高速公路改扩建工程既有桥梁差异化加固利用_闫见华.pdf

-87-高速公路改扩建工程既有桥梁差异化加固利用闫见华1，赵新涛2，李玉鑫3，董凯智4，仲浩然1，冉 衠1（1.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101；2.东营市公路事业发展中心，山东 东营 257000；3.山东高速股份有限公司，山东 济南 250014；4.青岛市西海岸新区交通运输局，山东 青岛 266400）摘要：主要分析了京台高速公路改扩建工程中桥梁差异化加固利用方式。重点分析了不同跨径、不同结构形式的桥梁拼宽设计方案。强调了旧桥利用过程中部分细部构造的处理方式，加固利用过程中精细化设计同样重要。关键词：高速公路改扩建；加固利用；差异化；细部设计中图分类号：U443.3 文献标识码：BDifferential reinforcement and utilization of existing bridges in expressway reconstruction and expansion projectYAN Jianhua1,ZHAO Xintao2,LI Yuxin3,DONG Kaizhi4,ZHONG Haoran1,RAN Zhun1（1.Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250101;2.Dongying Highway Development Center,Shandong Dongying 257000;3.Shandong High-speed Company Limited,Shandong Jinan 250014;4.Qingdao West Coast New Area Transportation Bureau,Shandong Qingdao 266400 China）Abstract:This paper mainly analyzes the differential reinforcement and utilization of bridges in the reconstruction and expansion project of Beijing-Taipei expressway.This paper focuses on the design scheme of bridge widening with different spans and different structural forms.The treatment methods of some detail structure in the process of existing bridge utilization are emphasized,and the fine design in the process of reinforcement and utilization is equally important.key words:expressway reconstruction and expansion;reinforcement and utilization;differential;detail design引言我国高速公路建设已由大规模新建过渡为新建与改扩建并存，且改扩建工程占比呈逐年上升的趋势1。公路桥梁作为高速公路重要组成部分，在特殊路段中起到极为重要作用，但早期建造的桥梁标准较现在存在较大的差异。早期高速公路改扩建工程，桥梁拼宽设计思路为“旧桥维持旧标准、新桥采用新标准”。随着公路工程技术标准（JTG B012014）的颁布实施，高速公路汽车荷载提高，并明确规定“拼接加宽利用的原有桥涵，应进行检测评估并满足原设计荷载标准要求，且其极限承载能力应满足或采取加固措施后满足现行标准”2。既有桥梁的承载能力能否满足现行标准要求以及如何利用既有桥梁是改扩建高速公路中亟需解决的关键问题。1 工程概况京台高速公路济南至泰安段，全长 53.26 km，于 1999 年建成通车，2021 年开始进行既有高速公路拼宽改扩建。该项目是国内首条采用“六改八”窄拼设计方式的改扩建公路，单侧加宽仅 3.25 m。项目采用“两侧拼宽为主，局部路段中分带偏移”的总体改扩建方式。经现场检测和调研，原高速既有桥梁及通道共有 64 座，其中特大桥 1 座，大桥 7 座，中桥 12 座，小桥 2 座，分离立交 7 座，通道 35 道。根据桥梁上部结构类型可分为普通钢筋混凝土实心板、预应力混凝土简支空心板、预应力混凝土 T 梁、圆孔形截面现浇连续板。其中 6 m、8 m 标准跨径为钢筋混凝土实心板，10 m、13 m、16 m、20 m 标准收稿日期：2022-06-17作者简介：闫见华（1990），男，山东菏泽人，硕士研究生，工程师，研究方向为桥梁工程。闫见华，赵新涛，李玉鑫，董凯智，仲浩然，冉 衠：高速公路改扩建工程既有桥梁差异化加固利用-88-跨径为预应力混凝土简支空心板，25 m、30 m 标准跨径为预应力混凝土 T 梁，崮山高架桥、泰安西互通主线桥、万德路分离立交及互通部分匝道桥为圆孔形普通钢筋/预应力混凝土现浇连续板结构。全线上跨主线的天桥共 5 座，均为 225 m 跨径圆孔形预应力混凝土现浇连续板结构。桥梁改扩建设计原则一般为上部结构一般采用同跨径、同截面类型结构进行拼宽，上部结构相连，下部结构分离3。2 桥梁整体加固设计方案2.1 设计规范控制京台高速济南至泰安段原设计采用的标准和规范均为较早版本，根据公路工程技术标准（JTG B012014）规定2：（1）新建桥涵（含拼接新建部分）应满足现行设计标准的要求；（2）对直接利用的原有桥涵，应进行检测评估并满足原设计荷载标准要求；（3）拼接加宽利用的原有桥涵，应进行检测评估并满足原设计荷载标准要求，且其极限承载能力应满足或采取加固措施后满足现行标准。项目中大部分桥梁以两侧拼宽为主，两侧拼宽段的既有桥梁应满足第 3 条要求。泰肥公铁立交位于泰安西互通内，原桥宽满足八车道宽度。结合互通改造方案，原桥可直接利用，应满足第 2 条要求，对原桥进行检测评估处理病害，并验算原桥结构是否满足原设计荷载标准要求。馒头山局部平纵线调整段的新建或拆除新建桥涵采用现行设计标准执行。汽车荷载采用公路级车道荷载，承载力验算采用的荷载组合按公路桥涵通用设计规范（JTG D602015）取用。2.2 钢筋混凝土实心板结构设计通过有限元软件建模计算，现在 6 m、8 m 的钢筋混凝土板极限状态抗剪承载力不满足现行标准，且钢筋混凝土结构耐久性较差，上部板无法继续利用。一般桥梁下部结构技术状况评定为 2 类及以上，且经过 20 a 的通车运营，下部结构基础已稳定，下部结构维修加固后可继续使用。因此，对 6 m、8 m钢筋混凝土板采取“拆除新建上部结构，利用下部”的拼宽方案。2.3 预应力混凝土空心板结构设计通过有限元软件建模计算，10 m、13 m、16 m和 20 m 预应力混凝土空心板通过顶板加厚混凝土调平层和底板粘贴钢板后，极限承载力满足公路工程技术标准（JTG B012014），加固后可以继续利用。根据检测资料对病害严重，部分出现结构裂缝的空心板进行更换。经过多年的通车运营，空心板铰缝脱落现象较为普遍，继续利用的旧空心板铰缝需重新施工。此类桥梁宜采用同跨径的空心板进行拼宽。2.4 预应力混凝土 T 梁结构设计根据桥梁调查数据，既有桥梁为预应力混凝土T 梁的跨径有 25 m、30 m 两种，分别为玉符河大桥（825 m）和陡山大桥（930 m），均为结构简支、桥面连续。25 m 跨径 T 梁的梁高为 165 cm，30 m 跨径 T 梁的梁高为 195 cm，均采用 C50 混凝土。采用预应力混凝土 T 梁的桥梁统计见表 1。表 1 预应力混凝土 T 梁桥统计路基宽度/m桥名跨径/m殷家林枢纽至泰山枢纽段座数长度/m35.5玉符河大桥8251200陡山大桥9301270经计算，25 m、30 m 预应力混凝土 T 梁承载能力极限状态验算满足现行公路工程技术标准（JTG B012014）。根据检测报告，T 梁的主要病害为横隔板露筋、局部裂缝及混凝土破损等，纵梁的裂缝病害较少发现，两座桥梁的总体技术状况均评定为 2 类。因此，预应力混凝土 T 梁经局部的病害修复后，可以继续利用。此类桥梁原则上可采用同跨径的预制混凝土 T 梁进行拼宽。本项目中既有T 梁桥若采用同类型 T 梁进行拼宽将对桥下净高压缩明显，采用建筑高度更低的小箱梁更适宜。经验算，小箱梁与 T 梁刚度差在 15%以内，用小箱梁拼宽 T梁刚度协调在可控范围之内。单片小箱梁的刚度要大于 T 梁，车辆荷载作用下，拼宽小箱梁承担的活载比例也较大，有利于改善旧桥 T 梁的受力状态。因此，既有 T 梁桥推荐采用同跨径小箱梁拼宽。根据检测报告，两座桥下部结构技术状况评定均为 2 类及以上，且经过 20 a 的通车运营，下部结构基础已稳定，两座 T 梁桥的下部结构维修加固后可继续使用。2.5 圆孔形现浇连续板结构设计根据桥梁调查数据，崮山高架桥、泰安西互通主线桥、万德路分离立交及互通部分匝道桥为圆孔形现浇连续板结构。截取部分圆孔形现浇连续板结构的桥梁见表 2。2022 年第 6 期山东交通科技-89-现状圆孔形预应力混凝土或钢筋混凝土现浇连续板的裂缝病害较为普遍，主要有梁跨中附近腹板竖向裂缝、L 形裂缝及底板横向裂缝，梁支点附近底板横向裂缝，腹板斜向裂缝（主要分布于梁端至 1/4跨区域，与轴线呈 45左右夹角），梁翼板横向裂缝等。部分桥梁对病害严重的梁已经进行过加固，采用了密集灌缝修补痕迹、粘贴碳纤维布、粘贴钢板及设置体外预应力束等多种加固方式。经验算，现状圆孔形预应力混凝土或钢筋混凝土现浇连续板的承载力不满足公路工程技术标准（JTG B012014）荷载要求，结合检测报告，对技术状况较差的圆孔形现浇连续板拆除新建，对技术状况良好的预应力混凝土圆孔形现浇连续板加固利用。根据现场调查情况，圆孔形现浇连续板主要分布在互通立交范围内，为变宽桥梁或非标准跨径桥梁，采用现浇箱梁结构拼宽更适宜。下部结构均为 2 类及以上，且经过 20 a 的通车运营，下部结构基础已稳定，现浇连续板桥的下部结构维修加固后可继续利用。3 桥梁细部构造设计3.1 裂缝处理依据检测报告中所标记的部位，仔细查找裂缝，现场核实裂缝的位置、个数、宽度和长度，用醒目且不宜擦掉的线条标注裂缝。裂缝处治主要包括三个方面：（1）裂缝宽度 0.15 mm，采用表面修补法。在裂缝表面涂刷水泥浆、环氧胶泥等达到封闭裂缝的效果；（2）裂缝宽度介于 0.15 0.3 mm，采用压力灌浆法。将灌缝胶材料高压打入混凝土裂缝中，使胶结材料与主梁混凝土成为一体，提高结构承载能力和耐久性能4；（3）裂缝宽度 0.3 mm，采用粘贴高强度材料法。将钢板或碳纤维板粘贴到混凝土裂缝表面，使钢板或碳纤维板与混凝土共同受力，限制裂缝进一步发展，提高结构承载能力。加固施工完成后需进行二次封缝处理。3.2 更换支座桥梁支座的主要病害表现为支座局部脱空、剪切变形、支座钢板锈蚀、支座橡胶老化开裂等5。通常板式橡胶支座的设计使用寿命一般为 20 30 a，盆式支座设计使用寿命比板式橡胶支座长，但也低于主体结构的设计寿命。结合检测报告及本项目内桥梁支座的使用年限两种情况综合考虑，本次维修加固对大中桥的桥梁支座全部进行更换。支座更换采用同步顶升工艺，在墩台盖梁上安装顶升装置反力架，单幅桥梁整体同步顶升，顶升高度以能抽换支座为宜。见图 1、图 2。10 cm 沥青混凝土原桥 10 cm 混凝土层牛腿装置盖梁路线中心线扁形超薄千斤顶图 1 空心板桥支座更换牛腿装置扁形超薄千斤顶盖梁图 2 T 梁桥支座更换3.3 新旧梁板横向连接拼宽桥梁新旧梁板之间需加强横向连接，提高结构整体性，避免单梁荷载分布系数过大而引起结构损坏。对于空心板桥梁，新旧板通过统一新做 15 cm 厚整体化混凝层，加强横向连接。由于旧桥 T 梁没有混凝土现浇层，综合考虑 T梁横隔板病害情况及新旧梁连接的整体性，在新旧梁板上统一新做 7 cm 厚现浇混凝土层，并设置钢筋网片。新旧梁之间通过增设横隔板、翼缘板湿接缝加强横向连接，保证桥梁结构整体稳定性。在旧桥边 T 梁翼缘及腹板植入钢筋，与小箱梁横隔板钢筋连接，采用补偿收缩混凝土浇筑横隔板、湿接缝。T梁与小箱梁的拼宽连接见图 3、图 4。表 2 圆孔形现浇连续板桥统计桥名跨径组合/m结构形式桥长/m殷家林互通 1 号桥1725预应力混凝土现浇连续板425.0殷家林互通 3 号桥420+（20+225+20）+420+（18.43+220+18.43）+420+（20+225+20）+420钢筋现浇连续板576.9殷家林互通 G104 分离立交28+335+28预应力混凝土现浇连续板161.0泰安西互通主线桥18.375+220+320+20.333+20+21.856+21+420+420+25+28+35+28+25+20.916+322.5+20.916+420预应力/钢筋混凝土现浇连续板692.0闫见华，赵新涛，李玉鑫，董凯智，仲浩然，冉 衠：高速公路改扩建工程既有桥梁差异化加固利用-90-预埋跨中横隔板钢筋植筋5kxdW51426160620原 T 梁钢筋预埋跨中横隔板钢筋图 4 T 梁与小箱梁横隔板连接/cm全桥统一新做沥青混凝土桥面铺装全桥统一新做沥青混凝土桥面铺装全桥统一新做混凝土现浇调平层加宽桥小箱梁新旧间湿接缝原桥混凝土湿接缝原桥 T 梁边梁原桥 T 梁中梁凿除外侧悬臂部分混凝土全桥统一新做混凝土现浇调平层植入错筋30 30防水层防水层图 3 T 梁与小箱梁翼缘板湿接缝连接/cm4 结语通过对旧桥的病害修复及加固，提高了结构承载能力，延长了结构的使用寿命。针对不同结构形式、不同桥梁跨径，综合考虑结构安全性、运营耐久性及工程造价等因素，分别制定不同的桥梁改造设计方案，取得了良好的工程应用效果。参考文献：1 柳磊,于坤,王同卫.改扩建高速公路空心板桥现状及承载力研究J.山东交通科技,2019（6）:42-46.2 中华人民共和国交通运输部.公路工程技术标准:JTG B012014S.北京:人民交通出版社,2014.3 胡铁山,何博文.新标准下普通公路单幅标准跨径桥梁改扩建总体设计方案探讨J.交通科技,2015（4）:21-23.4 余建福,冯晨潞,董一含,等.混凝土桥梁裂缝的成因及防治措施J.科技经济导刊,2017（26）:112.5 马万飞.桥梁支座病害成因及防治J.桥隧工程,2017（12）:56-57.（上接第 79 页）表 3 试验结果路段编号设计的高温多雨区耐久透水性沥青路面渗水系数/（mlmin）原有的沥青路面的渗水系数/（mlmin）A1B15 6562 582A2B25 5241 486A3B35 8862 528A4B45 1851 325A5B55 1582 545A6B65 1542 564A7B75 1261 232A8B85 8651 575A9B95 1242 124A10B105 5232 896参考文献：1 Y BADJONA,Y B K.TCHANGAI,宁佐飞,等.中法沥青路面结构设计实例对比研究J.四川建材,2022,48（1）:134-137.2 胡成雪,何莉,陶健,等.邻域与梯度显著特征融合的沥青路面裂缝检测方法J.计算机辅助设计与图形学学报,2022,34（2）:245-253.3 马子媛,李海莲,蔺望东.基于层次变权未确知理论的沥青路面预养护评价模型J.合肥工业大学学报（自然科学版）,2021,44（12）:1668-1675.4 吴朝阳,古含焱,邱延峻,等.沥青路面结构两款轴对称非线性有限元分析软件应用之比较J.交通运输工程与信息学报,2021,19（4）:134-145.5 刘少华,潘宝峰,王丽丽,等.排水沥青路面抗冻融循环性能研究J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版）,2022,46（1）:115-119.6 黄立葵,宋伟,姜正晖,等.温度和车速对半刚性基层沥青路面模量场和疲劳寿命的影响J.湖南大学学报（自然科学版）,2021,48（5）:148-156.7 邱怀中,崔培德,吴少鹏,等.沥青路面稀浆封层养护技术应用研究J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版）,2021,45（2）:316-319,324.8 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