地面橋梁拓寬薄型梁設計

尹成章

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著社會的發展，城市化進程加劇，城市交通量不斷增長與道路通行能力不足的矛盾日益突出，道路拓寬建設已經成為已建道路緩解通行壓力的一種必然選擇[1]。橋梁作為道路的重要節點工程，橋梁拓寬便成為了道路拓寬的重中之重[2]。本文以上海市某市政道路地面橋為依托，在考慮市政道路各種邊界條件約束的情況下，采用薄型梁結構對地面橋梁進行拓寬，從而既滿足橋梁結構受力和舒適性的需求，也滿足道路總體功能上的需要。

1 概述

1.1 工程概況

上海市某快速化工程由主線高架及地面輔路組成。主線高架為城市快速路，地面輔路為城市主干路，荷載等級均為城-A級，其中地面輔路道路總體布置為：4.25 m（人行道）+11.00 m（車行道）+7.25 m（側分帶）+15.50 m（車行道）+6.25 m（側分帶）+11.00 m（車行道）+5.25 m（人行道）=60.50 m。道路沿線跨越某河道。該河道存在現狀地面橋梁1座，現狀橋梁分孔布置為10 m+10 m+10 m。橋梁分為左右2幅，單幅橋梁寬度為16.7 m，2幅橋梁之間距離為7 m，橋梁橫坡為2%，橋梁上部結構為空心鉸接板梁?，F狀橋梁跨中梁底標高為5.20 m。根據道路總體布置，須對該地面橋梁進行改造拓寬，新建拼橋分為左、中、右3幅橋梁，新老橋梁原則上墩位對齊。新老橋梁拓寬原設計橫斷面見圖1。

圖1 新老橋梁拓寬原設計橫斷面（單位：mm）

1.2 約束條件

（1）根據精確物探報告，現狀220 kV超高壓管線（下述“該管線”）穿越該道路，并與該道路斜交。該管線與右幅拼橋Pm1橋墩位置沖突，管線搬遷困難，右幅拼橋Pm1墩須拆除，橋梁分孔布置由3跨調整為2跨；右幅拼橋（跨徑調整）采用薄型梁結構。薄型梁立面圖、超高壓電力管線位置見圖2、圖3。

圖3 超高壓電力管線位置

（2）根據《上海市跨、穿、沿河構筑物河道管理技術規定（試行）》（滬水務（2007）365號），為滿足河道保潔、疏浚等維護管理作業船舶通行要求，該地跨河橋梁梁底高程應不小于4.80 m。

（3）主線高架橋墩為避讓該管線，墩位落在左幅現狀橋梁橋臺處，左幅現狀橋梁須拆除。避讓管線后的橋梁橫斷面圖見圖4。

圖4 避讓管線后的橋梁橫斷面圖（單位：mm）

（4）拼橋設計原則為新老橋伸縮縫對齊，與老橋采用相同的跨徑。

（5）拼寬橋梁處總體標高服從原有橋梁標高，橫坡服從原有橋梁橫坡；拼寬橋梁標高控制應采用使新老橋頂部對齊原則，其余如支座墊塊標高可根據實測調整[3-4]。

（6）若對老橋進行整體抬升，則橋梁須整體抬高35 cm，下部蓋梁須墊高加固，上部結構須拆除重建，同時會影響該橋梁兩側800 m范圍內的道路設計。此方案對工期影響大，費用增加多，方案可行性被否定。

在地面拼橋主梁頂、底高程受限，且右幅拼橋跨徑增加的情況下對地面橋梁進行拼寬，須采用特殊結構形式進行處理。由于左幅及中幅拼橋為常規結構（跨徑未調整），右幅拼橋（跨徑調整）采用薄型梁結構，本文僅對右幅薄型梁結構（見圖2）進行分析研究。

圖2 薄型梁立面圖（單位：mm）

2 方案設計

（1）對現狀老橋進行外觀病害檢查和承載能力驗算，橋梁評定等級為2類，橋梁有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響。

（2）拆除左幅現狀老橋，根據道路總體布置，新建左幅橋梁（為獨立結構，不存在拼接）；新建中幅及右幅拼橋，與右幅現狀老橋拼接。

（3）新建左幅、中幅橋梁跨徑與老橋保持一致，分孔布置為10 m+10 m+10 m；為避讓該管線，右幅拼橋取消Pm1橋墩，橋梁分孔布置調整為20 m+10 m。

（4）為控制梁底高程，右幅拼橋上部采用薄型梁結構，即鋼板梁結構，梁高為800 mm，橋面鋪裝為60 mmUHPC+5 m同步碎石封閉層+40 mm瀝青混凝土，橋面頂板設置剪力釘與UHPC連接；右幅拼橋車行道位置橫坡設置為2%，人行道位置橫坡為0%，人行道與車行道邊界設置變坡點，此時右幅拼橋最低點梁底高程為4.81 m。

（5）為增加右幅薄型梁剛度，主梁采用“密梁”結構形式，腹板共6片，腹板間距1.5 m。新老橋拼接處挑臂長度0.815 m，非拼接處挑臂長度1.395 m，橋梁總寬度9.71 m。薄型梁方案設計見圖5。

圖5 薄型梁方案設計（單位：mm）

（6）考慮到新老橋拼縫在Pm1墩位置會產生沉降差，新老橋拼縫結構不連續，采用D80型鋼伸縮縫連接，以適應其變形。老橋挑臂位置鑿除部分混凝土，補充預埋鋼筋后再澆注，混凝土澆注之前，須對老橋板梁-臂進行鑿毛處理。

（7）每片鋼梁總長約30 m，長度較短，質量較輕，采用整體吊裝的施工方案。

（8）調整道路總體布置，新老橋拼縫處采用實線劃線，兩車道在拼縫處隔開，嚴禁車輛跨越。

（9）拼橋設計以老橋設計圖為依據，地面橋梁施工前，應將既有橋梁的平面位置和尺寸及各結構物標高進行復測，若實測結果與圖紙不符，應依據實際情況作相應調整，以保證橋面接順。

3 力學分析

采用Midas三維模型（見圖6）進行力學分析，結果如下：

圖6 Mida s三維模型

（1）右幅拼橋與道路中心線斜交，若每個墩位均采用6支座，2邊墩會產生負反力，故在2邊墩采用2支座，中墩采用6支座。

（2）鋼結構跨徑布置為20 m+10 m，2跨鋼結構跨徑分配不合理，大樁號邊支座負反力較大須壓重，故在靠近大樁號橋墩位置附近，將上部結構做成閉口式箱梁，箱梁梁高調整為1.3 m，長度為2.98 m，變高及加高位置均在河道藍線以外（見圖2）。為增加橋梁安全系數，該位置支座設置為抗拉支座。

（3）基本組合下縱梁最大正應力為129 MPa，最大剪應力為72 MPa；邊墩橫梁最大正應力為95 MPa，最大剪應力為62 MPa。應力有較大的儲備，滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）的要求。

（4）鋼梁在活載作用下的最大撓度為1 cm，撓度較小，滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》的要求。為了考慮與老橋接順，鋼梁只設置恒載作用下的預拱度，加工時要求與老橋豎曲線匹配。

（5）鋼梁的1階豎向自振頻率為4.13 Hz，大于3 Hz，滿足《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ 69—95）的要求。

（6）鋼梁橋面板剪力釘采用短剪力釘φ10 mm×40 mm形式，剪力釘布置間距為200 mm。經計算，剪力釘個數滿足《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》（GB 50917—2013）的要求。

4 結 語

（1）新老橋梁拼寬時，原則上應保證新建橋梁的結構與老橋一致，包括跨徑、結構形式等。當受到邊界條件約束，結構上無法保證統一之時，須控制新老橋撓度差在合理的范圍內。

（2）新老橋拼寬加固之前，須對老橋進行外觀病害檢查和承載能力驗算，進而對橋梁的真實情況作出準確的判斷。

（3）在橋梁主梁頂、底高程受限，需要降低梁高時，薄型梁結構因其剛度及強度可控、梁高較低，將成為地面拼橋結構中較為合適的選擇。

（4）在拼接橋梁設計過程中須充分考慮老橋能否適應新的荷載標準，在保證拼接橋梁安全和使用功能的同時，還須保證新老橋梁的有效連接。本工程采用新老橋結構不連接的方式（D80型鋼伸縮縫），控制新老橋變形差；同時道路實體劃線，嚴禁車輛跨越，能有效防止新老橋因變形差產生的裂縫，保證行車的舒適性。