高速公路桥梁拓宽中几个问题的讨论_王学军

　　　　文章编号:0451-0712(2008)07-0169-06　　　　中图分类号:U445.6　　　　文献标识码:B

高速公路桥梁拓宽中几个问题的讨论

王学军,杜进生,吴沛林

3.宝嘉建筑有限公司)1

2

3

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司　西安市　710075;2.北京交通大学土木工程学院　北京市　100044;

摘　要:重点针对桥梁加宽时,上下部结构的连接方式、国内桥梁加宽工程的具体实施、交通车辆荷载及其振动对现浇混凝土接缝质量的影响,及需要进一步研究的问题,进行了综述和讨论。

关键词:桥梁拼接加宽;混凝土接缝;车辆振动

　　我国早期修建的高速公路一般只有四车道,随着经济的发展,不少高速公路交通量迅速增长,必须进行加宽扩建。高速公路改扩建可采用另建一条高速公路或对原高速公路进行加宽的两种方式。通常基于考虑路网布局、对沿线城市的发展、占用土地、环保及工程造价等因素,一般选择对原高速公路进行加宽。对原高速公路加宽包括单侧加宽、双侧加宽、分离加宽、直接拼接加宽等几种方式。例如,即将展开的京津塘高速公路拓宽工程,拟主要采用在原高速公路两侧直接拼接加宽的方式。京津塘高速公路拓宽工程中,需拼接加宽的特大桥2座,合计4913.5m;大桥4座,合计1022.6m;中桥26座,合计1396m;小桥18座,合计380m。总计桥梁50座,7712.1延m。这些桥梁能否成功拼接加宽,对整个拓宽工程具有重要影响。虽然国内已有沪宁高速公路、沪杭甬高速公路、沈大高速公路等进行了加宽改建,并对桥梁的拼接拓宽做了相应的研究,但由于各高速公路所处的地质条件及结构形式等的差异,相

收稿日期:2008-05-31

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桥梁拓宽改建时,在新建桥梁与原有桥梁的连接处理方面,有三种方式可选择,即上部结构、下部结构均不连接;上部结构、下部结构均连接;上部结构连接、下部结构不连接。

(1)新旧桥梁上部结构、下部结构均不连接。这种连接方式的优点是,加宽桥与原桥各自受力明确、互不影响,简化了施工程序,减小了连接的施工难度,基本不影响原高速公路交通。缺点是,在汽车荷载作用下,新旧桥主梁产生不均匀挠度以及加宽桥的变形大于原桥的后期变形,将会造成新旧桥之间桥面铺装层的破坏,从而形成纵向裂缝和横桥向错台,影响行车舒适及安全和路容美观,增加后

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期的养护维修工作及维修费用。

在具体构造方面,有两种形式:一种是用纵向伸缩装置连接;另一种形式是在新旧结构间留一条纵缝,或用钢板包边,需要采用刚性路面,可以解决啃

边问题,但不能解决新旧桥挠度差的问题,且高速行车时容易打滑,降低了行车的安全性。这种连接方式一般要求桥梁结构跨径较小,相对挠度差较小,否则桥面容易开裂。

广佛高速公路早期加宽改建时,多数桥梁采用了这种连接方式,运营结果表明桥面铺装层极易损坏,纵向裂缝随着沥青铺装层啃边现象的发展而日益扩大,严重影响了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。

(2)新旧桥梁之间,上部结构和下部结构均连接。

此种连接方式的优点是,加宽桥梁与原桥梁形成一体,减少了包括基础不均匀沉降、汽车活载、温度荷载等作用下,新旧桥连接处的不均匀变形。缺点是:新桥与原桥的上部结构混凝土梁如混凝土收缩、徐变等的变形不一致,加宽桥基础沉降大于原桥基础沉降,由此产生的附加内力较大,易在下部结构的盖梁、墩台连接处产生裂缝;同时上部结构连接处也可能出现裂缝,影响行车和桥面美观性,增加维护工作量。而且,下部结构采用植筋技术工程成本高,植筋过程中有时需拆除原桥主梁,对原高速公路交通影响较大,施工也十分繁琐。如果是在软土地区,采用此方式,出现问题的机会可能更高。该连接方式中,存在的另一问题是在不封闭交通情况下,如何保证新旧桥间混凝土接缝的浇注质量。日本规定如果在施工时车辆通行而引起的相对挠度差在0.2mm以下时,容许在通车状态下浇注混凝土。沈大高速公路桥梁拓宽中就是采用此种连接方式的。但需要注意的是,沈大高速公路是在全封闭的情况下进行改扩建的,不存在交通干扰及对新浇注混凝土质量的影响问题。需要强调的是,沈大高速公路桥梁拓宽中,当原桥上部结构为预应力混凝土结构时,考虑到预应力引起的新旧结构徐变变形的差异影响,新加宽桥的上部板梁结构按部分预应力混凝土B类构件来设计。这一做法将全预应力和部分预应力混凝土结构的概念及特点灵活应用到桥梁拓宽工程实践中,值得借鉴。

(3)新旧桥梁之间,上部结构连接,下部结构不连接。该连接方式的优点是:新桥与原桥上部结构连接,形成整体,有利于上部结构受力、行车舒适及路容美观;下部结构不连接,下部各自受力,内力相互不影响,可以减少由于新桥与原桥的上部结构的变形不一致、新旧桥基础不均匀沉降,而产生的附加内力。缺点是,新桥与原桥的如温度、混凝土收缩徐变变形等的不一致,以及新旧桥基础的不均匀沉降等,由此产生的附加内力不能被完全克服时,对结构必然造成不利影响。由于新旧桥上部结构连接时,总是通过现浇一定宽度的混凝土接缝来实现的,因此,保证现浇混凝土接缝在养护及在随后的使用过程中,不出现过大的变形和开裂,是新旧桥面是否真正实现连接的关键。另一方面由于加宽本身是配合交通量增大而导致的结果,因此,绝大多数情况下,在现浇新旧桥之间的混凝土接缝时,都不能中断现有交通。京津塘高速公路的要求是,在不中断交通的条件下进行拓宽工程,在施工过程中,必须保证公路的正常通行。这就意味着新旧桥之间的混凝土铰接或刚结接缝在浇注、养护过程中,必须经受和容纳车辆振动的影响。这些影响主要表现在:一方面新浇混凝土接缝持续经历一定频率的振动;另一方面车辆通过原桥时,使新旧混凝土桥面板之间产生竖向周期性或非周期性的挠度差。车辆振动对混凝土接缝强度的发展、混凝土接缝的整体性、钢筋与混凝土之间的粘结力以及混凝土接缝的抗弯及抗剪能力都有可能造成不利影响。

2　国内在桥梁拓宽方面的实施情况

在桥梁的加宽改建方面,谢宝玉介绍了银川黄河大桥加宽时纵向缝的设计问题,该桥新、旧混凝土桥面相互分离,两者之间用柔性桥面纵向缝相连接。龙永章等阐释了龙江涌河桥的加宽改建,该桥采用上部结构刚性连接,下部结构分离的方式来进行加宽处理。所采取的具体措施有:(1)将新桥边板悬臂端厚度由原设计的15cm改为20cm,将悬臂主筋直径由10mm改为16mm,以增强新桥边板的强度和刚度;(2)严格控制桩基础的施工质量,特别是桩底沉渣厚度,因为减少沉渣可有效减少新桥的沉降量;(3)在混凝土纵缝浇注之前,先浇筑新桥的桥面铺装混凝土,以减少由附件恒载所引起的变形;(4)混凝土纵缝浇注时间选在23:00点之后,并且封闭相邻的一个半车道,以减少行车引起的相对挠度差;(5)在混凝土内掺入速凝剂,严格控制混凝土的坍落度　2008年　第7期　　　　　　　　　　王学军等:高速公路桥梁拓宽中几个问题的讨论　和施工质量。秦清波等对简支梁(板)桥加宽改造方式进行了研究,认为:(1)采用上部结构连续,下部结构分离的横向连接方式,既保证了结构的整体性,又避免了下部结构连接工程成本高、维修困难的缺点;(2)桥梁加宽可以明显改善原有结构的工作性能,且采用两边加宽比单边加宽效果显著;(3)一般情况下,可以将边梁改造为中梁,拼接后桥梁的整体受力好,施工期间不需移动边梁,对交通干扰小。史斌等对加宽中桥面纵缝破损成因进行了定性分析,建议了在旧桥加宽中,为避免桥面纵缝形成破损,改善加宽桥梁的使用性能,而应采取的一些技术措施。

温庆杰和叶见曙在不考虑重力情况下,推导了拼接后新、旧梁横截面上的纵向应力及拼接处的纵向剪应力计算公式。以空心板梁为例,分析了由混凝土收缩、徐变效应引起的新、旧梁上的纵向应力,比较了不同配筋率对板中纵向应力的影响。分析结果表明,新梁中的纵向拉应力可能会引起新梁横向开裂,纵向配筋率对混凝土梁的受力影响较大,而新旧梁拼接处的剪应力则较小。张丽芳等研究了旧桥拓宽中拼接方式对旧桥受力状态的影响,认为铰缝连接比钢板连接能提供更大的连接刚度,拼接后,使在活载作用下,可减小桥梁变形及纵向应力,但对横向受力不利;而错孔拼宽使旧桥整体受力变得有利,但接缝处受力较大。赵玉贤等针对大交通量下桥梁的拼接问题进行了研究,提出先采用临时构件将新旧桥的梁板临时连接,使得拼宽侧的桥梁结构与旧桥共同承受车辆荷载,变形一致,在此基础上不封闭交通,在维持行车的同时浇注混凝土。从而在大交通量的情况下,既保证了车辆的正常通行,又确保了施工能够顺利进行,同时也能保证施工质量。鞠金荧介绍了沪宁高速公路(江苏段)扩建工程桥梁拼接的设计构思,针对拼接后原桥与新建结构的基础沉降差以及新建结构的混凝土收缩徐变,对拼接的构造细节等方面给出了建议。梁志广等介绍了广佛高速公路桥梁新旧简支T梁之间、简支空心板梁之间及连续箱梁之间等3种结构形式的相互连接方式,以及大跨径连续箱梁桥拓宽梁体与原梁体的连接,通过采用特殊连接材料及混凝土接缝的施工工艺,保证了新旧桥连接在不中断交通的情况下完成施工,并进行了新旧结构连接效果的试验评定。3　车辆振动对新浇注混凝土质量的影响

如前所述,新旧桥上部结构拓宽连接时,总是通—171—

过现浇一定宽度的混凝土接缝来实现的,现浇新旧桥之间的混凝土接缝时,在不中断现有交通的情况下,需经受和容纳车辆荷载及其振动的影响。因此,必须设法保证现浇混凝土接缝在养护及随后的使用过程中,不出现过大的变形和开裂。此乃是新旧桥面是否真正实现连接的关键。为研究车辆振动对图1所示加宽桥面新浇轻质混凝土抗压强度的影响,Muller-Rochholz和Weber,首先采用速度及加速度记录仪器,分析记录了实际车辆通过一座钢-混凝土组合拱桥时,所引起的桥面振动速度及频率,而后给振动台输入5～12Hz的振动频率及30mm/s的最大振动速度,来测试振动台上轻质混凝土试件抗压强度的变化。试验表明,振动台上以2种不同振动模式振动的试件与未振动试件相比,采用两种配合比制作试件的抗压强度,几乎未受到振动的影响,见图2所示。Muller-Rochholz和Weber因此认为,当所配制的轻质混凝土早期强度高,采用满足和易性要求的最少用水量并加入超塑剂,在经历最大速度为50mm/s,频率为12Hz的振动后,则被振动试件与未受振动试件的立方体抗压强度相差不大。Harsh和Darwin对比试验研究了桥面板局部现浇混凝土时,受振动板与非振动板混凝土抗压强度、钢筋与混凝土粘结力等的变化情况。为分析车辆振动对桥面板上局部现浇混凝土与钢筋粘结强度的影响,对15个分为3组,尺寸为1.2m×2.4m×0.3m的板进行了试验,试验时2组板承受模拟的车辆振动影响,而另1组板为对照组,不受车辆振动的作用。试验结果表明,车辆振动对低塌落度混凝土的抗压强度及粘结强度不但没有不利影响反而有少许的提高。但对塌落度较大的混凝土,车辆振动可导致混凝土的抗压及粘结强度有5%～10%的降低。因此Harsh和Darwin建议,在对有交通影响的桥面板进行修复和加宽时,应采用塌落度不大于75mm的混凝土,并且要确保钢筋被牢靠地绑扎和固定。

瑞典国家公路管理局规定,新浇注及正在硬化的抗压强度低于12MPa的混凝土,应避免受到振动速度大于5mm/s的车辆振动的影响。应尽可能地使新浇注混凝土附近路面平整、规则,将交通振动的影响减至最小。可以允许总重小于4t的车辆通行;但对于重车,则要求一次只能通过一辆,且行车速度不应大于15km/h。另外,根据瑞典混凝土手册,桥梁上实测的由车辆振动引起的振动速度一般在30～35mm/s之间。公　　路　　　　　　　　　　　　　　　　2008年　第7期　—　172　　　　　　　　　　　　　　　　　　　—

许振动速度。为避免车辆振动引起新浇混凝土离析及粘结强度等的降低,英国道路与桥梁设计手册中的BA8200要求,所采用的混凝土强度等级应大于C40,最小水泥用量为340kg/m,塌落度应在25～

50mm之间;另外应保持桥面及伸缩装置的平整度,车量及行车速度,车轮距新浇混凝土接缝应大于60cm。而ACI345建议,从以下三个方面着手来减轻车辆振动对桥面板新浇混凝土的不利影响:(1)采用塌落度小的混凝土;(2)应注意新旧混凝土之间钢筋的连接构造细节;(3)在新旧混凝土桥面板之间设置一定宽度的连接缝,以减少新旧混凝土桥面板之间挠度差的影响。

表1　Ansell和Silfwerbrand建议的不同龄期

混凝土的最大容许振动速度

图1　桥面板加宽施工程序

混凝土龄期0～3h3～12h12～24h1～2d2～7d7～10d>10d

最大容许振动速度

mm/s

1003550100175225300

重新振动可能提高混凝土的强度,必须重车的速度

备注

3

车辆荷载对新旧桥面板之间混凝土接缝的不利影响,一般认为主要是由新旧桥面板之间的垂直挠度差而产生的反向曲率所引起的。该反向曲率与连接缝的厚度成反比关系。不同研究者采用不同的试

图2　振动与未振动试件抗压强度对比

验方法研究,得到反向曲率的临界值差异较大。例如,以20cm厚的混凝土接缝板为标准,Hilsdorf和Lott得到的临界曲率为15.4×10/m,而Furr和

-3

Fouad获得的临界值则小许多,为1.3×10/m。由于各桥的实际情况差异很大,加上难以区别由车辆荷载及其他因素引起的实际损伤,现场实地调查的临界曲率离散性太大,而不能得到确定的值。Ng(本文第三作者)和Kwan通过对图3所示的典型加宽的桥梁简化为梁格进行数值计算发现,如果不采取任何措施减轻车辆荷载对新旧桥面板间混凝土接缝的影响,则挠度差产生的最大反向曲率远远超过不同研究者提出的所有临界值,并有可能严重损害新旧桥面间的混凝土接缝板,见图4所示。为此,他们分析对比了几种可能的减低新旧桥面间的混凝土接缝板反向曲率的措施,这些措施包括交通管制,如-3

Manning针对车辆振动及其对混凝土桥面板的影响,做了较广泛的调查。调查包括全高及部分高度桥面板的修复,桥面板的加宽、加厚及置换,室内试验,实际工程施工经验及问卷调查等。结果显示,只要混凝土配合比适当,车辆振动大致上不会引起新浇混凝土与钢筋、原有混凝土的粘结失效;另外,保持桥面特别是伸缩缝处的平整,是最有效的减轻车辆振动幅度的措施。Issa则研究了早龄期混凝土桥面板的开裂问题。通过试验,建立了早龄期混凝土不开裂的最大容许曲率,而后计算模拟承受早期施工或车辆荷载后结构的开裂情况。另外调查分析表明,早期混凝土的开裂主要是由水分的过度蒸发及混凝土的高收缩而引起的。表1所列是Ansell和Silfwerbrand建议的不同龄期新浇混凝土的最大容　2008年　第7期　　　　　　　　　　王学军等:高速公路桥梁拓宽中几个问题的讨论　关闭部分行车道、设置临时剪力架、设置临时支撑及分时分段浇注混凝土接缝,以及上述一种及几种措施的联合应用。结果显示,设置临时支撑最有效,但费用高;交通管制虽然也比较有效,但关闭车道过多并不现实;设置临时剪力架也是比较有效的方法;分时分段浇注混凝土连接缝虽然不及前面的措施有效,但是最简单最可行;适当的交通管制加上设置临时剪力架或分段浇注连接缝混凝土可能是一种比较可行的解决方案。如果交通管制无法实施,则设置临

图3　典型加宽桥梁

—173—

时剪力架,并分段浇注连接缝也是比较好的解决方案。

图4　加宽桥的梁格分析

4　需要进一步研究的问题

(1)既有桥梁拓宽改造中,新旧桥梁之间的现浇混凝土接缝板具有这样的特点:随着混凝土强度的逐渐形成,连接到新旧桥两端的受力逐渐增大;板端承受的剪力和反向弯矩亦随之而增。因此,研究开发与板的实际受力状况相适应的试验装置及试验加载策略,是正确试验研究混凝土接缝板实际受力状况的必要条件。

(2)新旧桥梁通过混凝土接缝连接后,为防止新旧桥梁由基础沉降差而导致混凝土接缝开裂,一般可通过加强地基处理,如采用桩基础及增加桩长等措施,尽可能地减小新桥的基础沉降。如果能对新旧桥面之间混凝土接缝的容许变形值进行合理估算,则在处理新加宽桥梁基础及地基时,可以避免出现过于保守或不足的措施。

(3)新旧桥拼接后,由于新桥上部结构混凝土的收缩会使旧桥主梁纵向受压,同时新桥主梁混凝土纵向受拉,当拉应力大于混凝土的抗拉强度时,就会导致混凝土开裂。因此,新旧桥拓宽拼接时,一般均设法使新桥建成间隔一段时间后,再开始进行连接公　　路　　　　　　　　　　　　　　　　2008年　第7期　—　174　　　　　　　　　　　　　　　　　　　—

新旧桥的上部结构,以减轻新桥混凝土收缩的影响。但另一方面,还应关注新旧桥拼接后,由于竖向变形差而引起的内力对混凝土接缝板及新旧桥的梁体内力分布的影响问题。参考文献:

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