高速公路改扩建桥梁设计要点研究

陈骁，高晗

（1.北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100000；2.中国矿业大学（北京），北京 100000）

1 工程概况

某高速公路改扩建工程，线路全长约56 km，路段内含有桥梁两座，两座桥梁均需改建。本项目是将原有的双向4 车道改为双向8 车道，桥梁及路基宽度由原本的25 m 扩建为42 m，设计速度为60 km/h。为确保高速公路桥梁改扩建后基本性能的完善，设计方应基于既有桥梁和高速公路设计方案，明确桥梁改建设计的要点。目前，该高速公路桥梁改扩建工程已如期完工，桥梁改扩建设计方案得到有效落实。经检测，改建后的桥梁安全性能良好，符合城市高速公路桥梁相关要求。

2 桥梁设计原则

1）重视既有桥梁的勘察。设计人员应在深入研究既有桥梁设计方案的基础上进行现场记录，分析桥梁结构，计算桥梁结构稳定性，然后根据获取的数据计算桥梁改扩建设的设计参数，优化桥梁结构。

2）确定桥梁结构形式、设计标准等内容，以及路段耐久性等性能指标，在保证桥梁稳定性、载荷标准的基础上，对比改扩建桥梁和原有桥梁的结构、性能关系。通过对比、分析、评估确定桥梁的耐久性和载荷标准，在清晰、全面、系统的评估中提高桥梁的功能性，以明确桥梁改建拼宽区域的性能指标。

3）设计人员应充分参考既有桥梁的结构构造，在保证结构设计合理的基础上凸显设计特色。在此基础上，设计人员还应详细分析既有桥梁改扩建的潜在风险，并通过全面探究桥梁结构设计，加强桥梁设计勘察分析的方式，掌握既有桥梁设计概况，确保改扩建方案的可行性。

3 桥梁改扩建设计前准备

高速公路桥梁改扩建的目的是完善原高速公路桥梁的结构和基本功能，保障高速公路桥梁通行量，使其满足新时期高速公路桥梁的应用需求。因此，为提升高速公路桥梁改扩建设计方案的科学性，设计人员在桥梁改扩建设计前期，应系统地整理既有桥梁的信息资料，勘测桥梁建设区域的地质条件，然后根据设计图纸、地质环境条件，分析各桥梁结构拼接设计方案的可行性。此外，设计人员应精准测量既有桥梁的跨径组合、梁板结构尺寸、桥墩尺寸、盖梁结构尺寸、垫石高度等设计参数，同时调查分析既有桥梁的使用情况，查验桥梁有无沉降、裂缝等质量通病，以及桥梁结构的质量风险，便于设计人员有针对性地优化桥梁改扩建设计方案[1]。

4 高速公路改扩建桥梁设计要点

4.1 桥梁单双侧便道改扩建设计

高速公路改扩建工程中，设计人员在改扩建桥梁单双侧便道时，应按照既有桥梁的实际情况，提前调研桥梁所处区域的公路结构物、地形条件、交通流量，随后根据桥梁改扩建后的设计值，计算桥梁路基宽度设计的合理范围，确定单侧、双侧便道设计方式，及其具体的宽度设计值。

上述桥梁改扩建工程中，设计速度为60 km/h，桥梁路基宽度设计为42 m，既有桥梁路基宽度为25 m，改造桥梁单侧和双侧便道时，设计人员应按照二者的差值，分别计算改造时桥梁单双侧便道的加宽。比如，桥梁路基宽度更改为42 m 时，桥梁路基共加宽17 m，若采用单侧便道加宽方式，可按照桥梁周围的空间分布情况，在单侧增加17 m；若设计人员同时将桥梁两侧便道加宽，每侧便道加宽8.5 m 即可。但是在设计单侧桥梁便道时，设计人员还应合理控制便道、桥梁边线距离，保障桥梁改扩建后车辆通行的安全性；设计双侧桥梁便道时，设计人员还应结合原有的双向4 车道，分析改扩建后桥梁与高速公路车道衔接部位的合理性，便道结构设计应符合车辆导入要求。

4.2 桥梁拓宽改建设计

4.2.1 桥梁拓宽基础设计

桥梁拓宽改建设计时，设计人员应在正式设计桥梁拓宽方案时，调查桥梁水文条件、周围排洪工程、灌溉设施、航道规划等，计算既有桥梁的标高，然后在不扰动既有桥梁基础结构的前提下，设计新建桥梁的基础结构。设计过程中应重点设计新旧桥梁拼接区域的结构，避免因设计缺陷引起新旧部分衔接问题。对新旧桥梁纵向接缝处理制订方案时，设计人员应考虑高速公路桥梁改建后的车辆荷载值、桥梁要达到的承载力，严格控制接缝两侧部分的高差。另外，新建桥梁结构的设计荷载应高于既有桥梁，并且符合既有桥梁的设计规范。

桥梁拓宽改建时，主线桥梁改建设计方法通常为桥梁下部结构不连接，上部结构相互连接的方式，桥梁结构拼接过程中可从既有桥梁一侧或两侧分别进行加宽。但是为了保障桥梁拓宽改建后的稳定性，设计人员还应结合实际情况，设计拓宽部位的桥梁下部结构。一般情况下，双向6 车道的桥梁下部结构可设计为独柱式墩；双向8 车道的桥梁下部结构可设计为双柱式墩。但在设计双柱式墩时，设计人员应基于既有桥梁结构设计、荷载设计，综合考虑桥梁墩柱弯曲变形、非线性剪切变形、纵筋黏结滑移等问题，确定最佳设计参数。

4.2.2 桥梁拓宽结构设计

高速公路改扩建桥梁设计中，不同的桥梁结构的拓宽改建设计存在较大的差异。目前，桥梁建设领域中常见桥梁结构包括空心板桥梁、箱梁、T 形组合梁桥等。

1）拓宽改建空心板梁桥时，新旧桥梁的拼接缝为主要设计内容。一般情况下，设计人员可根据空心板桥梁的特点，分析其拓宽时的拼接难点，然后将桥梁拓宽结构以铰接缝、刚性连接缝、部分刚性连接缝的方式进行连接。（1）采用铰接缝连接空心板桥梁结构时，设计人员应将相邻梁体处的旧桥悬臂板去除，并设计可代替该结构的结构，用于连接新旧桥梁结构，使其在后期能够顺利形成铰接缝。（2）应用部分刚性连接缝对新旧桥梁进行连接时，设计人员需结合现有的设计方案，确定高速公路桥梁的各项性能指标，准确分析构件连接效果与湿接头刚性连接之间的关系。（3）设计人员可提前在既有桥梁、拓宽桥梁结构的中间设计宽度为25~70 cm，厚度为15 cm的纵向湿接头[2]。（4）将既有桥梁结构中带有悬臂的边板凿除，预留可安装螺栓的桥梁结构，然后设置横向钢筋、钢板，使该结构能够从外侧与既有桥梁结构相互连接。（5）为确保新旧桥梁结构中空心板间的连接效果，设计人员还应在新、旧空心板桥梁结构上设计现浇混凝土结构，同时在桥梁结构上横向50 cm 宽度范围内设置钢筋网。（6）设计人员可在新旧桥梁结构上直接设计横向的桥梁结构，重新设计连接桥梁结构的桥面板，并将其与横向桥梁结构相互连接，借此拓宽既有桥梁，使新旧桥梁顺利连接。

2）拓宽改建T 形梁结构时，新旧桥梁连接需要借助横隔板。设计人员可通过两种形式设计T 形梁结构的拓宽改建方案：（1）设计人员可结合T 形组合桥梁结构设计方案，确定新旧桥梁改建时的连接需求，然后在拓宽桥梁结构中增设横隔板，使新旧桥梁结构的横隔板相互连接。（2）在新建桥梁结构中增设翼缘板、横隔板，连接新旧桥梁后拓宽高速公路T 形梁。相较于其他桥梁结构，T 形梁结构具有后期桥梁结构整体性及安全性能好等优势。

3）连续箱梁桥拓宽设计中，主要拓宽设计形式可分为3 种：（1）根据既有桥梁的位置，确定拓宽区域，然后在新旧桥梁结构衔接处设计纵向缝，纵向缝可使用沥青混合料填充，或将其设计为钢板包边的缝隙，但是为预防桥梁拓宽改建时出现啃边、扰度差等问题，设计人员应重点优化纵向伸缩缝的结构设计。（2）设计人员可采用铰接的形式，即在高速公路桥梁拓宽改造时，将新旧桥梁结构的连接方式设计为柔性铰连接半刚性铰连接。（3）为在桥梁拓宽设计中保障新旧桥梁结构的整体性，设计人员应重视新旧桥梁结构的变形差异，全面分析既有桥梁结构、拓宽后桥梁结构的局部受力情况和整体受力情况。然后在设计桥梁拓宽结构时，采用可一次性连接的桥梁结构。

4.3 桥梁改扩建拼接设计

确定高速公路桥梁拼接方式时，设计人员需要反复通过试验、研究报告分析桥梁拼宽的设计要点和建设需求，制订完善的桥梁改扩建拼接设计方案。高速公路桥梁改扩建设计过程中，桥梁改扩建拼接设计的主体包括混凝土连续箱梁结构、桥梁涵洞、预应力混凝土空心板结构、桥梁通道设计等。拼接设计桥梁结构、桥梁涵洞时，设计人员应坚持同结构、同跨径、上联下不联的设计原则。

具体来说，桥梁改扩建拼接设计要点主要包括：（1）拼接空心板桥梁结构、板式桥梁通道时，设计人员应在新建桥梁结构的翼缘处设计钢筋结构，并将其和旧桥结构焊接。对于连续箱梁桥结构的拼接方式，可采用混凝土弱刚性连接。（2）拼接加宽管涵时，设计人员可直接将桥梁结构中的管涵、箱涵接长，同时加强拼接区域的防水设计。拼接板涵、箱涵、箱式通道时，设计人员应按照涵接涵、箱接箱的设计思路，在板涵、箱涵、箱式通道接口设计宽度为2 cm 的沉降缝。（3）正式拼接桥梁结构时，设计人员应计算既有桥梁结构的高程、坐标，复核改建桥梁设计图纸中的标高、结构位置，然后通过平面控制计算桥梁结构拼接时的纵向误差、横向误差，确定各关键节点的设计值、设计参数，以及桥梁结构的分布情况[3]。

此外，为使桥梁改扩建设计后的平面偏差符合预期要求，设计人员还应根据相关设计规范，计算桥梁结构拼接时的桩位、柱位及盖梁中心线的设计值，同时控制桥梁结构高程，确定拼接缝混凝土断面尺寸、新建桥面混凝土层设计厚度等设计参数，保障各项设计值符合桥梁工程改扩建设计要求。设计人员可按照既有桥梁的设计图纸，计算新拼桥梁结构的桩位，并结合既有旧桥墩台结构设计、盖梁边线设计，直接延长部分桥梁结构，将其与新建桥梁结构相互连接。

5 结语

综上所述，为在城市化进程中，通过改扩建高速公路桥梁的方式完善城市交通运输体系，相关人员应依据现阶段高速公路既有桥梁的设计方案，确定桥梁改建后的结构形式，明确桥梁结构拆除、改造时的设计要点。在此过程中，设计人员应结合桥梁改扩建后的性能要求，以及城市桥梁工程建设的相关标准，实事求是地优化桥梁改扩建设计，强化改建后桥梁结构的整体性能，为我国交通运输行业的健康、稳定发展创造有利条件。