高速公路扩建工程桥梁改扩建方案研究

高速公路扩建工程桥梁改扩建方案研究

本文在探讨该项目的基础上，在平原区设立了一条双向高速公路。主要道路设计速度为120km，交叉口宽度为26m，现有车道设计负荷为车辆超20级。原路面及桥面均为水泥混凝土(刚性),其中部分路段已实施“白改黑”的路面改造工程,改造工程在不同路段的路面及桥梁根据各段实际情况采取了多种改建、维修加固处理形式,路面改建维修主要有换板、破碎加铺沥青面层等形式,桥梁主要有钢板、碳纤维、叠合梁加固以及直接加铺等形式。改扩建工程在不降低合宁高速公路原有技术标准的前提下采用两侧拼接方式将现有道路加宽扩建为双向八车道,路基宽度42.0m(在原有路基两侧各加宽8.0m),采用“计算行车速度120km/h”的高速公路标准,路线设计基本保持原平纵面线形,拼宽及新建部分的桥涵设计荷载为公路-Ⅰ级。路面及桥面均改扩建为沥青混凝土面层。1进行纵面拟合设计方案桥梁改扩建方案应首先考虑纵面的问题,桥梁纵面方案不仅需要考虑原桥改造方案、新老桥拼接方案和地方规划要求等,还应考虑与桥后路面改造方案相匹配。另外由于原桥的施工误差以及不确定因素,在施工建设期间还会依据现场实际情况,局部进行桥梁和桥后路面的纵面调整,而纵面调整会带来桥梁、路基路面的诸多变更设计,故改扩建工程的纵面设计涉及因素多,难度大,是改扩建工程设计的难点和重点。(1)须在拟合原路纵面的基础上,在充分利用原路路面、桥梁等构造物的前提下,进行纵面拟合设计。原路经过多年的运营和维修改造工程会出现桥梁和路基的差异沉降以及路基部分路段的不均匀沉降,实际纵面一般与原路设计纵面在多处局部出入较大。合宁高速公路大陇段中,原路未实施路面“白改黑”改造工程的路段,由于路基工后沉降大,存在“桥高路低”的纵面不连续现象;而在原路已实施路面“白改黑”改造工程的路段,由于原路路面加高,而桥梁难以与路面一致加高,大部分桥头两侧路面根据桥梁改建情况设置了渐变段,明显存在“桥低路高”现象。若扩建拼宽部分的纵面与原路实际纵面完全一致,也就是无技术标准的扩建纵面,无法满足改扩建工程的技术标准的要求,故应依据原路实际纵面进行拟合并优化,保证设计纵面的技术标准及行车的舒适性。根据实测原有桥梁、路面特征点标高进行了纵面拟合,核查原路的左右半幅是否需进行分幅纵面拟合设计,确保扩建设计纵面满足扩建工程的技术标准。(2)路面的纵面,在原路面尽可能利用的前提下,路面一般遵循“宁填勿挖”的原则。对于原路面已改造为柔性沥青路面的路段,在进行必要的病害处理前提下利用原路面,按“零填零挖”的原则进行纵面拟合;局部路面上面层维修路段可按“少填勿挖”的原则进行纵面设计。对于原路为水泥混凝土路面的路段,通过扩建工程原路面改造方案研究后,确定纵面按在原路面加铺22cm控制纵面拟合标高。(3)桥梁的纵面,一般也遵循“少填勿挖”的原则,但原桥“填”的高度需通过验算确定,并通过改扩建后满足“白改黑”的要求。2拼接桥梁的构造设计合宁高速公路大陇段桥梁改扩建设计原则如下:(1)扩建桥梁拼接前,对原桥梁的现状进行全面评价,对原有桥梁拼接的可行性进行技术论证,在对原有桥梁采取充分利用的原则下,原有桥梁满足或经维修、改造、加固后满足使用功能、承载能力等相关的技术要求,方可进行拼接。(2)主线桥梁采取上部构造相互连接、下部构造不连接的方式进行拼接。(3)拼接桥梁一般情况下采取同跨径、同结构在原桥左右半幅外侧分别进行加宽拼接,新老结构在平、纵、横上顺适拼接。(4)各桥梁根据实际情况选用适宜的下构形式,基础形式采用桩基础,新建的桥梁墩台尽可能与原桥桥墩台在一个横断面上。(5)拼接桥梁的搭板、伸缩缝设置原则可与原构造物一致,应依据原设计的弊病进行改进设计,新老搭板、伸缩缝须横向连接。(6)施工期间主线桥梁分幅限时分隔封闭交通,上跨主线桥梁施工时采用限高限速、封闭主线部分交通等实施方案。3桥梁加固方案的确定合宁高速公路大陇段桥梁改扩建需综合考虑纵坡拟合及原桥梁、路面的改建情况。现依据不同路段桥梁的实际情况,提出可行方案进行比较研究论证,以确定合理的改扩建方案。按原路面的类型分为2个路段,即刚性路面路段和柔性路面路段,柔性路面路段是指已将原刚性路面改造为柔性路面的路段。本次扩建工程需将此2个路段均改建为柔性路面,并将原四车道扩建为八车道。3.1原桥加固方案合宁高速公路大陇段桩号K0+860.11～K13+940路段,原路为刚性路面,该路段主线原有大桥1座,中小桥14座,跨径均为8～20m,为钢筋或预应力混凝土简支板梁结构。该路段原路面为水泥混凝土路面,路面结构为:24cm混凝土板+15cm水泥稳定碎石+20cm石灰土,原桥面刚性铺装形式为:8cm防水混凝土+7cm钢纤维混凝土。原路路面“白改黑”方案,采用碎石化方式将原路面破碎,加铺22cm沥青路面结构。对于桥梁,改扩建后新老桥面沥青铺装层厚度均应为10cm,同时需考虑适应路面标高抬高22cm的整体纵面的调整。另外,从本路段的桥面刚性铺装的实际现状及检测结果来看,经多年运营后原桥混凝土铺装层有较大程度的损害,维修或拆除重建的工程量较大。桥梁拼宽的半幅横断面示意图见图1。从图1可以看出,若原桥的桥面直接加铺22cm沥青混凝土桥面铺装,经验算原桥的上下构承载力不满足设计要求,即使加固维修满足承载力要求,不仅下构提高承载力的施工困难大、成本高、质量难以保证,而且新建拼宽部分的结构层与原桥一致拼接,显然不合理、不经济。若原桥采用叠合梁方式改造后再进行拼接,新建的桥面结构层为27cm叠合梁+10cm沥青混凝土,相对于原桥梁高而言,叠合梁的高度为原梁高的30%～90%,不仅原桥的上、下构受力难以满足要求,而且新老上构横向拼接刚度差异较大,不利于拼接的整体受力,另外工程造价较高。故不宜采用此方案。因此,桥梁的改扩建主要考虑以下3种方案:(1)方案一:原桥上构顶升由于原桥混凝土铺装层的病害及扩建工程的拼接需要,通过原桥承载力的验算(有必要时进行加固),原桥的桥面结构层可改造为10cm沥青混凝土桥面铺装+12cm钢筋混凝土现浇桥面板,新建的桥面板与原梁体顶面通过植入竖向剪力键钢筋连接。原桥的15cm混凝土铺装层拆除,原桥梁板需顶升15cm。原桥梁板顶升的同时,需对原桥进行以下部分的改造工程:原桥的维修与加固,墩台支座垫石的改造,背墙的改造,伸缩缝的拆除重建,桥台搭板的改造和加固等。(2)方案二:原桥上构拆除重建由于原桥使用年限较久,对于中小桥梁,为满足扩建拼接及纵面的要求,可将原桥上构拆除重建,与新建部分的结构层厚度一致。下构利用,对墩台支座垫石、背墙等局部结构进行适当改造,拆除重建伸缩缝,改造和加固桥台搭板。作为方案比较,对于原桥由于病害严重确需拆除重建的桥梁不在比较范围内。(3)方案三:桥后纵面渐变,原桥仅做桥面改造原桥将桥面15cm的水泥混凝土铺装拆除重建为12cm钢筋混凝土叠合板+10cm沥青桥面铺装。原桥与拼宽新建的桥面标高比整个纵面设计高程低了15cm。为适应桥后纵面,以桥梁标高控制,桥头路面设置渐变段,渐变率一般采用1‰,桥头每侧各设置约150m纵面渐变段,渐变段内需挖除老路面,主要是增加了老路面的水泥面板、基层、底基层的挖除以及路床加固、新建底基层、基层等工程量。(4)方案比较经综合比较,对于中小桥的改扩建方案,推荐采用方案一。方案比较如表1所示。(5)桥梁改扩建总体情况本路段有1座大桥(桥长613.04m),1座中桥(3孔25m的T梁),采用方案一、二造价太高,或不合理,通过验算后采用了原桥桥面直接加铺8cm沥青铺装的“白改黑”改造方案,桥头两侧纵面各设置了约80m渐变段。其余桥梁全部采用方案一,即原桥上构顶升并进行桥面改造。3.2经过加固刚性路面后的柔性路面路段(1)原桥面的“白改黑”改造方案合宁高速公路大陇段桩号K13+940～K43+500路段,主线原有特大桥2座,大桥2座,中小桥38座。原路为刚性路面改造后的柔性路面,路面“白改黑”改造方案是将原混凝土路面冲击破碎,再加铺约22cm沥青结构层。而本路段的原桥面已实施的“白改黑”改造方案有以下两种:①原桥的桥面混凝土凿除6cm后,现浇18cm厚叠合板(预埋ϕ8cmPVC管),再铺设10cm沥青混凝土桥面。相当于在原桥面上加高了22cm,桥梁与路面的纵面改造协调一致。②在原桥的混凝土桥面直接加铺6cm或10cm厚度的沥青铺装层。对原桥进行维修加固,桥后设置纵面渐变段,渐变率不大于3‰。(2)桥面结构层加固针对原桥不同的“白改黑”改造,本次改扩建工程也对应采用了不同的实施方案:①原桥通过检测、维修、加固后,直接利用进行拼宽。新建的桥面结构层为10cm现浇混凝土桥面板+10cm沥青混凝土铺装,与原桥对应拼接。②借