“分”与“合”的妙用——高速公路改扩建工程桥梁拼宽改造关键技术

随着社会经济的快速发展和城市化水平的深入推进，交通流量持续攀升，人民群众对美好出行的向往也在日益增长，但国内诸多早期建设的高速公路已无法满足当前的交通流量需求，面临通行效率降低、服务水平下降等诸多挑战，亟需实施扩容改造。以山东省为例，自“十三五”以来，截至2024年末已累计完成1000km公里高速公路的改扩建，预计“十四五”末将实现约1600km的高速公路改造与扩建工作。从远期规划，该省改扩建工程规模将突破2500km，双向6车道以上占比达到50%以上。

在高速公路改扩建过程中，桥梁的改造与扩建具有极其重要的地位。既有桥梁的处治及拼宽方案选择，对工程造价、交通组织、品质提升等各方面均产生重要影响。如何深入贯彻落实创新、绿色等新发展理念，打造平安百年品质工程，成为一项亟待攻关的现实命题和重要课题。

《公路工程技术标准》规定，拼接加宽利用的原有桥涵其极限承载能力应满足或采取加固措施后满足现行标准要求。桥梁改扩建面临如何评定原有桥梁承载力及如何利用的问题，综合平衡旧桥的功能提升与保护利用。桥梁拼接设计中，对原桥梁、拼接部位、拼接后桥梁整体进行结构分析和验算是一项至关重要的任务。既要采用老标准，对原桥梁进行评价，还须参考现行荷载标准对承载能力极限状态进行计算，若不满足应进行加固处理。

混凝土结构的收缩、徐变是其固有特性，尤其是对于超静定结构以及刚度较大的结构，其不利影响更为显著，在设计过程中需重点关注。服役多年的旧桥收缩徐变已经基本完成，而拼宽的新桥收缩徐变才刚刚开始，两者横向连接后，收缩徐变会引发变形不协调，产生附加内力，进而影响新、老桥的受力状态。

基础变位是永久作用,对承载能力极限状态及正常使用极限状态均有影响,尤其在多跨一联及刚度较大的超静定结构中影响显著。新老桥横向连接后，不仅存在纵向沉降差，还可能产生横向沉降差，需在设计中予以充分考虑。

改扩建项目中，中小跨径桥梁占比超过80%，但按照新公路工程技术标准》，大部分空心板梁承载力无法满足现行要求。而直接拆除重建不仅造价高昂，还会造成巨大资源浪费。为有效解决这一难题，需要对空心板极限状态承载力评价及改造方案进行深入研究。

依托课题《既有高速公路空心板桥的极限状态承载力评价及改造方案研究》，开展旧空心板梁抗剪承载力理论分析与试验研究，进一步修正模型、提出对策。通过理论推导、数据分析，结合数值模拟手段，研究了空心板梁抗剪承载力现行规范计算方法存在的不足，并结合不同跨径预应力混凝土空心板梁足尺抗剪承载力试验，对原方法加以修正。对比现行规范、数值模拟与试验实测结果的差异，修正数值模型并开展大范围参数分析，最终优化了空心板梁抗剪承载力计算公式，为旧桥改造提供科学依据。

利用ABAQUS计算软件分别对10m、13m、16m、20m跨径的空心板抗剪承载力进行研究，分析了剪应力在弹性阶段、开裂阶段和破坏阶段的截面分布规律。

通过现场试验，对表2中4种跨径的12片空心板进行了现场抗剪试验，系统研究了不同跨径空心板在实际工况下的抗剪性能和破坏特征。

图1 加载装置

结合数值模拟及足尺试验结果，对10m、13m、16m和20m跨径的预应力混凝土空心板采用15cm现浇层加固后，其抗剪承载力满足规范要求，可充分利用现有空心板。通过最大限度利用，既减少了资源浪费，又降低了工程造价，并为类似工程提供了经验借鉴。相关研究成果已在京沪、京台等改扩建项目进行了规模化应用，节约投资近5亿元，取得良好的经济和社会效益。

为避免拆除技术状况良好的桥梁，针对部分纵断抬高的路段，采用桥梁整体顶升方案，开展了多跨桥梁动态协同顶升关键技术等相关研究。重点围绕大坡度旋转调坡顶升的受力分析、施工设备研发、顶升过程控制及标准化工艺流程，从顶升前受力状态分析、标准化施工设备研发及应用、顶升过程中自动化监测与控制三个方面，采取理论分析与室内外试验相结合的方法，系统研究了桥梁调坡同步顶升关键技术。通过选用盖梁接高、断柱接高等多种顶升工艺，实现了桥梁整体顶升，最大限度利用了旧桥的梁板，同时开发了国内领先的成套PLC同步顶升设备，实现高效、安全、精准的顶升施工。相关成果已在京台高速济泰段等项目大规模应用，既节省了投资，又缩短了工期。

图2 既有桥梁断柱顶升

图3 预应力盖梁顶升

针对水下墩柱、桩基破损锈蚀问题，研发出水下玻纤套筒加固技术。该技术施工便捷、耐久性好，可有效解决水下结构修复难题。在此基础上，参与团体标准《玻纤套筒水下桥梁桩基加固应用技术规程》制定，旨在为涉水桥梁墩柱、桩基防护提供有力的技术保障。

图4 水上安装玻纤套筒

针对部分桥梁抗弯承载力不足的问题，研发了碳纤维张拉加固技术。该技术不仅提供了一种兼具加固和同步监测的施工工艺，还显著提升了桥梁加固体系的可靠性与可监测性，已在改扩建工程中成功应用。

图5 碳纤维加固工艺流程图

图6 预应力CFRP板材加固

拼宽桥梁宜采用与老桥相同的结构和跨径，以实现新、老桥梁受力状态和结构刚度的一致性。同时，桥梁拼宽设计应尽量降低新老桥梁之间的基础沉降差、结构变形差以及混凝土龄期差引起的附加内力。当条件受限无法满足上述原则时，应采用特殊设计及施工工艺。以下是几种主要拼宽形式优缺点分析：

1．上、下部结构均连接

拼宽部分的桥梁上部结构板梁和下部结构盖梁与老桥对应部位，通过植筋和浇筑湿接缝方式连接，形成整体共同受力。该方案整体性好，连接处变形小，但易产生较大的附加内力，导致连接部位产生裂缝病害，同时上、下部结构均需植筋，施工难度大、周期长、造价高。

2.上、下部结构均不连接（分离式加宽）

拼宽部分的桥梁上、下部结构均未与老桥相互干扰，仅在新老桥面连接处设置纵向错缝，采用沥青铺装实现桥面连续。该方案优点是新桥施工方便、造价低，对原有交通影响小，上、下部结构各自受力，避免出现基础沉降差导致的附加内力。缺点是不同步变形将会造成连接部铺装破坏，形成纵向裂缝，过大的沉降差还会对行车产生安全隐患。

3.上部结构连接、下部结构不连接

拼宽部分的桥梁上部结构板梁与老桥通过植筋和浇筑湿接缝连接，形成整体共同受力；下部结构则独立承担荷载，与老桥下部结构不互相干扰。该方案优点是上部结构整体性好，利于行车舒适与安全，下部结构独立受载。缺点为基础的不均匀沉降易在上部结构连接处产生附加内力，导致裂缝病害。

综合结构受力、行车安全、施工便捷性、实施周期以及经济合理性等方面考虑，第3种形式（上部结构连接、下部结构不连接）在桥梁拼宽设计优势明显，可通过加强基础设计等方式避免桥面裂缝病害，是国内高速公路桥梁改扩建主要采用的拼宽方式。

采用“上部结构连接、下部结构不连接”的拼接方案，针对空心板、T梁等不同结构进行常规桥梁拼宽。通过低收缩混凝土和延迟湿接缝浇筑等措施，有效降低不均匀沉降和收缩徐变对接缝的不利影响，实现“更安全、更经济、更耐久”的改造效果，根据已建成通车的拼宽桥梁使用情况，新老桥拼接处未出现裂缝等病害。

图7 不同结构桥梁拼接方案

对于一些特殊桥梁，拼宽时需错孔布置，新老桥拼接面临诸多现实问题。如上部直接连接，变形不协调会引起开裂；若采用上部不连、设置纵缝方案，纵缝两侧变形差异将带来行车安全隐患。针对上述问题，研发了UHPC-钢板组合接缝工艺。该工艺仅通过桥面铺装形成半刚性连接，避免了因变形不协调导致的开裂和行车安全隐患，最大程度地实现了既有桥梁结构的再利用，保障了新旧桥梁的协同工作，同时避免了常规纵向伸缩缝设置对运营的不利影响。

图8 UHPC新旧桥梁拼宽改造技术示意图

图9 错孔布置

图10 常规设置纵缝拼接

在部分受河道、自然保护地、拆迁等条件限制的改扩建项目中，采用常规拼宽方式代价较大。因此，结合项目实际条件，引入桩板式结构用于拼宽施工。通过桩板结构与老路路基或挡墙搭接,有效地解决了高挡墙、临水及地形陡峭路段的拼宽难题,同时减少了占地，并缩短了工期。

图11 桩板式结构施工

与一般的桥梁拼宽相比，特大桥改扩建主要面临以下四个问题：

（1）大型桥梁结构复杂，不具备结构双侧拼宽条件；

（2）河道防洪要求更高，布设桥跨时需特殊考虑；

（3）施工期间，对既有桥梁及交通存在干扰；

（4）水利部门对新老桥并桥建设的间距要求严格。

以京台高速齐河至济南改扩建项目黄河特大桥为例，介绍特大桥扩建采用的一些关键技术。

京台高速齐济段为全国首条超多车道高速公路改扩建项目，且跨越黄河、穿越济南城区，建设条件复杂。作为关键工程，黄河特大桥老桥主跨210m，按照黄委防洪相关要求，统筹考虑造价、线型、景观等因素，采用新建桥塔位置与老桥次中墩对齐，主跨为530m，在老桥下游（60m）方向并桥建设。

图12 黄河特大桥效果图

在桥型选择上，该桥综合考虑了黄河下游河道的地质条件、结构刚度、跨越能力以及景观效果，最终确定采用双塔双索面、高低塔（两塔高差49m）钢箱梁斜拉桥，满足了结构功能需求。

为实现景观效果的美观与协调，主桥桥塔基于“鱼跃龙门”主题设计，引桥则采用门型墩，前后呼应，提升了大桥的景观完整性。为降低施工对既有高速的影响，桥塔则选用钢壳-混凝土混合结构，有效提高了施工效率和质量，同时降低了桥塔施工对既有临近高速的通行安全风险。为满足超多车道的交通需求，引桥采用小角度交叉、双层高速公路立体设计，是国内首次以小角度高架桥形式实现单向车流两次跨越既有道路，既节省了建设用地，又减少了对交通的干扰。

图13 小角度交叉跨越既有道路

为降低上层高速施工对下层老路通行的影响，采用了大跨度（46m）门架式钢盖梁+钢混组合梁的结构形式，对钢混组合梁使用整联横向滑移的施工方式，基本实现了上层施工未对下层公路通行产生影响，为高速公路改扩建项目提供了全新思路。

为提升耐久性，在材料选择上遵循全寿命周期成本理念，大规模采用免涂装耐候钢，有效解决了运营期涂装维护对交通的影响，与普通钢桥相比，其全寿命建造成本降低约30%。在施工工艺上，利用预制拼装技术，仅用36h完成8榀钢盖梁的整体吊装，大幅缩短了道路封闭时间，显著提高了施工效率。同时，运用整联横向顶推施工工艺，通过墩旁支架总拼后借助滑道梁横向滑移，无需中断交通，保障了既有道路的通行。

通过上述技术应用，该黄河特大桥实现了多项创新：国内首次在改扩建项目应用钢壳-混凝土桥塔；首次以小角度高架桥形式跨越既有高速；首次在改扩建项目中实现黄河特大桥并桥建设；大规模应用免涂装耐候钢。这些创新为高速公路改扩建工程提供了新的技术思路和示范经验。

本文详细分析了改扩建项目中桥梁拼宽的特点与难点，归纳了常规桥梁上下部结构拼接方案的优缺点及结构形式选取原则。以工程实例为载体，深入介绍了拼宽桥梁设计思路及原则在实际工程中的应用。其中，上部结构连接、下部结构不连接的拼宽方案在高速公路改扩建中具有显著优势，目前在国内得到广泛应用。对于地质条件良好、施工条件有限或造价受限的桥梁，也可根据具体情况选择其他方案。此外，通过预应力碳纤维板加固、桥梁顶升、UHPC应用等技术措施，充分利用既有桥梁，实现了既有道路资源利用最大化，充分贯彻了“安全、耐久、降本、低碳”的建设理念。