旧桥加宽后的纵缝问题对改建方案的影响

    周新东

    

    

    

    摘 要：本文依托地处于肯尼亚首都郊区的一条国际交通干道的改扩建项目，现有主路有5座旧桥对应的原设计方案为加宽设计，旧桥不拆除，新旧桥结构形式不一致。通过对原设计的模拟分析，發现旧桥加宽方案中存在的问题，即主要是新旧桥结构形式不统一导致后期新旧桥桥面板间纵缝在移动荷载下因梁片挠度不一致在开放交通后快速破坏，影响交通安全。为避免此问题产生，并加快施工进度，将原设计方案变更为箱形桥并获得批准。

    关键词：新旧桥加宽;纵缝;模拟分析;方案变更

    1 工程背景

    本项目为旧公路翻新与改扩建，旧路为1992年一家意大利公司承建，距今有28年历史，当时的桥梁设计荷载等级仅适用于当时的交通情况，现有需要扩建的桥均为10+12+11M三跨单向双车道简支梁桥，其下部结构均为扩大基础。然而，随着本世纪肯尼亚当地经济发展的需要，本项目路段已经成为一条繁忙的国际交通主干道，重载车车流量非常高，属A级高速公路。

    本工程设计方对旧桥的升级方案是拓宽，拓宽部分为一跨33m的预应力简支梁桥，每侧新增两车道，中间没有桥墩，新旧桥之间的桥面板连通，中间有一道纵向构造缝，构造形式与条形伸缩缝一致，扩建部分下部结构为扩大式基础。

    2 发现的问题

    （1）已有问题：由于此时的桥梁已有28年历史，且年久失修，部分桥梁已出现桥面板部破损，旧桥主梁较矮且间距大，而且所有桥梁主梁已经有了肉眼可见的挠度，无法满足时下车辆载荷的要求，车辆经过现有桥时桥面出现人体可感知的明显抖动。

    （2）主要问题：设计方的加宽方案经过对比文献[1]—[6]中的说明，确认此种加宽方案为新旧桥上部结构与下部结构互不连接的方式，虽然能一定程度简化施工程序，但是带来的后果就是由于新旧桥的结构形式不同，可能导致新旧桥梁片在车辆荷载作用下挠度并不一致，新旧桥面板间的纵向构造缝会在短期内受破坏并失效，从而影响行车舒适性与安全性。

    （3）附属问题：新旧桥会存在沉降不均匀问题，对纵向构造缝会产生进一步破坏。

    3 针对发现问题对桥梁加宽方案的文献研究

    文献[1]介绍了3种现今常见的旧桥拓宽方案，除了上述说明的本项目的（1）上部结构与下部结构与不连接的方式，还有（2）上部结构与下部结构与相连接，及（3）上部结构连接而下部结构分离的方式。

    但这三种方案都存在一个分险：桥梁拓宽后，在运营中新旧桥面板间的桥面铺装均有开裂的风险，纵缝将受到破坏。

    文献[2]主要介绍了桥梁加宽后纵缝破损的原因并提出了防止其破损的对策，主要有通过桩基尽量减少/避免新建部分沉降及建议新旧桥加固成一个整体，甚至保持新旧桥结构形式一致等措施。但仍然提出旧桥拓宽后新旧桥连接处存在的隐患。

    文献[3]中作者主要介绍了桥梁拓宽设计中纵缝拼接的几种现有的技术与若干种搭接方案及其优劣进行对比，并介绍了对应的破坏机理。其总结的缺点有一共同点，即新旧桥间的桥面板纵缝在开放交通后均会被破坏，而且工艺复杂，后期维护成本高。

    文献[6]中作者进行了非常详细深入的研究，但基本上可视为文献[2]的细化与深入，其核心思想基本与文献[2]表达的观点一致。

    以上提及的文献基本上涵盖了新旧桥拓宽方案中纵缝所存在的问题及对策。经过对论文的研究，以及客观实际案例基本上确定了新旧桥连接处桥面板上的纵缝必然存在安全隐患。

    4 新旧桥间纵缝挠度差的分析

    4.1 理论分析

    文献[5]规定桥梁承受的汽车荷载主要是车辆荷载与车道荷载。桥梁结构整体计算采用车道荷载。桥梁的局部荷载，桥台与挡土墙荷载采用车辆荷载。本文主要关注新旧桥桥面板间的纵缝，故分析时主要考虑车辆荷载的影响。

    以下主要针对新旧桥在A级公路车辆荷载下导致的挠度差异进行分析，并考虑了恒载影响。

    对于简支梁而言，最大挠度计算的公式：

    集中荷载作用下：fmax=pl348EI

    均布荷载作用下：fmax=5ql4384EI

    其中，E为梁片弹性模量，I为梁片惯性矩，q为均布荷载，P为集中荷载，l为梁片计算长度。

    移动荷载产生的位移采用如下影响线分析法：

    通过影响线法挠度分析可确定桥梁梁片在移动荷载作用下最大挠度出现在跨中，此处不再展开详细论述。

    4.2 模拟分析

    建立MIDAS力学模型如下：

    为保证计算结果较为精确，对梁片进行了适当的单元划分，并在梁片之间加入了适量的横隔梁来保证梁片间的连接。为区别新旧桥，建模时单跨的新桥加入了下部结构的部分模型（次要部分，不是重点），三跨的旧桥部分只建立上部结构。全桥269个节点、304个单元。对扩建扩建部分的336m梁片施加预应力筋，自重，二期恒载（主要是桥面板）与汽车荷载，车道荷载等。为简化分析过程，对原设计梁片进行了等刚度代换。

    对扩建部分的梁片施加预应力，通过分析，证明模型中梁片的预应力在弹性阶段应力验证组合中生效，如下图：

    为研究最极端的情况下新旧桥间的挠度差，以下只针对最不利的情况进行分析，即假设移动荷载只发生在扩建桥部分，经过分析结果如下：

    分析显示极限荷载情况下最大的挠度为46.3mm（↓），其他移动荷载的分布情况下所产生的挠度在此不再讨论。

    4.3 小结

    模拟分析反应了第2节中提出的问题，同时印证了第3节所参考文献中提及的新旧桥间桥面板处纵缝处在开放交通后均会被破坏，且有实际案例证明（此处不再陈述）。

    5 结语

    公路旧桥加宽设计中，新旧桥如果结构形式不一致则将导致连接纵缝处因新旧桥梁片在荷载下挠度不一致而产生破坏，进而使行车安全性降低，同时影响桥梁使用寿命。为保证项目的顺利进行，最终决定对旧桥进行拆除重建。

    本文的研究仅针对依托项目而言，希望对从事类似项目的工作人员有一定的帮助。

    参考文献：

    [1]丁士昭.全国一级建造师执业资格考试用书2019年版，1B413067.

    [2]史斌，周谦.桥梁加宽时纵缝处理的技术对策[J].辽宁交通科技，2006（02）.

    [3]彭凯，徐基平.公路旧桥加宽纵缝拼接技术进展[J].公路交通技术，2013（01）.

    [4]周水兴，何兆益，邹毅松.路桥施工计算手册.人民交通出版社，2001.5（2014.7）重印.

    [5]城市桥梁设计规范 CJJ 11-2011.

    [6]王亚东.T梁桥加宽中几个问题的研究[D].北京交通大学，2009.