张皓楠
中国铁建港航局集团有限公司, 广东 珠海 519000
摘要：近年来我国经济持续蓬勃发展，一些高速公路的通行能力和服务水平已无法满足交通量增长的需求，高速公路拓宽改造已迫在眉睫。其中，桥梁拼宽改造是高速公路改扩建的重点和难点，具有技术要求高、对交通影响大等特点。本文选取在高速公路上广泛应用的装配式桥梁作为研究对象，分别从拼宽与加固原则、拼宽方案论证及加固方案比选等方面进行阐述，并通过工程实例对研究结果进行应用，为类似工程提供参考。
关键词：改扩建桥梁；拼宽与加固设计；预应力碳纤维板；有限元分析
1桥梁拼宽与加固原则
（1）收集老桥竣工图，进行外业勘测，核查老桥坐标、高程值，以便开展加固、拼宽设计工作；（2）依据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/TH21—2011）对老桥进行评定，1类、2类桥梁可直接利用，3类桥梁进行修复加固设计后可继续利用；（3）宜采用现行规范汽车荷载标准对拟利用老桥进行结构验算，对于不满足规范要求的老桥结构，仍需加固设计；（4）拼宽桥梁宜采用与老桥相同的结构和跨径，使得新、老桥梁受力状态和结构刚度基本一致；（5）桥梁拼宽设计还应尽量降低新老桥梁之间的基础沉降差、结构变形差以及混凝土龄期差异引起的附加结构应力。
2桥梁拼宽方案比选
（1）上部与下部结构均连接。拼宽部分的桥梁上部结构板梁和下部结构盖梁与老桥对应部位，通过植筋和浇筑湿接缝方式连接，新、老桥梁形成整体共同承受荷载。该方案优点是整体性好，新、老桥连接处变形小；该方案缺点是上、下部结构容易产生较大的附加内力，在连接部位产生裂缝病害，且由于上、下部结构均需采用植筋技术，施工难度大、周期长、造价高。
（2）上部与下部结构均不连接。拼宽部分的桥梁上、下部结构均与老桥不相干扰，仅在新老桥面连接处设置纵向错缝，采用沥青铺装实现桥面连续。该方案优点是新桥施工方便、造价低，对原有交通影响小，上、下部结构各自受力，避免出现基础沉降差导致的附加内力；该方案缺点是不同步变形将会造成连接部铺装破坏形成纵向裂缝，过大的沉降差将对行车产生安全隐患。
（3）上部结构连接、下部结构不连接。拼宽部分的桥梁上部结构板梁与老桥通过植筋和浇筑湿接缝方式连接，下部结构独立承受荷载。该方案优点是新、老桥梁上部结构形成整体共同受力，更利于行车舒适与安全，下部结构独立承担荷载，与老桥下部结构不相干扰；该方案缺点是基础的不均匀沉降将对上部结构连接处产生附加内力，会导致裂缝病害的发生。
从结构受力、行车安全、施工便捷性、实施周期以及经济合理性等方面考虑，上部结构连接、下部结构不连接方案在桥梁拼宽设计中具有一定的优势，同时可通过加强基础设计等方式避免桥面裂缝病害，目前国内高速公路改扩建工程中已取得较多的应用。
3老桥加固方案比选
改扩建工程中桥梁技术状况评定等级为3类或者不满足现行规范[4]汽车荷载标准的桥梁，除了加宽设计外，还需进行老桥主体结构的加固设计，常用的加固方法[5]有以下几种。
（1）增大截面法。增大截面法通过增大构件截面高度，使增加部分的混凝土与原有构件变形协调、共同受力提高原构件的强度和刚度。该方法优点是受力简单，适用范围广；该方法缺点是需增加结构建筑高度，施工烦琐，实施周期长且不利于环保。
（2）粘贴钢板法。采用胶黏剂将钢板粘贴在构件受拉、受剪薄弱部位进行补强，提高原有构件的抗拉、抗剪承载力。该方法优点是施工简单、周期短，对原有结构外形改变小；该方法缺点是钢板暴露在大气环境中易产生锈蚀，需进行定期养护。
（3）粘贴碳纤维复合材料法。采用胶黏剂将高性能的碳纤维复合材料粘贴在构件表面，提高原有构件承载力。
碳纤维复合材料具有轻质高强、加固效率高、耐腐蚀性好以及施工便捷等优点。与传统加固方法相比，碳纤维复合材料还可以通过主动对结构施加预应力，全面改善结构受力性能。该方法缺点是造价略高，但从加固改造全寿命周期考虑，碳纤维复合材料加固技术具有较多优势，目前该技术在桥梁改扩建工程中运用越来越广泛。
4工程实例
4.1工程概况
某高速公路服务区改扩建工程涉及1座空心板中桥的拼宽加固设计，老桥桥面宽度2×13.5m，上部结构采用2×16m预应力混凝土简支空心板，桥面连续；下部结构桥墩为双柱式墩，桥台为三柱式台，基础采用Φ1.2m钻孔灌注桩。该桥于2001年建成通车，设计荷载等级为汽车-超20级、挂车-120。根据路线总体改造方案，需在该桥两侧拼宽4m，考虑到空心板边板设置滴水檐等需求，实际单侧拼宽4.12m，拼宽后桥梁宽度为2×17.62m。
4.2老桥技术状况评定
在外业勘测的基础上对老桥进行技术状况评定，该桥技术状况等级为1类，老桥结构可以完全利用拼宽，但由于老桥设计荷载标准与现行规范不符，需进行结构验算。
4.3桥梁拼宽设计
拼宽桥梁采用2×16m预应力混凝土简支空心板，桥梁结构及布置形式与老桥相同，左右幅各拼宽4.12m。上部结构横向布置4片板梁，下部结构为独柱墩、台，基础均为Φ1.2m钻孔灌注桩基础。拼宽设计采用上部结构连接、下部结构不连接方案，凿除老桥边板翼缘悬臂、部分铺装及护栏，通过植筋与拼宽桥梁边板预埋钢筋绑扎，新、老桥梁采用湿接缝连接，宽、高尺寸分别为25、20cm，采用补偿收缩混凝土以减少混凝土收缩带来的开裂影响。湿接缝施工完成之后重新浇筑10cm混凝土调平层及9cm沥青铺装。下部墩台重新设计，独立承担荷载，同时凿除老桥盖梁与新建盖梁重叠部分，并预留2cm沉降缝，桩长设计时适当提高富裕度，减少新、老桥梁基础的不均匀沉降差。
4.4老桥加固设计
根据技术状况评定结论，对老桥空心板进行承载能力极限状态和正常使用极限状态验算，采用MidasCivil2019分别建立了边板和中板有限元模型。空心板横向分布系数分别采用刚接梁和铰接梁法计算取最大值，边板和中板分别为0.281和0.236。汽车荷载等级采用公路-Ⅰ级，模型中考虑10cm混凝土调平层参与结构受力。经验算，承载能力极限状态老桥空心板正截面抗弯承载力均不满足规范要求，正常使用极限状态边板准永久组合正应力不满足规范要求，因此需对老桥空心板进行加固设计。加固设计采用在空心板底粘贴纤维复合材料法，加固材料选用Ⅰ级碳纤维板，厚度为2mm，宽度为100mm，每片边板粘贴3条碳纤维板，每片中板粘贴2条碳纤维板，胶粘剂采用A级胶，预应力张拉系统采用可重复使用的张拉和夹具单元，张拉力为10t。加固后再次建立有限元模型分析，经验算，加固后的老桥空心板各项指标均满足现行规范要求。
5结语
本文通过对高速公路改扩建工程中的桥梁拼宽与加固设计方案进行比选论证及实例分析，得出以下结论。桥梁拼宽与加固设计应重视基础资料的收集，包括老桥竣工图、桥梁建设年代、上下部结构形式、坐标高程值测量、各部件使用情况等，为老桥技术状况评定、拼宽设计及结构验算提供翔实依据。上部结构连接、下部结构不连接的桥梁拼宽方案在高速公路改扩建中具有一定优势，目前国内应用较多，但地质条件好、施工条件及造价受限的桥梁，也可采用其他方案。通过预应力碳纤维板加固后的老桥空心板承载能力得到了大幅提高，同时改善了空心板的应力状态及储备，全面提升了空心板的受力性能，同时预应力碳纤维板加固技术具有全寿命周期的造价优势，在桥梁改扩建工程中运用越来越广泛。
参考文献
[1]交通运输部公路科学研究院.JTG/TH21-2011，公路桥梁技术状况评定标准[S].北京：人民交通出版社，2011.
[2]中交公路规划设计院有限公司.JTGD60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2015.
[3]霍文棠.公路桥梁拼宽设计[J].公路，2019，5（5）：131-134.
[4]中交公路规划设计院有限公司.JTG3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2018.