立交改扩建工程中桥梁改造技术的探索

陆峰

常州市市政工程设计研究院有限公司

摘 要：桥梁改造是城市快速路互通立交改扩建工程中的重点、难点问题。以常州市龙江路—长虹路立交改扩建工程为例，在桥梁改造设计中采用多项技术手段，例如对弧形箱梁拓宽改造进行多方案技术比选，得出最优结构方案；新老桥面纵向结构缝采用无缝伸缩缝；运用可视化设计手段等。上述技术手段在本工程中均得到成功应用，可为类似城市快速路互通立交改扩建工程中的桥梁改造设计提供参考。

关键词：立交改扩建工程;桥梁改造;无缝伸缩缝;可视化设计;

0引 言

城市快速路互通式立交改扩建工程中，桥梁面积占比较大，而且结构复杂(弯桥多，异形段多)、工程规模较大，往往成为立交改扩建工程的技术关键环节及控制性节点工程。桥梁改扩建方案的合理性、科学性，在很大程度上决定了整个立交改扩建工程的成败。与常规新建桥梁设计不同，立交桥梁改扩建工程必须考虑施工阶段及运营阶段既有部分、拓宽部分结构的相互影响作用。设计阶段必须使用合理的结构构造和可行的施工方案，才能确保桥梁改扩建后的结构安全性、行车舒适性及工程耐久性。常州市龙江路—长虹路立交改扩建工程中，桥梁上部结构为弧形箱梁结构，与常规带悬臂箱梁不同，其拓宽方式的选择，对本工程来说是一项技术难题。

1工程概况

龙江路—长虹路立交位于常州市高架快速路环线的西南角，2008年建成通车，立交节点向西、向南均规划为主干路，高架主线按接入地面主干路考虑，东北方向采用环向主线连接，同时设置了西向北的苜蓿叶匝道，其余流向通过菱形匝道及地面道路转换，因此该立交是一座部分互通B类立交。随着武进区大力发展西太湖及金坛市的撤市建区，常州城市空间结构发生了巨大的变化，龙江路—长虹路立交四个方向全部成为快速路，现状部分互通匝道的缺失及现有匝道交通功能的不足，使其难以承担枢纽型互通立交的交通功能，成为快速路网中的瓶颈，快速路交通不能实现快速转向，无法满足交通发展的需求，将本立交改造为枢纽型全互通立交是非常必要和迫切的。

本项目将龙江路—长虹路立交由部分互通立交改扩建为全互通立交。共计新建5条互通匝道，改建1条互通匝道。立交改扩建工程西起长虹西路新武宜运河桥西侧30 m, 东至长虹路老武宜运河桥东侧260 m, 全长1.88 km; 龙江路南北均至临近立交的菱形匝道与高架主线相接处，全长1.31 km。建设内容包括高架桥梁工程、地面桥梁工程、地面道路工程、管线工程、照明工程、交通设施及交通监控工程、绿化工程等。

桥梁工程主要包括新建或改建匝道桥梁(SW、WS、WN、ES、NW、SE六条匝道)及主线拼宽(NP、SP两条拼宽段)。

SW匝道高架桥梁长1 194.12 m, 范围为SW K0+000～SW K1+194.12;

WS匝道高架桥梁长666.856 m, 范围为WS K0+137.11～WS K0+803.966;

WN匝道高架桥梁长1 525.029 m, 范围为WN K0+199.052～WN K1+714.081;

ES匝道高架桥梁长899.786 m, 范围为ES K0+086.802～ES K0+986.588;

NW匝道高架桥梁长542.665 m, 范围为NW K0+000～NW K0+542.665;

SE匝道高架桥梁长198.086 m, 范围为SE K0+075.897～SE K0+273.983;

NP(北侧主线拼宽段)高架桥梁长263.406 m;

SP(南侧主线拼宽段)高架桥梁长766.164 m。

2桥梁改造技术难点及相应对策

本工程桥梁拓宽主要涉及上部结构的拓宽及下部结构改造方案的选择。

2.1 上部结构拓宽方案的选择

本工程桥梁拓宽段主要集中在长虹西路高架主线两侧，即NP(北侧主线拼宽段)高架桥梁、SP(南侧主线拼宽段)高架桥梁。

现状高架主线桥跨布置结合现有地面道路及快速路系统总体布置、相交道路、现有道路管线情况，并考虑道路远、近期规划，桥梁跨径采用30～40 m等跨或不等跨布置，2～4孔一联。结构形式为等高预应力混凝土连续箱梁。上部箱梁采用整体式弧形断面，根据每联桥梁宽度不同，弧形断面分单箱5～8室不等；箱梁采用C50混凝土现浇，施工采用一次落架成形；该断面在外侧以三段圆弧相连，中间范围为直线段，以适应加宽段结构的变化，保持箱梁外形的连续性。箱梁中心梁高为2.208 m, 横断面端部梁高均为0.413 m; 顶板厚22 cm, 底板厚度自跨中至连续墩从22 cm渐变为40 cm, 腹板宽自跨中至连续墩及梁端支座处从40 cm 渐变为70～80 cm, 箱梁折角处承托顶板取100 cm×30 cm, 底板除最外一个承托取80 cm×30 cm外，其余均取50 cm×40 cm。箱梁支座处设置横梁，端横梁宽均取1.2～1.4 m; 中横梁宽取2.5～3.0 m(见图1)。

图1 现状主线标准断面(单位:cm) 下载原图

从以往的研究成果和设计经验来说，在此类桥梁改扩建项目中，由于技术制约改造区域一般考虑拆除重建，这样的方法既增加大量投资，又需完全封闭交通，增加较长的工期。因此，充分利用现有桥梁结构，通过拓宽改造提高其通行能力，是本工程面临的一个重要课题，尤其是弧形梁断面，从构造到结构受力模式，都与带悬臂箱梁有较大区别，拓宽方式的选择更为困难。根据本工程桥梁的跨径组合、断面形式、结构受力特性进行分析，拟采用两种上部结构拓宽形式加以比选。

(1)上部结构横向刚性连接。

桥梁拓宽工程需考虑大量外界因素，同时为了使新建拓宽桥梁的部分能与原有的部分成为完整的整体，工程上采用浇筑湿接缝、横向植筋等方案[1]。本工程拼宽部分仍采用弧形梁断面，与主线桥梁同跨径、同结构形式进行单侧拓宽。原上部结构翼缘处拆除防撞墙并横向植筋，与拓宽箱梁对应翼缘处钢筋绑扎，现浇混凝土连接。原上部结构横梁处横向植筋，并设置外露横梁，与拓宽箱梁对应横梁钢筋绑扎，现浇混凝土连接(见图2)。

图2 上部结构横向刚性连接示意图(单位:cm) 下载原图

这种拼接施工方式的主要优势就是整体性能比较高，原上部结构与拓宽箱梁纵横向均形成整体刚度，结构整体性好，桥面连续无拼接缝，运营阶段行车舒适性非常高。

但是，经过项目组详细分析，并采用桥梁有限元程序进行计算模拟，发现该方案同样缺点明显，且实际可操作性较差。

经计算分析，拓宽后整体结构刚度，力学性能较好，但对原结构附加荷载，附加应力无法清晰分析，结构受力不明确。

新旧桥梁存在不均匀沉降，且新建混凝土梁的收缩及徐变效应对结构受力较为不利[2]。

原结构箱梁为双向预应力结构，桥面板横向预应力束锚固点设置在翼缘处，间距50 cm, 在翼缘处植筋极易损伤锚头，可操作性差。

结构横梁均为预应力结构，设双支座或三支座，若横梁连接，将完全改变横梁受力模型，导致支座反力和横梁内力重分配，原横梁验算无法通过，甚至影响下部桩长验算。

原结构横梁预应力锚固点均在侧面圆弧面处，在此处植筋极易损伤锚头，可操作性差。

(2)上部结构不连接。

拼宽部分仍采用弧形梁断面，与主线桥梁同跨径、同结构形式进行单侧拓宽。

拓宽结构采用独立箱梁，加宽部分与原桥上部结构、下部结构不连接[3];原上部结构仅在翼缘处拆除防撞墙，两幅桥面间设置变形缝构造(见图3)。

图3 上部结构不连接示意图(单位:cm) 下载原图

该方案的优点是新、旧桥各自受力明确、互不影响，简化了施工程序[4],并完全保留了原设计所有受力特性。

该方案的缺点是两幅桥梁结构完全脱开，中间设置通长纵向结构缝，结构缝处理不好，将影响运营期行车舒适性及路面外观(纵向结构缝构造的选择将在后续章节详述)。

(3)方案比选及结论(见表1)。

表1 拓宽方案比选 导出到EXCEL

比选

方案一上部结构横向刚性连接

方案二上部结构不连接

受力特性

改变原上部结构箱梁受力特性，且整体受力模式不明确

不改变原上部结构受力提特性，两幅桥梁受力特性明确

可操作性

需对原上部结构箱梁进行较多植筋操作，对预应力钢束及锚头有较大损伤风险，可操作性差

拓宽结构箱梁采用单独支架现浇施工，对原上部结构基本无影响，可操作性强

经济性

改造工作量大，结构单价相对较高

结构单价相对较低

工期

改造工作量大，工期长

工期较短

行车舒适性

形成整体结构，行车舒适性好

有通长纵向结构缝存在，对行车有一定影响，但可通过改良的结构缝构造改善

后期维护

常规维护

对变形缝结构定期重点巡查维护

结论

通过上述详细比选，本工程上部结构拓宽选择上部结构不连接的方案，工程建成经验收及运营检验，该方案对弧形箱梁拓宽较为适用。

2.2 下部结构改造方案的选择

本工程新建、拓宽桥梁大部分下部结构均为新建结构，但有3处为原菱形匝道改建为互通匝道。考虑到工程经济性，在项目前期，对改建匝道原下部结构是否可部分利用进行了详细的方案研究。

原下部结构立柱采用Y形分叉立柱，顶部向外弧线加宽。立柱底部矩形断面尺寸1.8×1.5/1.75 m, 立柱顶部横向宽度分两种，为3.186 m和3.6 m, 对应柱顶支座中心间距2 m和2.4 m。基础均采用承台接钻孔灌注桩，承台为钢筋混凝土结构，平面尺寸按桩的布置形式而定，钻孔灌注桩直径有Φ0.8 m、Φ1.0 m、Φ1.2 m 3种。

经计算分析，最终分两大类解决下部结构利用问题。

(1)验算桩长承载力满足要求，则保留桩基、承台及立柱直线段，拆除立柱弧形段部分，接长立柱至新设计梁底标高。

(2)验算桩长承载力不满足要求，则仅保留桩基，承台及立柱均拆除，按照桩基承载力计算增加同直径灌注桩，重新设置承台及立柱。

本工程共计部分利用并改建下部结构二十余处，不仅实现了较好的经济效益，而且完全满足工程技术要求，取得了较好的效果。

3拼宽桥梁纵向结构缝的处理

由于采用上部结构不连接的桥梁拼宽方式，原结构箱梁与拓宽结构箱梁之间必然存在一条纵向结构缝，本工程NP(北侧主线拼宽段)纵向结构缝长263.406 m; SP(南侧主线拼宽段)纵向结构缝长766.164 m。纵向结构缝的处理方式是否合理、将对运行后的行车舒适性、结构耐久性起到决定性作用。

按照传统设计方法，对纵向结构缝有两种常规处理方式。

图4 通长设置纵向伸缩缝(单位:cm) 下载原图

方法一：在纵向结构缝位置设置通长型钢伸缩缝(见图4),一般采用GQF系列单缝型钢伸缩缝，两侧设置各50 cm钢筋混凝土锚固带。这种做法工艺成熟，结构可靠。但同时带来的弊病非常多，通长型钢伸缩缝与行车轨迹线交叉，而且平面线形为曲线，导致道路实际横坡很难与理论横坡吻合，会带来较差的行车舒适性，严重时会发生跳车现象；同时，伸缩缝橡胶密封条易老化破裂，雨水或路面冲洗污水会不受控散落到下方地面道路上，造成污染及影响地面道路车辆行车安全；型钢伸缩缝两侧混凝土锚固带长达上千米，造成路面景观较差。

方法二：纵缝位置连续摊铺沥青混凝土面层，然后在上面层对应纵向结构缝处刻缝。这种做法操作简单，路面不需特别处理。但是也有比较大的弊病，普通沥青混凝土路面跨结构缝，沥青混凝土延性、变性能力较弱，长时间运营必将造成沥青混泥土路面不规则开裂，严重时会形成较大贯穿裂缝，严重影响行车舒适性，同时雨水及路面冲洗污水将顺裂缝不可控流入，破坏沥青混凝土下面层、桥面防水层，并散落到下方地面道路上，造成污染及影响地面道路车辆行车安全。

综上所述，上述两种传统方法都存在比较突出、无法解决的弊病，运用在本工程上并不适合。项目组开阔思路，调研国内外一些类似工程实例，最终，参考常州市龙城大道隧道工程与港珠澳大桥沉管隧道工程均运用到的BJ200无缝伸缩缝系统，解决这一工程难题。

常州市龙城大道隧道建成于2013年底，原设计在隧道结构缝处混凝土面层上设置剪切钢板网，然后上面连续铺设沥青混凝土路面，运营后较短时间内出现破坏，路面出现不规则开裂。后于2015年采用BJ200无缝伸缩缝系统修补，修补后效果非常好，运营至今无明显破坏现象。

港珠澳大桥沉管隧道于2017年进入路面结构施工阶段，原设计在隧道结构缝处采用型钢伸缩缝，后经路面结构缝细化方案，修改设计，采用BJ200无缝伸缩缝系统。该项目建成后，沉管隧道路面运营状况良好。

综合工程实例及本工程特点，确定在本工程桥梁拼宽纵向结构缝路面处采用通长BJ200无缝伸缩缝系统可行(见图5)。

图5 BJ200无缝伸缩缝示意图 下载原图

该系统材料性能参数见表2。

该材料具有延性大，热稳定性高，与沥青面层粘结强度高等特点。本工程在施工时，施工流程如下所示。

(1)整体摊铺沥青混凝土上下面层；

(2)以新老桥面纵向结构缝为中心切出30 cm宽槽口；

表2 高分子聚合物改性沥青性能参数 导出到EXCEL

性能指标

数据

测试方法

参照标准

产品类型

高分子聚合体材料

软化点/℃

≥95

JTG E20—2011 T0606

ASTM D-36

针入度/dmm

10～30

JTG E20—2011 T0604

EN13880

(100 g, 25 ℃)

≤90

JTG E20—2011 T0604

ASTM D-3407

回弹性(弹性恢复)/%

40～70

JTG E20—2011 T0662

ASTM D-6084

粘合强度/MPa

≥0.25

参照CJJ 139—2010附录B B.0.2条

施工温度(现场拌和)/℃

185～200

最大安全加热温度/℃

216

最大安全加热时间/h

≤7

(3)在槽内放置下钢板，并涂刷界面剂；

(4)在槽内灌入BJ200混合料并压实；

(5)表面涂刷封层，完工。

自2018年本工程竣工通车以来，BJ200无缝伸缩缝系统表现稳定，运营至今无明显破坏现象，充分说明这项技术可以广泛应用到桥梁改造工程中。

4BIM技术在桥梁改造中的应用

本工程涉及道路、桥梁、结构、给排水、智能交通、照明等专业，专业集成度较高，采用传统的二维设计方法，有可能难以对专业内部、专业之间进行可靠的碰撞分析，造成疏漏。在本工程中，首次采用了基于BIM的协同设计，特别是在新老桥拼宽设计中，需要通过BIM技术对技术方案以及施工过程进行统筹分析[5];对于工程中线条变化复杂的异形梁段，借助BIM对其建立精细化可视化模型，并与二维图纸进行校对，在设计中效率大幅提高，同时可确保桥梁竣工时的实物外观与图纸模型完全一致。

5结 论

龙江路—长虹路立交改扩建工程作为常州市快速环线的重大节点工程，其顺利实施意义重大。而桥梁改造工程作为本工程的控制性环节，在设计阶段通过科学地选择弧形箱梁拼宽结构形式、无缝伸缩缝应用、BIM可视化设计辅助等一系列创新手段，确保本工程于2018年初顺利竣工。竣工通车3年来，运营状态良好，充分说明本工程中积累的一些经验和技术措施，可供类似桥梁改扩建工程参考。

参考文献

[1] 罗超.桥梁拓宽改建设计方案探讨[J].企业科技与发展，2021(2):89-90,93.

[2] 何科.城市桥梁拓宽方案综述[J].市政技术，2014(4):89-91.

[3] 魏锋，高香龙，侯旭.互通立交区匝道拓宽改造技术探讨[J].城市建设理论研究(电子版),2014(25):1992-1994.

[4] 李峥.浅谈某改建工程的桥梁拼宽设计[J].城市建设理论研究(电子版),2015,5(12):6674-6676.

[5] 曾海，刘丽.公路桥梁拓宽改建设计分析[J].运输经理世界，2020(14):45-46.