李 靜

（臨沂振東建設投資有限公司，山東 臨沂 276023）

1 工程概況

北京路沂河橋于1994年1月建成通車，該橋全長1 210.72 m，橋梁全寬23 m，雙向四車道布置。2019年11月，山東北斗檢測有限公司對北京路沂河橋進行動靜載試驗，檢測結(jié)果表明橋梁靜動力性能符合規(guī)范及承載力要求，具有承受老規(guī)范荷載的強度和剛度，且具有足夠的安全儲備，為此北京路沂河橋老橋頂升2.57 m后保留利用，同時兩側(cè)新建拼寬橋，如圖1所示。

圖1 北京路沂河橋鳥瞰效果圖

拼寬橋與老橋拼寬屬于不同跨徑、不同結(jié)構之間的拼寬。老橋改造后除拆除重建部分采用鋼箱梁外，均維持30 m簡支小箱梁不變。新建拼寬橋采用標準聯(lián)60 m+60.69 m=120.69 m的預應力混凝土連續(xù)梁，與老橋?qū)匿撓淞翰捎娩撓淞夯炷痢?/p>

現(xiàn)狀老橋結(jié)構全寬22 m，兩側(cè)拼寬橋結(jié)構寬度14.9 m，拼寬橋與老橋結(jié)構之間留有5 cm結(jié)構間隙，橋梁分四幅布置，橋梁橫斷面全寬52 m。改造后的老橋單幅布置3個車道，拼寬橋布置2個車道、非機動車道和人行道，如圖2所示。

圖2 橫斷面布置（單位：m）

2 拼寬方案設計

2.1 拼寬方案選擇

新老橋拼寬有多種方案，包括剛性拼寬方案、GD彈性無縫拼寬方案、聚氨酯材料無縫伸縮縫、伸縮縫方案等。伸縮縫方案即為在拼寬橋與老橋之間設置伸縮縫，類似于常規(guī)型鋼伸縮縫。其余拼寬方案如下：

（1）剛性拼寬方案

剛性拼寬方案主要分為以下三種形式。

a.鋪裝層形成剛性連接，上部結(jié)構不連接，梁體之間斷開，僅靠橋面鋪裝相互連接。

b.種植鋼筋形成整體，鑿除原橋邊板懸臂，原橋與加寬橋采用現(xiàn)澆濕接縫連接，植筋形成整體結(jié)構。

c.鋼板剛性連接，上部結(jié)構采用鋼板剛性連接，混凝土鋪裝、瀝青面層形成整體，梁體與混凝土鋪裝之間斷開。

剛性拼寬方案已成功應用于廣佛高速公路湖州大橋[1]、連霍高速公路潼關-西安段改擴建、上海濟陽路快速化改造工程[2]。

（2）GD彈性無縫拼寬方案

GD彈性無縫拼寬技術充分利用彈性混凝土的力學特征（承受荷載和高強振動時顯示彈性，而在低頻緩力的作用下產(chǎn)生塑性），以變化的彈塑性來同時滿足拼縫處的撓度和高差突變的要求。此方案成功應用于上海市七莘路高架與滬青平高速拼縫改造、嘉松北路蘊藻浜橋、滬寧高速真北路立交匝道、S320亭楓公路張涇橋。

（3）聚氨酯材料無縫伸縮縫

聚氨酯材料無縫伸縮縫是采用聚氨酯材料與結(jié)構錨固系統(tǒng)組成的一種伸縮縫。主要有聚氨酯伸縮體、混凝土找平層、折彎鋼板、蓋縫鋼板、穩(wěn)定元件、結(jié)構錨固系統(tǒng)。此方案成功應用于上海市中興路匝道橋。

北京路沂河橋作為臨沂市重要景觀工程，新老橋之間不適宜設置真縫。在采用無縫拼寬時，鋪裝層形成剛性連接，上部結(jié)構不連接，梁體之間斷開，僅靠橋面鋪裝相互連接的方案最適合本工程，避免了復雜的構造，又可以確保橋面平順、行車安全。

2.2 不同跨徑、不同結(jié)構拼寬需解決問題

目前常規(guī)的橋梁拼寬方案為等跨徑拼寬，對于不等跨徑、不同結(jié)構形式拼寬尚無成熟經(jīng)驗，同時新舊規(guī)范適應性、大跨度連續(xù)梁拼寬、錯位拼寬等仍然是橋梁拼寬中的難點[3]。由于拼寬橋主橋標準聯(lián)為60 m+60.69 m=120.69 m，而老橋標準跨徑為30 m、30.69 m，拼寬橋跨中位移最大位置恰好是老橋位移為0 mm位置，這就需要解決新老橋之間的活載作用下變形協(xié)調(diào)問題。拼寬橋沉降在3個月完成大部分沉降，拼接縫要選擇在新橋完成后的3～6個月[3]，本工程拼寬橋建成后需要施工附屬設施，通車后才對老橋小箱梁頂升改造，工期大于6個月，同時樁基均進入中風化安山巖，地基承載能力高，沉降變形量極小。因此本工程分析以活載變形為主。

（1）分析模型

采用MIDAS/Civil 2021建立老橋、拼寬新橋的整體空間實體模型,老橋結(jié)構根據(jù)竣工圖紙構造尺寸建立，如圖3所示；拼寬新橋結(jié)構根據(jù)設計圖紙構造尺寸建立；為考慮拼縫的真實參與受力情況，將鋪裝層（含拼縫）均按實際尺寸建立模型；老橋部分邊界條件按高阻尼橡膠支座實際剛度模擬，拼寬新橋部分按一般支承約束，老橋與拼寬新橋之間通過5 cm寬的拼縫連接。

圖3 整體計算模型

（2）新老橋結(jié)構分離時位移

現(xiàn)狀老橋在3車道布置時，老橋在活荷載作用下的跨中最大豎向撓度為16.9 mm，如圖4所示；拼寬橋在2車道布置和人非荷載作用下，拼寬橋跨中最大豎向撓度為21.9 mm，如圖5所示。拼寬橋跨中對應的老橋橋墩位置位移為0 mm。

圖4 分離時老橋位移圖（單位：mm）

圖5 分離時拼寬橋位移圖（單位：mm）

（3）新老橋結(jié)構橋面連續(xù)時位移

橋梁拓寬有利于提高橋梁的整體剛度，能減輕舊橋活載負擔，在活載作用下結(jié)構變形量減小，提高實際承載能力[3]。在拼寬橋與老橋同時布置活荷載時，老橋跨中處最大向下?lián)隙葹?1.4 mm，拼寬新橋跨中處最大向下?lián)隙葹?.3 mm，如圖6所示。拼寬新橋?qū)蠘蚩缰刑幾畲笙蛏蠐隙葹?.0 mm，如圖7所示。故全橋橫橋向最大撓度差不超過11.4+1.0=12.4 mm。

圖6 連續(xù)時向下最大位移（單位：mm）

圖7 連續(xù)時向上最大位移（單位：mm）

采用剛性拼寬方案后，老橋（尤其是在拼寬新橋跨中附近）對拼寬新橋提供側(cè)面豎向支撐，豎向剛度有明顯改善，拼寬新橋最大位移由21.9 mm減小為7.3 mm（跨中附近），老橋最大位移由16.9 mm減小為11.4 mm（跨中附近），故老橋、新橋的整體性通過剛性拼寬得到加強。要實現(xiàn)不同跨徑、不同結(jié)構拼寬橋和老橋整體受力需要對拼縫進行合理設計才能實現(xiàn)。

3 拼縫結(jié)構設計

拼縫受力最不利位置為拼寬橋跨中對應老橋橋墩位置和老橋跨中對應拼寬橋1/4跨徑位置，為此需要對兩個位置區(qū)別設計，并設置過渡段。在縱向拼縫處鋪裝層選用10 cm厚UHPC形成剛接，鋪裝內(nèi)配置加強配筋以改善連續(xù)構造的受力性能，提高連續(xù)縫位置的耐久性；拼寬橋梁體內(nèi)布置預埋鋼筋，且老橋小箱梁植筋，使結(jié)構形成整體；縱縫上布置5 mm不銹鋼板及5 mm橡膠墊板，鋪裝鋼筋與UHPC內(nèi)鋼筋綁扎，使鋪裝層形成整體，如圖8所示。

圖8 橫橋向立面圖（單位：mm）

具體布置如下：

（1）在拼寬橋及老橋小箱梁拼縫頂面鋪一層0.5 m寬、5 mm厚的不銹鋼板。

（2）不銹鋼板上鋪兩層1.05 m寬、5 mm厚的橡膠墊板，其中上層橡膠墊板由變形小的一側(cè)伸入變形大的一側(cè)0.1 m后結(jié)束，對于拼縫兩側(cè)變形基本一致的不設置上層橡膠墊板。

（3）橡膠墊板上綁扎直徑φ16的鋼筋，橫橋向兩層，順橋向一層，縱橫向鋼筋間距均為100 mm。

（4）在拼縫兩側(cè)拼寬橋1.2 m、老橋1.5 m范圍內(nèi)澆筑10 cm厚UHPC。

（5）UHPC上方澆筑8 cm厚常規(guī)瀝青混凝土鋪裝層。

為適應拼縫兩側(cè)不均勻變形、延緩結(jié)構變形、適應UHPC板的轉(zhuǎn)角，對拼縫橡膠墊板分段設置。在新橋支點兩側(cè)5 m范圍內(nèi)，拼寬橋和老橋分別布置1層橡膠墊；在拼寬橋跨中13 m范圍內(nèi)老橋設置2層橡膠墊、拼寬橋布置1層橡膠墊；其余位置拼寬橋2層橡膠墊、老橋一層橡膠墊。

4 拼縫計算分析

4.1 主要材料參數(shù)

UHPC高強韌性混凝土具有優(yōu)異的裂縫寬度控制能力，是橋梁結(jié)構的高應力區(qū)或其他需要高抗裂性能的部位除預應力混凝土之外的新方案[4，5]。UHPC高強韌性混凝土抗壓強度≥180 MPa、抗拉強度≥8.33 MPa，拼寬橋主橋箱梁采用C55，現(xiàn)狀老橋箱梁采用C30，鋼筋采用HRB400。

4.2 小箱梁懸臂橫橋向應力計算結(jié)果

在活荷載作用下，對應拼寬新橋跨中處的老橋小箱梁懸臂附近出現(xiàn)橫向拉應力集中區(qū)域，峰值達到11.0 MPa，橫橋向左右約1.0 m范圍內(nèi)應力降至1.5 MPa；順橋向分布寬度約4 m范圍內(nèi)應力降至1.5 MPa，如圖9、圖10所示。在發(fā)生沉降的支點部位，應力急劇增大，這是模型影響而在支座處的應力集中，不影響總的分析結(jié)果[6]。計算支撐處的負彎矩時可考慮支座寬度對彎矩折減的影響[7]，在實際情況下，UHPC板的受力還要減小。

圖9 老橋橋墩處橫向應力分布圖

圖10 老橋橋墩處小箱梁懸臂根部橫向應力分布

根據(jù)上述應力分布結(jié)果，用于指導UHPC拼縫在橫橋向上的分布寬度，即在拼寬縫左右各1.0 m范圍。全橋橫向最大壓應力值為-8.6 MPa，滿足強度要求。

4.3 UHP C板小箱梁跨內(nèi)橫向應力

根據(jù)空間實體模型分析結(jié)果，拼縫層的橫向應力在順橋上，基本在全橋范圍內(nèi)應力值均大于2.0 MPa。本工程采用的UHPC（型號UC180）抗拉強度設計值要求為≥8.33 MPa，與計算結(jié)果對比可見，除了在拼寬橋跨中處局部點處存在開裂外，其余位置均不會開裂。通過設置鋼筋配置，保證拼縫層在極限荷載作用下的強度滿足要求。

4.4 精細化模型

4.4.1 精細化模型

沿縱向取1 m計算寬度，采用civil實體單元建立老橋小箱梁與拼寬橋橫向連接框架精細化計算模型，錨筋編號為從左向右編排，如圖11所示。

圖11 拼縫細部模型

4.4.2 UHP C板及錨筋驗算

UHPC板具有出色的裂縫控制能力，同時本次設計采用的錨筋為常規(guī)門式配筋，試驗證明具有合理性[2]。在計算時分拼寬橋下?lián)虾屠蠘蛳聯(lián)蟽煞N工況分析UHPC板及錨筋的受力情況。下?lián)现挡捎谜w模型中整體計算時的變形值。

（1）拼寬橋下?lián)瞎r

UHPC板受到彎矩為26.4 kN/m、剪力為66.9 kN，板的裂縫寬度為0 mm，均滿足規(guī)范要求，見表1。拼寬橋側(cè)錨筋承受拉力，老橋側(cè)錨筋承受壓力，錨筋承受最大拉力16.5 kN，承受最大剪力46.3 kN,錨筋組合應力為209.3 MPa，均滿足規(guī)范要求，見表2。

表1 UHP C板的受力驗算

表2 拼寬橋下?lián)襄^筋受力驗算

（2）老橋下?lián)瞎r

UHPC板受到彎矩為28.6 kN/m、剪力為88.9 kN，板的裂縫寬度為0 mm，均滿足規(guī)范要求，見表1。老橋下?lián)蠒r，UHPC板作用于拼寬橋端部而發(fā)生翹曲效應，導致拼寬橋和老橋側(cè)錨筋均承受拉力，錨筋承受最大拉力17.5 kN，承受最大剪力13.3 kN，錨筋組合應力為130.8 MPa，均滿足規(guī)范要求，見表3。

表3 老橋下?lián)襄^筋受力驗算

4.4.3 老橋小箱梁懸臂強度復核

舊橋翼緣是一個薄弱部位，橋梁拼接后會發(fā)生受力狀態(tài)的變化，在汽車荷載局部作用、新舊橋汽車偏載作用以及接縫段混凝土收縮徐變作用下，翼緣剛性連接時，原橋翼緣部位的配筋較少，需要加強橋面鋪裝鋼筋[3]。根據(jù)空間實體模型，拼寬橋在活荷載作用下跨中下?lián)希ɑ蛏瞎埃?，引起小箱梁懸臂端處位移。對老橋小箱梁懸臂端處施加強迫位移，以考慮拼寬橋車輛荷載對老橋懸臂的“拖拽”效應；同時疊加老橋小箱梁自重、二期及老橋懸臂上汽車荷載作用，以此校驗老橋小箱梁懸臂強度及裂縫。抗彎強度、抗剪強度及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求，見表4。

表4 老橋小箱梁懸臂驗算結(jié)果

4.4.4 老橋小箱梁支座承載能力復核

在拼寬橋變形作用下，會對老橋支座產(chǎn)生支座傾斜、壓縮等變形，改變支座形式可改善橋面連續(xù)結(jié)構受力[8]。本工程老橋改造后支座采用高阻尼支座，型號HDR（Ⅱ）-d295×117-G1.0支座，豎向支承承載力為704 kN。根據(jù)模型計算結(jié)果，老橋小箱梁的最外側(cè)（拼寬側(cè)）一排支座的豎向反力均比其余支座反力要大，最大值出現(xiàn)在對應拼寬橋跨中處的老橋外側(cè)支座，最大值為690.8 kN，小于支座承載力，滿足規(guī)范要求。

5 拼縫試驗分析

為研究新老橋面拼接結(jié)構的受力性能，對拼接結(jié)構進行現(xiàn)場足尺加載試驗，如圖12所示。小箱梁采用現(xiàn)狀老橋拆卸下的小箱梁，拼寬橋試驗構件采用與實際拼寬橋結(jié)構相同尺寸的懸臂結(jié)構。

圖12 拼縫結(jié)構試驗現(xiàn)場照片

試驗結(jié)果表明，UHPC的無縫拼寬剛性橋面鋪裝應力、錨筋應變狀態(tài)、老橋小箱梁位移及破壞情況均與有限元計算結(jié)果相吻合。

6 結(jié) 論

不同跨徑、不同結(jié)構之間的拼接技術屬于非常規(guī)拼寬技術，經(jīng)過對北京路沂河橋拼縫后橋面板結(jié)構受力、老橋小箱梁受力、錨筋受力等進行綜合分析后，又采用現(xiàn)場試驗進行驗證，可得出如下結(jié)論：

（1）采用UHPC的無縫拼寬剛性橋面鋪裝承載能力及正常使用極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求。

（2）采用剛性拼寬方案時的老橋小箱梁承載能力及正常使用極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求。

（3）采用剛性拼寬方案時的老橋小箱梁支座承載能力滿足規(guī)范要求。

（4）UHPC板與梁體之間的錨筋承載力滿足規(guī)范要求。

因此，本工程設計的UHPC無縫拼寬剛性橋面結(jié)構可滿足工程實際需要。