箱梁拼宽技术分析报告(2014.12.15)

1箱梁拼宽技术分析报告公路、市政道路桥梁以混凝土梁式桥为主，拓宽普遍采用的做法是在旧桥的一侧或两侧建造新桥，然后将新旧桥在横向上连接，此法称为整体式断面拓宽法。采用此种拓宽方法的工程（不包括只在新旧桥桥面铺装层连续的情形）在设计思路上与新建工程不同，应意识到其特殊性，并采取恰当的技术措施。设计的前期准备桥梁拓宽是建立在旧桥基础之上的，一般而言，旧桥已建成通车多年。拓宽工程设计前，应对旧桥现状进行全面调查，包括桥梁检测、荷载试验和分析计算，对旧桥的承载能力与可靠度进行全面的评价。确定旧桥存在安全隐患的，必须加固改造；工程质量不符合规定要求的，必须拆除重建。对桥梁拆除与否应慎重，对综合评定等级过低的桥梁应以检测为依据。对不得不拆的，应坚决拆除，避免安全隐患。综上所述，对旧桥的检测评定是扩宽工程设计的第一步。设计注意事项新旧桥形成整体结构后，两桥的力学性能均与独立的桥梁不同，因此拓宽工程设计有其特殊之处，应注意以下四个方面。1）应尽可能改善旧桥受力状态以连续箱梁为例，新旧箱梁之间的荷载横向分布可通过合理设计新箱梁的截面形式来调整。温庆杰认为，当新旧箱梁之间的连接板与旧箱梁的刚度为定值时，新旧箱梁的刚度比值越大，分配到旧梁上的荷载就越小；新旧箱梁的刚度比值小于2时对两者之间的荷载横向分布影响较大，而刚度比值大于4后影响则较小。因此在旧箱梁截面尺寸为确定值的情况下，通过设计新箱梁合理的截面形式，可以减小旧箱梁承受车辆荷载的大小。2）应保证上部结构拼接顺利施工拼接施工受两桥上部结构平面位置与高程的影响，新桥主梁往往使用充足预应力，由于混凝土的徐变作用，拼接前会出现随着时间延长逐渐增大的上拱，如果上拱过大，势必导致其纵向线形和旧桥主梁无法匹配，影响拼装施工。一般而言，徐变上拱度在预应力张拉后的2～3年内随着时间的进展而增长，在2～3年后基本趋于稳定，初期增长很快，后期逐渐减慢。新旧上部结构的拼接时机往往处于初期阶段，因此，为了防止上拱过大，新桥主梁设计时可采用调整预应力水平和钢筋布置的措施。实际施工中，一旦出现上拱过大，宜及早进行部分桥面铺装层的施工，或采取压重措施，压重对主梁最大上拱截面产生的弯矩可控制在设计上二期恒载产生的弯矩值附近。3）拼接后两桥受力变形的相互影响新旧桥拼接时，旧桥主梁混凝土收缩徐变和基础沉降已基本发生，而新桥的还在发展之中，这种随时间变化的差异会改变整体结构的力学行为，设计时需分析研究两桥共同受力的相互影响。4）应重视拼接部位的受力分析拼接部位是整体结构中最脆弱的部位，开裂后还会造成其上桥面铺装的反射裂缝，影响行车效果；同时，其作为新、旧桥梁之间的重要连接传力构件，为使其能够安全可靠地工作，需要对其进行承载能力极限状态和正常使用极限状态结构验算。除新旧桥混凝土收缩徐变和基础沉降差异作用外，拼接部位还承受局部轮载作用。相应设计措施拓宽工程设计应注意的地方实质上也是工程中面临的技术难题。上文所述的4个方面之2间既有区别，又有联系，某些具有共性的难题可以采用一种措施，而对于同一个难题又可以采用多种措施。除去上文提到的合理设计新桥主梁截面形式外，还有以下5条措施供设计人员参考。1）优化新梁预应力程度及钢筋布置设计上可通过调整新梁预应力程度及钢筋布置的方法来控制新桥主梁徐变竖向变形方向的大小。随着设计计算水平的增强，不管是悬臂浇筑的连续箱梁还是预制的简支空心板梁，都能通过理论计算来调整成桥后的梁体线形。因此，在保证结构安全的基础上，如能反复调整新梁预应力程度及钢筋布置，可达到新桥线形满足拼接施工与改善整体结构受力的目的。2）选用合适的混凝土材料设计时对主梁和拼接部位采用低收缩徐变的混凝土可以减小新旧主梁收缩徐变差异带来的不利影响。石雪飞等人通过建立实桥有限元模型，对比分析得到：相同拼接时间下，采用低收缩徐变混凝土的新桥结构在恒载作用下关键部位的弯矩值比普通混凝土的小20%～40%。3）合理设计桩基础高速公路梁桥大量使用桩基础，合理设计桩基础能有效控制新旧桥基础沉降差异。刘丹对钻孔灌注桩基础沉降变形及控制进行过研究，提出了3条设计建议：a）桩基础设计时应在保证桩基承载力的基础上，桩长与桩径之比宜选择为较低值，对于较长的桩，增加桩径比增加桩长对控制沉降更为有效；b）在边界条件许可的情况下，群桩宜采用较大的桩间距；c）采用变截面桩、扩底桩等异形桩可降低桩基沉降。4）选择合适的拼接时机延长拼接时间会减少新旧桥混凝土收缩徐变和基础沉降差异，但是对于使用充足预应力的新梁，如果过度地延长拼接时间，会造成新梁上拱过大，影响拼接施工；再者，延长拼接时间也会给高速公路交通组织造成困难，影响沿线经济发展。因此，只有通过准确计算，把各个因素的影响值量化出来，充分权衡，才能确定合理的拼接时机。中国高速公路新旧桥梁拼接时机选在新桥完成后的3～6个月，在工程允许的情况下，尽可能选择在6个月以后进行新旧桥梁的连接。5）选择合适的拼接方式新旧桥的拼接总体上可分为刚接、铰接和半刚性连接3种方式。从桥梁设计理论上讲，刚性连接是一种既能传递弯矩又能传递剪力的连接方式，又称为强连接；铰接连接是一种只传递剪力的连接，也成为弱连接；半刚性连接方式介于上述两种连接之间，不仅能传递剪力，还能够传递部分弯矩。合适的拼接方式能够较好的解决收缩徐变、基础沉降差异引起的整体结构包括拼接部位本身的附加内力和变形问题，又能确保运营中拼接部位本身的附加内力和变形问题，又能确保运营中拼接部位上桥面铺装的平顺完整。对于具体桥梁，往往结合桥梁所处的地质条件、桥面铺装类型和计算确定。桥梁拓宽的总体原则1）新桥的结构形式、跨径布置、桥长原则上和旧桥相同，采用上部连接、下部不连接的连接方式；2）在施工时应采取必要的技术措施（接缝材料和施工工艺）保证接缝的施工质量，比如采用低收缩低徐变混凝土材料等；3）新建桥梁的基础设计与施工应尽量避免扰动旧桥基础，并采取必要措施减少新桥的沉降，控制新桥沉降是保证新旧桥梁纵向接缝受力良好的关键之一。4）新旧桥纵向接缝必须保证新旧桥梁共同承担汽车荷载，变形协调，防止桥面产生纵3向裂缝和接缝两侧出现高差，影响行车安全。5）施工简便易行，尽量不干扰既有桥梁交通，同时考虑既有交通振动对纵向接缝混凝土养护成型的影响。6）拓宽桥梁的荷载等级不应低于既有桥梁。由于既有桥梁的荷载等级一般都比较小，或者不能满足现有交通流量的要求，因此在旧桥拓宽时，应结合旧桥加固改造进行。加宽桥与原桥之间横向连接方式是关系到桥梁加宽成功与否的主要因素。桥梁加宽的横向连接有3种方式：1）上、下部构造均不连接；2）上、下部构造均连接；3）上部构造连接，下部构造不连接；1）上、下部构造均不连接为使拓宽桥与原桥各自受力明确、互不影响，减小连接的施工难度，桥梁拓宽部分与原桥的上部结构和下部结构均不连接，新、老结构之间留工作缝，桥面沥青混凝土铺装层连续摊铺。该连接方案简化了施工程序，消除了连接的技术问题，但在汽车活载作用下两桥主梁产生不均衡挠度以及拓宽桥大于原桥的后期沉降，可能会造成连接部位沥青铺装层破坏形成纵向裂缝和横桥向错台，影响行车舒适性、安全性和桥面外观，增加后期的养护维修工作。一、结构不连接1.1纵缝主要功能1、新旧桥主梁不连接，一般采取新老结构间保留一条纵缝，纵缝应具有以下功能：。1）纵向通缝在旧桥结构计算中并非最不利荷载位置，而加宽后的桥梁作用于通缝边缘，外力荷载可能超过原结构的悬臂根部承载能力不足或裂缝宽度过大，使原结构破坏或影响其耐久性。2）新老桥不相连接，需考虑桥梁翼缘悬臂端部在汽车荷载作用下的最大变形是否满足正常使用要求，即保证在正常运营条件下新老桥在接缝处的错位不能过大。3）减小新旧桥不均匀沉降所引起的桥面破坏；4）连接新旧桥，需保证桥面排水通畅；1.2纵缝的处理方式纵缝的处理主要有采用沥青和木条填充、采用钢板包边、采用桥面连续以及采用纵向伸缩缝连接等几种方式。1.2.1采用沥青和木条填充在长期车轮的碾压下，采用这种方式会使得新旧桥边缘处很容易出现啃边现象。同时新旧桥在汽车荷载作用下的挠度差异也会在接缝处反映出来，使得沥青和木板条的填充失效，导致行车条件变差，加重后期养护维修的任务。这一做法仅在早期的一些中小跨径桥梁的拓宽中进行了尝试性的使用。广佛高速公路在1997年扩建时，多数桥梁采用了上述的不连接方案，运营结果表明桥面铺装层极易破坏，纵向裂缝随着沥青铺装层啃边现象的发展而日益扩大，严重影响行车安全和路容美观。从2002年开始，广佛高速公路开始实施桥面连续工程来解决这一问题。4图1(a)不连接拓宽效果(b)连接与不连接效果对比1.2.2采用钢板包边将接缝两侧翼缘用钢板进行包裹可以解决前述啃边问题，但这种方式仅适用于刚性桥面，也不能解决新旧桥挠度差的问题，在高速行车时还容易导致车轮打滑，降低了行车安全性。此法曾应用于广州北环高速改造工程中。1.2.3采用桥面连续这避免了新旧桥完全不连接而出现的啃边现象，也规避了外包钢板带来的行车打滑问题。但新旧桥活载挠度差仍然存在，使得结构在长期运营中不可避免地出现接缝处桥面铺装出现开裂的现象，为后期养护维修带来隐患，因而仅适用于桥梁跨径较小、主梁相对挠度较小的情况。俄罗斯有关规范规定适用年限不小于10年的桥梁结构才允许采用这种连接方式。济南G309线小港沟中桥、小港沟小桥、小龙堂大桥、土河中桥等4座桥梁为2004年道路加宽的桥梁，桥梁加宽部分与原桥的上部构造、下部构造不连接，新老结构之间留有工作缝，桥面沥青混凝土铺装层连续摊铺。但随着近几年流量的剧增及重车的增多，梁板在车辆行驶时产生不同的挠曲变形，形成纵向裂纹，裂纹随着时间的增长长生20～30cm的破碎，若不及时处理，将会造成更大的损坏而影响行车安全。图2桥梁纵缝破坏照片下图为银古高速公路银川黄河大桥拓宽时采用新旧桥不连接桥面连续的比选方案。5图3银川黄河大桥双侧拓宽横断面图4比选方案：桥面纵向预切缝构造图（单位：cm）施工步骤如下：（1）铺装整体化混凝土时，在接缝处设一层厚为2cm的模板，使混凝土不漏入缝中，并如图所示设置钢筋网，顺桥向间距为15cm。（2）在整体化混凝土上铺一层防水布（60g/m2）的丙仑无纺布上涂两遍YW-1型聚合物桥面防水材料）做的U形槽。防水布总宽为50cm，缝两边各铺20cm，其余10cm铺入U形槽内。铺设时混凝土表面必须干燥，上刷一层聚氨脂涂料以利粘结。铺完后在缝内填塞沥青麻絮。（3）按常规铺设桥面沥青混凝土。（4）正对接缝中部用轮锯将沥青混凝土桥面锯缝4.5～5cm深，缝宽以3mm为宜。切缝完成后，在缝中灌两遍乳化沥青并嵌入薄金属片（4.5mm×2mm）。本方案的特点是造价低，能较好地消除新、旧桥震动对彼此产生的不良影响，能适应新旧桥由于活载的不均衡作用产生的弹性变形；但运营期间，特别是在冬季，由于频繁的竖向弹性变形，可能会导致接缝处路面严重裂缝，嵌入缝内的薄金属片与沥青混凝土剥离，影响行车安全。经与纵向伸缩缝比选，最终采用纵向伸缩缝方案。1.2.4采用纵向伸缩缝连接采用纵向伸缩缝能直接解决新旧桥梁纵向接缝的问题。纵向伸缩缝能利用自身构造很好地适应新旧桥主梁间的纵向和竖向变形差，使新旧桥变形平顺过渡，优化行车条件，而某些伸缩缝还在表面作了防滑处理，可保障雨雪天气行车安全。目前应用较多的是英国Britflex系列纵向伸缩缝，如图5所示。6图5BritflexLJ型纵向伸缩缝图6桥梁拓宽专用纵向伸缩缝图6所示的AGLJ是意大利Agom公司推出的一种桥梁拓宽专用纵向伸缩缝，其表面进行了防滑处理。这种伸缩缝出了能适应新旧桥主梁在纵向的任意变形外，还能容许30mm的横向位移，也相对经济。图7AgomAGLJ型纵向伸缩缝EMR树脂弹性混凝土伸缩装置主要由4大部件：密封橡胶条、承载型钢、焊接在型钢上的锚固钢筋和EMR树脂弹性混凝土组成。此伸缩装置是河北骏途工程技术有限公司与英国ASL国际旗下专业方案提供商英国艾斯尔•康弛公司（ASLContracts）合作生产的一种新型弹性混凝土伸缩缝装置。该型伸缩装置已获得英国政府批准，允许在高速公路上使用。英国交通部标准型号为BD33