路的快速发展，交通量日趋饱和，高速公路改扩建工程势在必行。高速公路拼宽桥梁的基础工程普遍受新旧基础沉降差异的影响，进而影响桥梁拼接加宽的结构稳定性。因此，本文将结合高速公路改扩建工程的现状，对拼宽桥梁设计展开研究，通过合理有效的设计及施工控制，提升拼宽桥梁施工质量。

1 高速公路改扩建工程中拼宽桥梁设计

1.1 基于力学原理计算拼宽桥梁结构受力

在开展拼宽桥梁设计前，基于力学原理，分析新建桥梁和既有桥梁连接部位的结构受力情况，深入研究影响拓宽桥梁结构沉降的相关因素。在此过程中，原桥梁结构投入使用时间较长，基础沉降已趋于稳定，但对于新拼接的桥梁结构而言，仍会在使用中受到基础沉降的影响。当拼宽桥梁的基础沉降大于原桥梁基础沉降时，原结构将与拼接结构出现落差，因此，需要在拼接设计时，考虑到原结构对其的约束，进行结构受力分析[2]。假定桥梁结构基础沉降模式为线性趋势，则拼接的部位上缘结构将受上部拉应力的影响出现沉降差，沉降差值也会随着拉应力的增加而增加。为了避免桥梁拼接结构拉应力上缘部位出现沉降裂缝，其主体结构受力应满足公式（1）：

式（1）中：σ为桥梁拼宽结构发生不均匀沉降现象时，上缘部位的横向拉应力值；[ ]σ为混凝土强度拉应力标准值；E为混凝土桥梁结构的弹性模量；ε为拼接结构的拉应力变化趋势。综合式（1），可以进行拼宽桥梁受力的描述。如公式（2）所示：

式（2）中：f为受力结构；ρ为拼宽桥梁结构的截面配筋率；B为拼宽桥梁的宽度；b为拼接结构宽度。根据公式（2）可知，拼宽桥梁受力与配筋比例呈正相关关系、与拼宽桥梁的拓宽宽度及拼接结构宽度呈反比例关系。综合上述分析，完成拼宽桥梁结构受力影响因素计算。

1.2 高速公路改扩建工程中桥梁拼宽形式

新旧桥梁拼宽形式主要包含：上下均不连接，上、下均连接，上连下不连等主要连接方式。

在掌握桥梁拼宽结构的基本受力后，可根据上部构造与下部构造的连接方式进行桥梁拼宽形式设计。在选择上部结构拼宽形式时，需先进行主要桥梁形式，如空心板、T梁、小箱梁以及现浇板梁等桥梁的拼接分析，通过现浇接缝、刚性连接等方式形成整体。

结合现有研究成果可知，新建桥梁的拼接，需要进行收缩徐变控制。从而降低新建桥梁的沉降量。设计桥梁拼宽形式时，应结合实际施工条件，在相关条件允许的情况下，应将接缝上部构件拼接时间进行延长。根据桥梁结构整体的承重量进行接缝与结构配筋的合理计算。若原桥为扩大基础，新建桥梁拼宽结构可采用桩基结构，新旧基础的允许误差应控制在±5.0mm范围内，在有需要的情况下，可以适当进行桩基长度的延伸，进行拼接结构沉降的控制[3]。延迟拼接是指当桥梁新建部分上部构造完成至桥面铺装混凝土浇筑后，等待3～5个月后再进行湿接缝拼接。待新建部分收缩徐变基本完成后，也就是说，在总的沉降不变的情况下，让一部分沉降在拼接之前发生，从而减小拼宽后的沉降量。在拼接之前的等待期间对新建结构预压，使结构更接近设计荷载，可起到加大加快沉降的作用。同时，根据工程施工标准，可选择适当的方式进行旧桥结构支座的支护，确保拼宽结构可以适应上部多个方向的受力。对于在此过程中的长联桥梁，可根据主体结构受力，对部分结构进行解联处理，单联的跨度数量不宜超过5跨，完成对高速公路改扩建工程中桥梁拼宽形式的选择。

1.3 改扩建工程桥梁拼宽施工工序

在高速公路改扩建工程中，拼宽桥梁施工包括新建桥梁基础、下端构造、主梁、吊装设备、现浇部分以及桥面铺装等。为了确保设计的拼宽桥梁在投入使用后具有较强的稳定性，需要在完成上述相关研究后，进行拼宽施工工序的设计。具体流程如图1所示。

图1 拼宽施工工序

在图1提出的施工流程中，应重点关注对桥梁新旧接触面的凿毛处理，合理控制接触面的湿润度，不可出现表面积水等问题[4]。浇筑时，应控制混凝土的自由浇筑高度小于2.0m，严格控制振捣过程中的施工行为。并在完成施工后进行抹灰处理，避免结构出现裂纹，影响外观质量。

2 实例应用分析

为表明本文提出的拼宽桥梁设计方法在实际应用中的有效性，需要在完成对桥梁结构受力分析与结构沉降分析的基础上，将此方法应用到工程实例进行检验。选择某高速公路区段作为此次实验的设计段，本路段原设计为双向四车道高速公路，路基宽度25m，设计速度100km/h，拓宽改造为双向八车道高速公路，桥梁采用两侧拼接为主的拼宽方式。

完成新旧桥梁拼接施工后，进行桥梁质量的检验，检验过程参照原位试验，使用静压力将呈现圆锥形的探头按照设定的速率均匀压入土中，测量贯入阻力与原位结构发生的变形。将检验结果作为评价本文提出方法有效性的依据，为了使检测的结果更加直观，此次实验以拼宽桥梁负载沉降作为检测结果。拼接横断面示意图如图2所示。

图2 高速公路改扩建工程中拼接横断面结构示意图

图2中，在新旧桥梁连接现浇湿接缝位置安装一个压力传感器，模拟车辆在桥面行驶中的负载压力，检测连接钢板与底部结构是否在受力过程中发生沉降。在此过程中应注意的是，完成设计与施工后的浇筑混凝土铺装应在完成养护处理后投入实验。

完成实验现场的布置后，建立前端压力传感器与前端接收设备之间的通信连接，实验过程中，持续加大负载压力。整理传感器结构的数据，将数据整理成表格，如表1所示。

表1 高速公路改扩建工程中拼宽桥梁沉降量

综合文件内容与表1中实验结果数据可知，当前端施加的负载压力小于或等于10.5kN/m时，拼宽桥梁沉降值为0，证明此时拼宽桥梁没有发生沉降。当前端施加的负载压力大于10.5kN/m时，拼宽桥梁存在小范围沉降。因此，在完成此次实例应用实验后，可以得出下述实验结论：本文提出的高速公路改扩建工程中拼宽桥梁设计，在实际应用中，当公路桥梁路段行驶车辆在正常荷载作用下，拼宽桥梁可承载其重力，不发生沉降。