高速公路改扩建工程桥梁拓宽改造方案研究.pptx

1.项目基本情况1.1项目概况为进一步提高潭耒高速的通行能力，促进沿线地市经济社会的更快发展，对潭耒高速实施改造已经显得非常紧迫和必要。2010年2月3号，根据湖南省政府、省交通运输厅及省高速公路管理局的相关指示，现代投资股份有限公司以“现代投资计划字201015号关于编制G4湘潭至耒阳段改造工程可行性研究报告的委托函”委托湖南省交通规划勘察设计院进行潭耒高速改造工程可行性研究工作。1.项目基本情况1.2任务来源本研究依托于潭耒高速的桥梁拓宽改造方案，对桥梁的拓宽方式、新旧桥梁基础不均匀沉降控制、旧桥拓宽改造方案经济性进行深入分析。在本课题历时近1年的研究过程中，我们发现：(1)(1)旧桥拓宽是高速公路桥梁发展的一个必然阶段，目旧桥拓宽是高速公路桥梁发展的一个必然阶段，目前我国已有部分高速公路的桥梁进行了拓宽，虽然发展前我国已有部分高速公路的桥梁进行了拓宽，虽然发展速度很快，但目前仍停留在设计、施工规范、规程建立速度很快，但目前仍停留在设计、施工规范、规程建立和健全阶段，理论研究明显滞后于实践；和健全阶段，理论研究明显滞后于实践；(2)(2)我院已完成了多个桥梁拓宽项目的设计工作，但缺我院已完成了多个桥梁拓宽项目的设计工作，但缺乏有效统一和技术总结，本课题将通过依托潭耒高速的乏有效统一和技术总结，本课题将通过依托潭耒高速的桥梁拓宽方案设计，结合院原有拓宽项目及国内外先进桥梁拓宽方案设计，结合院原有拓宽项目及国内外先进技术，进行总结归纳。技术，进行总结归纳。基于此,公路勘察设计一处组织专门技术人员开展了本课题研究。1.项目基本情况1.2任务来源序号序号姓名姓名单位单位职务职务/职称职称本项目中承担的主本项目中承担的主要工作要工作1 1杨沪湘公一处高级工程师技术指导和审核技术指导和审核2 2王俏公一处研究员级高级工程师技术指导和审核技术指导和审核3 3黎炬锋公一处工程师项目负责人项目负责人4 4陈洪涛公一处工程师报告编写报告编写5 5刘拓刘拓公一处公一处助理工程师助理工程师报告编写报告编写本项目主要研究人员如下表：1.项目基本情况 1.3研究总体目标(1)总结归纳旧桥拓宽方案，论述了多种拓宽方案的优缺点，为方案选择提供技术支持。(2)对新旧桥梁基础不均匀沉降进行研究，提出有效的控制方法及处理措施，妥善解决其对桥梁拓宽的不利影响(3)对旧桥拓宽改造方案进行经济性评价，对方案的选择提供经济分析支持。2.技术原理及经费使用情况2.1技术原理下部结构沉降分析综合考虑桩基础的弹性、地基土的弹塑性、材料非线性及大变形等因素，采用MARC有限元软件，通过建立空间模型，计算分析旧桥桩基础的承载特性、新桥基础在采用各种沉降控制技术后的承载特性及两者在施工过程和加宽工程完成后的相互影响，揭示各种沉降控制方法对提高桩基础承载能力的效果，通过比较分析选取合理的控制方法和控制参数。2、拓宽方案经济性评价使用基本的经济评价理论，即费用与效益比较的理论方法。遵循费用与效益计算范围一致性和费用与效益识别“有无对比”的原则，使用相应的价格体系，采用现金流量分析方法，进行项目的财务评价和国民经济评价。2.技术原理及经费使用情况2.2关键技术1、桥梁常见的加宽方式有哪几种，分别有哪些优点，需要注意哪些细节？2、桥梁的拼接方式有哪几种，各自的优缺点有哪些？3、桥梁加宽改建有哪些一般要求？4、桥梁加宽存在哪些问题？5、桥梁拼接后，新建桥梁的上拱问题该如何解决？6、结合工程设计提出上部结构拼接是有哪些具体的构造措施，需要注意哪些问题？7、大跨度连续箱梁拓宽方案应该如何设计及计算？8、新旧桥梁间不均匀沉降大致出现桥面标高差值，该如何分析，设计中该如何避免？9、桥梁拓宽如何进行经济性评价？2.技术原理及经费使用情况2.3经费使用情况项目名称项目名称高速公路改扩建工程桥梁拓高速公路改扩建工程桥梁拓宽改造方案研究宽改造方案研究合同编号合同编号交技（交技（2011）第）第01号号承担单位承担单位公路勘察设计一处公路勘察设计一处收入收入支出支出科科 目目经费（万元）科 目费用（万元）费用（万元）院拨款院拨款一、人员费 工程配套研究工程配套研究经费经费1、b项目负责人6 6单位自筹单位自筹552、研究人员1717银行贷款银行贷款3、劳务费1515其他经费其他经费二、相关业务费 1、材料费（含收集资料）2 22、燃料及动力费2 23、试验费 4、会议费1.51.55、差旅费5 56、咨询费2.52.5三、设备费（含引进软件）四、印刷出版费1 1五、管理费1 1六、各种税费2 2七、其它费用合计合计55合计合计553.项目执行情况从2011年4月起，历时近1年，主要研究进程如下：2011.042011.05 对国内外有关桥梁拓宽的研究进行了收集与整理；对现有桥梁拓宽项目进行实地深入调查；2011.052011.07 进行潭耒高速桥梁拓宽方案的设计工作；2011.072011.09对新旧桥梁基础不均匀沉降进行研究分析；2011.092011.10对桥梁拓宽改造方案进行经济性评价；2011.102011.12 编写工作报告，并完善研究报告。4.主要研究内容 1.由于改扩建工程的特点，桥梁拼接加宽中上部结构形式要求基本上与原桥一致，因此桥梁拼接加宽中下部形式的方案比选就成为桥梁设计的重点之一。为了保证设计的质量和提高工作效率，高速公路全线扩建的桥梁拓宽必须在高速公路扩建的技术标准和总体方案基础上，对桥梁拓宽的结构形式和构造进行研究。在研究桥梁拓宽方案时需要考虑的问题较多，如原桥的技术状况、沿线的地质条件、合理的横向连接方式、新旧桥梁结构的变形协调、新旧结构合理的控制拼接时间以及在不中断原桥交通的条件下合理的新桥施工方法等。本研究针对潭耒高速改造项目，研究讨论一般桥梁与特殊桥梁的加宽方法。4.主要研究内容 2.旧桥由于长期处于工作状态，其地基的固结和基础的沉降在各种荷载长期作用下已基本完成，但桥梁加宽后，新桥基础在使用过程中由于过桥车辆荷载以及各种自然因素的影响，必定会产生沉降，并对沉降已经趋于稳定的旧桥基础造成影响，而且，加宽后桥梁基础的沉降由于新、旧基础的不同还存在沉降大小、速度、发展趋势上的差异，如果沉降超出一定的范围或产生明显的不均匀沉降时，就会产生桥梁病害，影响其正常运营或对桥梁整体安全构成危害，如广佛高速公路、沪宁高速公路中的部分桥梁在加宽后出现不同程度的因新、旧基础沉降差异引起的病害。本研究在总结国内外近年来桥梁加宽的经验和研究成果的基础上，结合京珠国道主干线潭耒高速公路加宽工程实际，基于有限元分析和理论计算，对桥梁加宽新、旧桥基础沉降控制技术展开研究。4.主要研究内容 3.在对项目进行方案比选和投资决策时，经济评价结论是其主要依据之一。高速公路改扩建项目，按国家规定要对项目进行效益费用分析，即经济评价，来确定项目的建设在经济上的合理性和财务上的可行性。由于我国高速公路建设起步阶段，大部分项目为新建，因此现行的水运、公路建设项目可行性研究报告编制办法（1988年6月，交通部）和公路建设项目可行性研究报告编制办法（讨论稿，1996年12月）中均未涉及高速公路改扩建项目在经济评价时国民经济效益和费用以及财务效益和费用如何计算问题，到目前为止还没有一个针对其特殊性、比较明确和完善的计算方法。本研究根据项目经济评价的原理和要求，对高速公路改扩建项目的经济评价在理论和计算方法上作一些研究探讨。5.研究结论与创新点本课题主要研究结论与创新点如下：1、桥梁常见的加宽方式有：增设钢筋混凝土悬臂挑梁、单边新建桥梁、增设边梁或边拱肋、增设主(纵)梁或拱肋。2、桥梁有一下三种连接方式：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。3、预制梁板存梁时间不宜过长，尽早进行拓宽部分现浇混凝土的施工，对架设至墩台上的新梁施加压重可有效减少新建桥梁的上拱。4、对于T形梁桥的拓宽，尽管在原边T梁上增设横隔板的施工难度大，但加设横隔板对T梁拼宽部位的受力是很有利的。5、大跨度桥梁采用在原有桥梁上进行改造加宽难度较大，一般很难满足结构承载要求，建议新建桥梁进行加宽。6、桩侧注浆技术对桩端注浆的沉降控制效果较明显，但其随着桩长的递增有所降低，随桩径的增大而增大。新建桥梁建议通过增补桩基技术调高其承载能力，减小工后沉降。6.经济与社会效益总结归纳了桥梁拓宽的各种形式及连接方式，对桥梁拓宽项目的方案选择提供依据；深入分析了桥梁拓宽时需要注意的问题及详细的构造措施，对桥梁拓宽项目的设计提供指导；研究了新旧桥梁基础不均匀沉降所带来的问题及如何避免，为旧桥加宽新基础设计方法的优化及沉降差问题的解决提供理论依据；本研究对桥梁拓宽方案进行了经济性评价；因此，本课题研究成果具有重大的环境效益、经济效益和社会效益。7.依托工程与科研结合情况 北京港澳国家高速公路（G4）湘潭至耒阳段是国家重点规划建设的“五纵七横”国道主干线京港澳高速湖南境内的重要一段，位于湖南省湘潭、株洲、衡阳三市，该区域是湖南省生产力布局的中轴地带，经济发达、资源丰富，具有重要的地域优势、经济优势和战略地位。本报告研究路线起点接G4长沙至湘潭段终点，桩号为K227+548，终点接G4耒阳至宜章段起点，桩号为K396+396，全长168.848公里。7.1依托工程概况 7.依托工程与科研结合情况依托工程于2011年6月对潭耒高速的拓宽方案进行了充分的方案研究，在方案研究阶段与本科研项目有良好的时间对应关系，课题通过结合依托工程的实际情况，提出了详细的拓宽方案，并设计了具体的构造及拓宽带来的多种问题的处理方法。7.2依托工程与科研结合情况8.成果推广应用前景当前，我国高速公路已有二十多年的历史。不少高速公路建成使用已有十几年，由于过去的建设经验以及对经济发展速度的认识不足，造成很多高速公路已不能满足目前及未来经济高速发展的需求，成为制约国家及区域经济和社会发展的瓶颈，因此大量高速公路需要扩建。本项目通过分析及研究，从而对桥梁的拓宽方案有更系统及深入的认识，下一步计划在全院推广此研究，应用于后续的桥梁拓宽项目中。9.科技人才培养情况以本课题依托工程北京港澳国家高速公路（G4）湘潭至耒阳段，由处领导亲自牵头，由多名生产一线具有丰富设计经验的高级工程师和工程师一起组成课题组，同时也为其成员自身提供了一次很好的人才培养机会。10.存在问题与措施建议本课题通过工程实例总结归纳了桥梁拓宽的各种方案，对新旧桥梁基础的不均匀沉降控制研究，并对旧桥拓宽改造方案进行了经济性评价。但本课题还有以下方面需要深入研究：(l)桥梁上部构造拼接后的计算模型模拟时在拼接处的具体计算参数选取应该如何贴近于实际工程连接效应。需要进一步研究分析，为今后上部构造的整体性计算提供技术指导和设计依据。(2)在具体的多种不同的地质情况下，新旧桥梁的基础的不均匀沉降的控制应该采用不同的具体措施，需要进一步研究。(3)地震作用对拓宽后的桥梁的影响。(4)高速公路改造时，由于该高速公路所承担的交通任务不同，需具体项目具体分析在满足或基本满足现有交通任务的情况下如何完成桥梁拓宽施工。高速公路改扩建工程桥梁拓宽改造方案研究研究报告研究报告公路一处公路一处2012.2.202012.2.201.11.1公路建设项目经济评价的基本概念公路建设项目经济评价的基本概念1.旧梁拓宽改造方案经济性评价 高速公路改扩建项目经济评价分为财务高速公路改扩建项目经济评价分为财务评价和国民经济评价。强调评价和国民经济评价。强调“有无对比有无对比”，进行增量分析。即通过对进行增量分析。即通过对“有项目有项目”和和“无无项目项目”两种情况费用和效益的比较，求得增两种情况费用和效益的比较，求得增量的费用和效益数据，并计算效益指标，作量的费用和效益数据，并计算效益指标，作为投资决策的依据。为投资决策的依据。1.21.2国民经济评价及敏感性分析国民经济评价及敏感性分析1.旧梁拓宽改造方案经济性评价 国民经济评价站在国家的角度从宏观上国民经济评价站在国家的角度从宏观上评价本项目的效益费用比，直观地反映其对评价本项目的效益费用比，直观地反映其对社会的贡献。社会的贡献。敏感性分析考虑在以下几种不利因素影敏感性分析考虑在以下几种不利因素影响下的抗风险能力：响下的抗风险能力：效益下降效益下降1010；费费用增加用增加1010；效益下降效益下降1010，费用同时，费用同时增加增加1010，分析结果如表，分析结果如表 1-111-11表表 1-121-12。由以上分析，可以看出本项目国民经济效益由以上分析，可以看出本项目国民经济效益尚可。其中，六车道方案具备较强的抗风险尚可。其中，六车道方案具备较强的抗风险能力，而八车道方案抗风险能力一般。能力，而八车道方案抗风险能力一般。1.21.2国民经济评价及敏感性分析国民经济评价及敏感性分析1.旧梁拓宽改造方案经济性评价费用效益变化内部收益率EIRR（%）净现值ENPV（万元）效益费用比EBCR投资回收期N（年）国民经济评价结论9.73%802651.2622.0效益下降10%8.91%410311.1322.5费用上升10%8.99%490571.1422.4效益下降10%、费用上升10%8.20%98231.0322.9表 111 国民经济评价及敏感性分析结论表（六车道方案）1.21.2国民经济评价及敏感性分析国民经济评价及敏感性分析1.旧梁拓宽改造方案经济性评价表 1 12 国民经济评价及敏感性分析结论表（八车道方案）费用效益变化内部收益率EIRR（%）净现值ENPV（万元）效益费用比EBCR投资回收期N（年）国民经济评价结论8.91%564481.1222.4效益下降10%8.08%45631.0123.0费用上升10%8.15%102081.0222.9效益下降10%、费用上升10%7.35%-416760.92232.2.12.2.1 施工期间的上拱问题施工期间的上拱问题2.旧桥拓宽方案研究T T梁与预应力空心板采用预制预应力结构，新梁与预应力空心板采用预制预应力结构，新板、梁在预应力的作用下，预制梁（板）会产生上板、梁在预应力的作用下，预制梁（板）会产生上拱变形，经过计算拱变形，经过计算20m20m空心板和空心板和30mT30mT梁的上拱值梁的上拱值如表如表 2-12-1、表、表 2-2 2-2 所示。可见，预应力混凝土梁板所示。可见，预应力混凝土梁板的上拱值还是比较大，这时，新拓宽梁板与旧桥之的上拱值还是比较大，这时，新拓宽梁板与旧桥之间会存在高差，对新旧梁板拼接平顺造成困难。间会存在高差，对新旧梁板拼接平顺造成困难。项目项目存梁时间存梁时间(d)桥面现浇桥面现浇混凝土层混凝土层施工后施工后张拉时306090边板边板19.021.022.924.013.0中板中板18.017.819.420.312.3表 2-1表 2-2项目项目存梁时间存梁时间(d)桥面现浇桥面现浇混凝土层混凝土层施工后施工后张拉时306090内边梁内边梁28.637.840.941.035.7中梁中梁28.236.940.540.535.0外边梁外边梁28.637.840.941.035.72.2.12.2.1 施工期间的上拱问题施工期间的上拱问题2.旧桥拓宽方案研究由表由表 2 12 1、表、表 2 22 2可见，预制梁板存梁时间不可见，预制梁板存梁时间不宜过长；同时，尽早进行拓宽部分现浇混凝土的施宜过长；同时，尽早进行拓宽部分现浇混凝土的施工，也会降低施工期间预应力混凝土梁板的上拱值。工，也会降低施工期间预应力混凝土梁板的上拱值。也可以对架设至墩台上的新梁施加压重，压重对预也可以对架设至墩台上的新梁施加压重，压重对预制梁板最大上拱处截面上的弯矩可控制在设计上的制梁板最大上拱处截面上的弯矩可控制在设计上的二期恒载产生的弯矩值附近，使新、旧梁板拼接部二期恒载产生的弯矩值附近，使新、旧梁板拼接部位在拼接前的标高接近，使拼接部位平顺。位在拼接前的标高接近，使拼接部位平顺。2.2.22.2.2 上部构造拓宽连接形式上部构造拓宽连接形式2.旧桥拓宽方案研究2.2.22.2.2 上部构造拓宽连接形式上部构造拓宽连接形式2.旧桥拓宽方案研究2.2.22.2.2 上部构造拓宽连接形式上部构造拓宽连接形式2.旧桥拓宽方案研究项目项目八车道方案八车道方案六车道方案六车道方案桥面加宽桥面加宽(m2)3529416386.5八车道方案及六车道方案一般桥梁加宽数量比较见下表八车道方案及六车道方案一般桥梁加宽数量比较见下表2.2.32.2.3 连续肋板连续肋板2.旧桥拓宽方案研究K1615+405K1615+405新塘互通跨线桥为新塘互通跨线桥为33跨连续肋板，桥跨组合为跨连续肋板，桥跨组合为16+20+16m16+20+16m现现浇连续肋板。桥梁全长浇连续肋板。桥梁全长56.4m56.4m，桥面总宽，桥面总宽28.0m28.0m，净宽，净宽25.0m25.0m。采用贯通。采用贯通全桥的预应力束，左右幅悬臂分别为全桥的预应力束，左右幅悬臂分别为1m1m与与1.4m1.4m。为了使新旧桥形成整体，。为了使新旧桥形成整体，需要将旧桥护栏拆除，悬臂截断至需要将旧桥护栏拆除，悬臂截断至15cm15cm，并保留钢筋与新桥对应焊接成，并保留钢筋与新桥对应焊接成新的骨架新的骨架3.13.1模型建立模型建立3.新旧桥梁桥面扰度差控制研究 本研究综合考虑桩基础的弹性、地基土的弹塑性、本研究综合考虑桩基础的弹性、地基土的弹塑性、材料非线性及大变形等因素，采用材料非线性及大变形等因素，采用MARCMARC有限元软件，有限元软件，通过建立空间模型，计算分析旧桥桩基础的承载特性、通过建立空间模型，计算分析旧桥桩基础的承载特性、新桥基础在采用各种沉降控制技术后的承载特性及两者新桥基础在采用各种沉降控制技术后的承载特性及两者在施工过程和加宽工程完成后的相互影响，揭示各种沉在施工过程和加宽工程完成后的相互影响，揭示各种沉降控制方法对提高桩基础承载能力的效果，通过比较分降控制方法对提高桩基础承载能力的效果，通过比较分析选取合理的控制方法和控制参数。研究成果将为同类析选取合理的控制方法和控制参数。研究成果将为同类型桥梁加宽工程的设计与施工提供理论依据。型桥梁加宽工程的设计与施工提供理论依据。3.2.33.2.3 桩土接触面模拟技术桩土接触面模拟技术3.新旧桥梁桥面扰度差控制研究MARCMARC中提供的较适用的摩擦模型有中提供的较适用的摩擦模型有CoulombCoulomb摩擦模型，摩擦模型，以用应力表示为：以用应力表示为：3.3.13.3.1 新桩与旧桩相互作用分析新桩与旧桩相互作用分析3.新旧桥梁桥面扰度差控制研究 对加宽后新、旧基础共同受力的情况进行计算，对加宽后新、旧基础共同受力的情况进行计算，计算得新、旧桩共同作用时承载特性曲线，并将其分别计算得新、旧桩共同作用时承载特性曲线，并将其分别与新桩和旧桩单独作用时的承载特性进行对比，如图与新桩和旧桩单独作用时的承载特性进行对比，如图 3-63-6所示。所示。3.43.4拓宽桥梁的基础沉降问题拓宽桥梁的基础沉降问题3.新旧桥梁桥面扰度差控制研究 在桥梁加宽工程，尤其是桥面刚结的加宽工程中，对新、旧基在桥梁加宽工程，尤其是桥面刚结的加宽工程中，对新、旧基础承载性能的准确确定和有效控制将直接影响桥梁结构的使用性础承载性能的准确确定和有效控制将直接影响桥梁结构的使用性能，因此必须对旧桥桩基和新桥桩基的承载能力进行评估和预测。能，因此必须对旧桥桩基和新桥桩基的承载能力进行评估和预测。通过对新塘互通桥新、旧桥桩基础承载特性及其地基加固、增补通过对新塘互通桥新、旧桥桩基础承载特性及其地基加固、增补桩基等基础沉降控制技术效果进行仿真计算和分析，得出以下结桩基等基础沉降控制技术效果进行仿真计算和分析，得出以下结论：论：(1)(1)桩长的变化对桩基承载能力影响很大，增大桩长是提高桩基极桩长的变化对桩基承载能力影响很大，增大桩长是提高桩基极限承载力的直接有效的手段。限承载力的直接有效的手段。(2)(2)桩侧注浆使桩侧阻力和桩端阻力均得到提高，但桩侧阻力提高桩侧注浆使桩侧阻力和桩端阻力均得到提高，但桩侧阻力提高的幅度较大。的幅度较大。(3)(3)施工引起的地基土中应力分布情况的变化会明显地降低附近桩施工引起的地基土中应力分布情况的变化会明显地降低附近桩的承载能力，使得桩侧摩阻力和桩端阻力都减小。的承载能力，使得桩侧摩阻力和桩端阻力都减小。(4)(4)相邻桩基共同作用时各桩桩周土中附加应力和传递到桩底处的相邻桩基共同作用时各桩桩周土中附加应力和传递到桩底处的应力会叠加，在桩周土和地基土中产生的应力比单桩独立作用时应力会叠加，在桩周土和地基土中产生的应力比单桩独立作用时大，荷载传递的深度影响范围就比单桩大。大，荷载传递的深度影响范围就比单桩大。(5)(5)对新塘互通桥加宽工程，理论计算分析结果表明：桩长对新塘互通桥加宽工程，理论计算分析结果表明：桩长30m30m、桩径桩径1.5m1.5m的双桩基础可使加宽桥梁基础沉降量小于的双桩基础可使加宽桥梁基础沉降量小于5mm5mm。