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[摘 要] 随着我国社会经济快速增长,使20世纪末建成的诸多桥梁的交通量适当年限明显缩短,在可以预见的将来,桥梁加宽势在必行,但桥梁加宽工程中出现了许多新的设计难题,需要不断地理论结合实践,深入研究,加以解决。本文基于此,对桥梁加宽过程中的设计方法进行了初步研究。
[关键词] 桥梁设计 桥梁加宽 空心板 盖梁 桥台 基桩
桥梁加宽技术设计方法的研究,主要是解决在公路改造项目中,对现有桥梁不能满足道路升级改造后宽度要求的,进行加宽设计。一般情况下,采用独柱式墩台应用于旧桥的加宽改造,利用现有旧桥,沿路基加宽一侧对旧桥进行加宽设计,需要考虑独柱式墩台在与旧桥共同承担桥面荷载情况下的稳定性、安全性等相关问题。
一、影响因素分析
1、混凝土收缩徐变差异对新旧桥体的影响
1.1收缩是指混凝土体内水泥凝胶体中游离水蒸发,而使其本身体积缩小的一种物理化学现象,它是不依赖于荷载而与时间、气候等有关的一种变形。
1.2 徐变是指在持续荷载作用下,混凝土的应变随时间增长的现象。徐变应变是随持荷时的增长而增加的,但其增加的速度又是随时间递减的。当荷载施加时,混凝土产生瞬时的可恢复的弹性变形和一个缓慢的非弹性变形,这种非弹性变形称为徐变。
我们可以简易的理解为收缩是混凝土体内晶体结合而导致体积缩小,有无荷载皆会产生。徐变则是在荷载作用下必然存在并且随时间而不断增大的现象。新桥混凝土的收缩徐变相对于旧桥更加显著。据此可以知道,如果新旧桥上部梁体连接,新桥主梁的混凝土纵向收缩受到旧桥主梁的限制,而在旧桥主梁中产生的附加内力,尤其是旧桥边梁承受其中大部分,同时这个附加内力同样反作用于新桥边梁。这就要求设计时需要考虑旧桥边梁的承载能力以及新桥边梁受力。
2、新旧桥基础沉降差异对新旧桥主梁及其连接处的影响
目前在众多的沉降计算方法中应用最广泛的是分层总和法。分层总和法是假定地基土为直线变形体,在外荷载作用下的变形只发生在有限厚度的范围内(即压缩层),将压缩层厚度内的地基土分层,分别求出各分层的应力,然后用土的应力一应变关系式求出各分层的变形量,加起来即为地基的沉降量。一般来说若桥梁的基础持力层位于土层中,那么新建桥梁的沉降是缓慢发生的,可持续很长一段时间。而若基础的持力层位于岩层上则可避免新建桥梁部分的沉降发生。因此,在有条件的情况下,为避免基础沉降对加宽后桥梁上部结构产生不利的影响,可以将加宽部分的桩基础直接打到岩层上。很多情况地质情况不能达到这种要求,设计时可以采用粉喷桩或碎石桩处理地基。
二、桥梁加宽设计过程研究
1、桥面加宽
桥面铺装施工时,应先凿除旧桥护栏及其内侧20cm的桥面铺装,然后在加宽桥面和旧桥凿除区域铺设新的桥面铺装,将新旧桥面铺装钢筋焊接,焊缝长度须满足规范要求。桥面施工时,应先铺桥面铺装混凝土,后浇筑防撞护栏混凝土。在浇筑钢纤维混凝土前应对空心板顶面进行拉毛、清洗干净尘渣,以便钢纤维混凝土与空心板混凝土结合紧密,加强整体受力。
2、上部梁板加宽
桥梁的上部梁板与旧桥的对应部位横桥向通过植筋、钢板焊接等方式连接到一起。
2.1空心板拼接
旧桥的空心板构造已不能满足现行规范要求。在实际运营中需要对已有部分桥梁的空心板进行加固。根据加宽设置原则要求,加宽部分新板高度应与旧板一致。如10m跨径空心板建筑高度为50cm;16m,20m跨径空心板高度为75cm。由于空心板建筑高度较低,新板宽度定为1.33m(原空心板宽度为1m),并增加了部分预应力钢绞线。新旧板通过植筋及粘贴钢板将新旧板进行刚性连接。
首先将旧板植入钢筋,其埋置深度和最小厚度(距空心板边缘距离)必须满足产品要求。旧板顶的植筋和新板顶的预埋钢筋顺桥向按10cm间距均匀布置,待新板安装就位后,将二者焊接。在距梁端50cm处,用粘结胶将连接钢板顺桥向以10cm间距对称粘贴在新旧板板底。上部梁板加宽使用了后植入钢筋的方法。在植筋前必须检查旧桥结构混凝土的现状,看有无裂缝等病害,确保植筋在其中能有效地传递粘结力。在旧梁板上植筋,植筋胶的变形能力起至关重要的作用,适合的弹性模量是拉力传递的保证。必须保证植筋胶的质量,胶应具有环保、耐高温、耐老化的性能,要求胶固化后E值与混凝土相近。在确保钢筋锚固的基本埋深时,锚固系统一般将出现钢材及粘结剂的破坏形式,一般来说粘结强度是由粘结剂与构件基材孔壁的接触面积决定的。设计时,植筋受力性能(抗拉力)应取锚固力特征值和钢筋屈服拉力特征值之间的较小值。
2.2 T梁桥的加宽
桥梁加宽设计加强了T梁和箱梁新旧桥之间的横向联系。在旧桥T梁边梁位置外侧植筋现浇新的横隔梁,再将它们与40m箱梁的端横隔梁和跨中横隔梁连接在一起,形成新的牢固的横向联系。研究表明,横向联系对改善结构受力起了决定性作用。横向联系刚度越大,旧桥分配到的荷载越少,结构整体性能越好。加宽后,新梁板承担了部分荷载,旧桥边梁、次边梁及中梁的横向分布系数明显减小,结构的工作性能得到改善,整体承载能力得到提高。
3、下部构造加宽
3.1 盖梁连接
避免桥梁纵向接缝的产生是桥梁拼宽设计中的重点的难点,桥梁下部盖梁的连接方式和上部梁板连接方式是密切联系在一起的。对于盖梁连接方式,在设计过程中针对两种方案进行了比选。1)新旧桥盖梁刚接。根据盖梁的计算理论,旧桥墩台帽由单悬臂结构经连接后转变为连续梁,这需要旧桥墩台帽有足够的正弯矩钢筋并且保证桩基础不会有沉降,否则易引起墩台盖梁裂缝,因此受到客观条件限制,没有被采纳。2)新旧桥梁盖梁不连接。采用这种方案旧桥盖梁不改变受力形式,受力简单明确,不必改变旧桥盖梁内钢筋布置,若新桥发生沉降,可以相应调整上部梁板,以满足新旧桥桥面顺接要求。桥梁盖梁在施工时,首先凿除旧桥墩台盖梁端部30cm混凝土及外侧挡块耳墙,使盖梁与上部的空心板平齐,然后在旧桥盖梁所在直线上现浇新盖梁,使之与旧桥盖梁顺接,新旧桥盖梁间留有1cm缝。施工时,盖梁凿除面需涂刷防水防腐涂料,以保护裸露在凿除面的钢筋。
3.2轻型桥台拼宽
设计时,桥梁拼宽时同样采用了相同跨径的轻型桥台,但为了避免新旧桥台间不均匀沉降,摒弃了扩大式基础,采用钻孔灌注桩基础。新旧桥台间设置2cm沉降缝。
3.3基桩
旧桥加宽比较难解决的问题就是老结构的不均匀沉降问题。由于拼宽新建部分的桥梁将发生的沉降量尚不能给出定量分析,设计时参考旧桥桩长,对于新建拼宽部分桥梁的下部基桩进行了适当的增长及桩径适当的加粗。同时要求施工时进行必要的堆载预压程序,即在加宽桥梁的上部梁板安装到位后,新、旧板间暂不连接,对新建桥梁进行堆载预压2个～3个月,待完成大部分沉降后再进行上部结构的刚性连接。
三、常见的桥梁加宽形式分析
目前,桥梁加宽工程中主要有以下四种方式:
1、上下部结构及桥面铺装均不连接
该加宽连接形式中,新旧桥体完全分离,两者不受混凝土收缩徐变和基础沉降因素影响,桥面铺装采用纵向简易伸缩缝断开。新桥与旧桥各自受力、互不影响,降低了桥梁拓宽施工的难度,相对分离的桥面铺装使用、维修相对独立,互不干扰,并且可以在不影响原道路交通的情况下施工。鉴于纵向伸缩缝对车辆轮胎、行车舒适性的影响,纵向伸缩缝宜布置于行车道双黄线位置,所以此种形式受加宽后行车道的布设位置限制。
2、上下部结构不连接、桥面铺装连接
该加宽连接形式中,新旧桥体上下部结构上分离,不受混凝土收缩徐变和基础沉降因素影响,与上一形式区别仅在于新旧桥面铺装是一体连续的。优点同上,而且桥面平顺,但是当车辆运行时新旧桥主梁产生较大的挠度差,从而造成新旧桥之间连接处的桥面铺装层的破坏,影响行车安全和路容美观,并且维修起来比较困难。
3、上下部结构均连接
新旧桥梁刚性连接,新旧上、下部之间分别通过现浇横隔梁、植筋等方式形成一体。这种方式桥面平顺,行车安全性和舒适性均较其它连接方式好。但是,混凝土收缩徐变和基础沉降兩个因素直接影响新旧桥体上下部的内力,设计、施工时需特别考虑。
4、上部结构连接,下部结构不连接
新旧桥上部结构形成整体,有利于减小新旧桥的变形差,使桥面平顺,行车舒适安全。新旧桥下部结构不连接,各自单独受力,基础未支撑在岩层上时需对地基进行处理以减少沉降。
四、结束语
连接方式不同混凝土收缩徐变和基础沉降因素影响的大小也不同,不同的桥梁加宽设计应根据其具体情况,因地制宜,充分重视桥体附加内力以及地基处理,采取适合的横向连接方式。
参 考 文 献
[1]交通部 交公路规划设计院.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范.北京:人民交通出版社,2004.
[2]姚玲森 桥梁工程.北京:人民交通出版社,1988.■
[关键词] 桥梁设计 桥梁加宽 空心板 盖梁 桥台 基桩
桥梁加宽技术设计方法的研究,主要是解决在公路改造项目中,对现有桥梁不能满足道路升级改造后宽度要求的,进行加宽设计。一般情况下,采用独柱式墩台应用于旧桥的加宽改造,利用现有旧桥,沿路基加宽一侧对旧桥进行加宽设计,需要考虑独柱式墩台在与旧桥共同承担桥面荷载情况下的稳定性、安全性等相关问题。
一、影响因素分析
1、混凝土收缩徐变差异对新旧桥体的影响
1.1收缩是指混凝土体内水泥凝胶体中游离水蒸发,而使其本身体积缩小的一种物理化学现象,它是不依赖于荷载而与时间、气候等有关的一种变形。
1.2 徐变是指在持续荷载作用下,混凝土的应变随时间增长的现象。徐变应变是随持荷时的增长而增加的,但其增加的速度又是随时间递减的。当荷载施加时,混凝土产生瞬时的可恢复的弹性变形和一个缓慢的非弹性变形,这种非弹性变形称为徐变。
我们可以简易的理解为收缩是混凝土体内晶体结合而导致体积缩小,有无荷载皆会产生。徐变则是在荷载作用下必然存在并且随时间而不断增大的现象。新桥混凝土的收缩徐变相对于旧桥更加显著。据此可以知道,如果新旧桥上部梁体连接,新桥主梁的混凝土纵向收缩受到旧桥主梁的限制,而在旧桥主梁中产生的附加内力,尤其是旧桥边梁承受其中大部分,同时这个附加内力同样反作用于新桥边梁。这就要求设计时需要考虑旧桥边梁的承载能力以及新桥边梁受力。
2、新旧桥基础沉降差异对新旧桥主梁及其连接处的影响
目前在众多的沉降计算方法中应用最广泛的是分层总和法。分层总和法是假定地基土为直线变形体,在外荷载作用下的变形只发生在有限厚度的范围内(即压缩层),将压缩层厚度内的地基土分层,分别求出各分层的应力,然后用土的应力一应变关系式求出各分层的变形量,加起来即为地基的沉降量。一般来说若桥梁的基础持力层位于土层中,那么新建桥梁的沉降是缓慢发生的,可持续很长一段时间。而若基础的持力层位于岩层上则可避免新建桥梁部分的沉降发生。因此,在有条件的情况下,为避免基础沉降对加宽后桥梁上部结构产生不利的影响,可以将加宽部分的桩基础直接打到岩层上。很多情况地质情况不能达到这种要求,设计时可以采用粉喷桩或碎石桩处理地基。
二、桥梁加宽设计过程研究
1、桥面加宽
桥面铺装施工时,应先凿除旧桥护栏及其内侧20cm的桥面铺装,然后在加宽桥面和旧桥凿除区域铺设新的桥面铺装,将新旧桥面铺装钢筋焊接,焊缝长度须满足规范要求。桥面施工时,应先铺桥面铺装混凝土,后浇筑防撞护栏混凝土。在浇筑钢纤维混凝土前应对空心板顶面进行拉毛、清洗干净尘渣,以便钢纤维混凝土与空心板混凝土结合紧密,加强整体受力。
2、上部梁板加宽
桥梁的上部梁板与旧桥的对应部位横桥向通过植筋、钢板焊接等方式连接到一起。
2.1空心板拼接
旧桥的空心板构造已不能满足现行规范要求。在实际运营中需要对已有部分桥梁的空心板进行加固。根据加宽设置原则要求,加宽部分新板高度应与旧板一致。如10m跨径空心板建筑高度为50cm;16m,20m跨径空心板高度为75cm。由于空心板建筑高度较低,新板宽度定为1.33m(原空心板宽度为1m),并增加了部分预应力钢绞线。新旧板通过植筋及粘贴钢板将新旧板进行刚性连接。
首先将旧板植入钢筋,其埋置深度和最小厚度(距空心板边缘距离)必须满足产品要求。旧板顶的植筋和新板顶的预埋钢筋顺桥向按10cm间距均匀布置,待新板安装就位后,将二者焊接。在距梁端50cm处,用粘结胶将连接钢板顺桥向以10cm间距对称粘贴在新旧板板底。上部梁板加宽使用了后植入钢筋的方法。在植筋前必须检查旧桥结构混凝土的现状,看有无裂缝等病害,确保植筋在其中能有效地传递粘结力。在旧梁板上植筋,植筋胶的变形能力起至关重要的作用,适合的弹性模量是拉力传递的保证。必须保证植筋胶的质量,胶应具有环保、耐高温、耐老化的性能,要求胶固化后E值与混凝土相近。在确保钢筋锚固的基本埋深时,锚固系统一般将出现钢材及粘结剂的破坏形式,一般来说粘结强度是由粘结剂与构件基材孔壁的接触面积决定的。设计时,植筋受力性能(抗拉力)应取锚固力特征值和钢筋屈服拉力特征值之间的较小值。
2.2 T梁桥的加宽
桥梁加宽设计加强了T梁和箱梁新旧桥之间的横向联系。在旧桥T梁边梁位置外侧植筋现浇新的横隔梁,再将它们与40m箱梁的端横隔梁和跨中横隔梁连接在一起,形成新的牢固的横向联系。研究表明,横向联系对改善结构受力起了决定性作用。横向联系刚度越大,旧桥分配到的荷载越少,结构整体性能越好。加宽后,新梁板承担了部分荷载,旧桥边梁、次边梁及中梁的横向分布系数明显减小,结构的工作性能得到改善,整体承载能力得到提高。
3、下部构造加宽
3.1 盖梁连接
避免桥梁纵向接缝的产生是桥梁拼宽设计中的重点的难点,桥梁下部盖梁的连接方式和上部梁板连接方式是密切联系在一起的。对于盖梁连接方式,在设计过程中针对两种方案进行了比选。1)新旧桥盖梁刚接。根据盖梁的计算理论,旧桥墩台帽由单悬臂结构经连接后转变为连续梁,这需要旧桥墩台帽有足够的正弯矩钢筋并且保证桩基础不会有沉降,否则易引起墩台盖梁裂缝,因此受到客观条件限制,没有被采纳。2)新旧桥梁盖梁不连接。采用这种方案旧桥盖梁不改变受力形式,受力简单明确,不必改变旧桥盖梁内钢筋布置,若新桥发生沉降,可以相应调整上部梁板,以满足新旧桥桥面顺接要求。桥梁盖梁在施工时,首先凿除旧桥墩台盖梁端部30cm混凝土及外侧挡块耳墙,使盖梁与上部的空心板平齐,然后在旧桥盖梁所在直线上现浇新盖梁,使之与旧桥盖梁顺接,新旧桥盖梁间留有1cm缝。施工时,盖梁凿除面需涂刷防水防腐涂料,以保护裸露在凿除面的钢筋。
3.2轻型桥台拼宽
设计时,桥梁拼宽时同样采用了相同跨径的轻型桥台,但为了避免新旧桥台间不均匀沉降,摒弃了扩大式基础,采用钻孔灌注桩基础。新旧桥台间设置2cm沉降缝。
3.3基桩
旧桥加宽比较难解决的问题就是老结构的不均匀沉降问题。由于拼宽新建部分的桥梁将发生的沉降量尚不能给出定量分析,设计时参考旧桥桩长,对于新建拼宽部分桥梁的下部基桩进行了适当的增长及桩径适当的加粗。同时要求施工时进行必要的堆载预压程序,即在加宽桥梁的上部梁板安装到位后,新、旧板间暂不连接,对新建桥梁进行堆载预压2个～3个月,待完成大部分沉降后再进行上部结构的刚性连接。
三、常见的桥梁加宽形式分析
目前,桥梁加宽工程中主要有以下四种方式:
1、上下部结构及桥面铺装均不连接
该加宽连接形式中,新旧桥体完全分离,两者不受混凝土收缩徐变和基础沉降因素影响,桥面铺装采用纵向简易伸缩缝断开。新桥与旧桥各自受力、互不影响,降低了桥梁拓宽施工的难度,相对分离的桥面铺装使用、维修相对独立,互不干扰,并且可以在不影响原道路交通的情况下施工。鉴于纵向伸缩缝对车辆轮胎、行车舒适性的影响,纵向伸缩缝宜布置于行车道双黄线位置,所以此种形式受加宽后行车道的布设位置限制。
2、上下部结构不连接、桥面铺装连接
该加宽连接形式中,新旧桥体上下部结构上分离,不受混凝土收缩徐变和基础沉降因素影响,与上一形式区别仅在于新旧桥面铺装是一体连续的。优点同上,而且桥面平顺,但是当车辆运行时新旧桥主梁产生较大的挠度差,从而造成新旧桥之间连接处的桥面铺装层的破坏,影响行车安全和路容美观,并且维修起来比较困难。
3、上下部结构均连接
新旧桥梁刚性连接,新旧上、下部之间分别通过现浇横隔梁、植筋等方式形成一体。这种方式桥面平顺,行车安全性和舒适性均较其它连接方式好。但是,混凝土收缩徐变和基础沉降兩个因素直接影响新旧桥体上下部的内力,设计、施工时需特别考虑。
4、上部结构连接,下部结构不连接
新旧桥上部结构形成整体,有利于减小新旧桥的变形差,使桥面平顺,行车舒适安全。新旧桥下部结构不连接,各自单独受力,基础未支撑在岩层上时需对地基进行处理以减少沉降。
四、结束语
连接方式不同混凝土收缩徐变和基础沉降因素影响的大小也不同,不同的桥梁加宽设计应根据其具体情况,因地制宜,充分重视桥体附加内力以及地基处理,采取适合的横向连接方式。
参 考 文 献
[1]交通部 交公路规划设计院.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范.北京:人民交通出版社,2004.
[2]姚玲森 桥梁工程.北京:人民交通出版社,1988.■