新旧结构传力巧“牵手”——大跨桥梁拼宽技术

随着人民生活水平的提高和汽车产业发展的日新月异，一些早期建成的公路交通量日渐饱和，行车拥堵、服务能力下降，极大地制约了物畅其流、增加了行车能源消耗，急需通过改扩建提高通行能力。状况较好的桥梁进行拼宽，可有效节约资源、减少碳排放，是符合新发展理念的改扩建方案。既有桥梁，特别是刚构桥、斜拉桥等大跨桥梁是改扩建中的重难点，极具挑战性。另外，超高性能混凝土（UHPC）、新型无黏预应力筋等轻质高强“新材料”、混凝土水力切割“新工艺”等“四新”技术的发展，为大跨桥梁拼宽提供了有利条件。本文综合开展世界首座驮架式拼宽混凝土斜拉桥设计工作时所进行的大跨桥梁拼宽技术调研及针对性的研发工作，根据拼宽形式及采用的“四新”技术，总结归纳为刚构桥变高托底式钢结构拼宽、刚构桥等高托底式UHPC拼宽、组合梁斜拉桥拉吊式钢结构拼宽、混凝土斜拉桥驮架式钢结构拼宽等四种大跨桥梁拼宽技术，结合工程案例简要介绍，供类似结构参考。

西班牙圣佩德罗（San Pedro）桥是其典型案例。原桥（图1）建成于1994年，为跨径组成:75m+4×150m+75m的预应力混凝土刚构。平面位于半径700m的圆曲线上，纵坡3.712%，横坡单向3.5%。主梁为单箱单室混凝土箱梁，C35混凝土，梁高由跨中3m变化到墩顶处7.5m；箱梁顶板宽12m，底宽6.5m；腹板厚0.48m，悬臂板厚由端部的0.18m变化到根部的0.35m，底板由跨中0.25m变化到墩顶处1.5m。主梁采用悬浇法施工，墩顶附近节段长3.75m，跨中节段长5m。顶板设后张悬浇预应力索，底板设合龙索。主墩为普通钢筋混凝土双肢薄壁结构，C30混凝土，肢间距8m，单肢截面为箱型，壁厚0.35m，箱宽和长沿墩高变化。墩高81m，顶部截面6.5m×1.75m。3、4号墩各设16根钻孔灌注嵌岩桩，直径2m，桩长20m，承台23m×23m×3m。1，2，5号墩为基岩上的扩大基础。

图1 圣佩德罗桥拼宽前照片

2005年根据通行需要，最初考虑增设一座与原桥同样宽度(12m)的新桥对本桥进行拓宽，两幅桥梁均单向通行以满足交通需要，后因不满足环保要求，采用了对原桥进行整幅拓宽到23m的方案。原桥拓宽目标：(1）施工期间不中断交通；(2）加宽后主梁承载力应满足新规范活载要求；(3）加宽后墩和梁应具有同等安全度并满足新规范要求。

根据上述限制条件，2007年确定采用在现有桥面上增设新结构承受增加恒活载的方案进行拼宽（图2），以变高钢斜撑托底拼宽翼缘板为其主要技术特征（图3）：两侧增设6m宽悬臂板作为新增行车道板，采用轻质预应力混凝土，容重19kN/m3；原箱梁顶板采用水力切割开槽，增设横向预应力提高顶板抗力；加设随箱梁高度变化的钢斜撑（图4）支撑悬臂板，传递竖向荷载作用到原混凝土箱梁；设两对斜向后张预应力粗钢筋与钢斜撑相连传递竖向荷载作用到新增的混凝土箱梁中腹板；增设混凝土箱梁中腹板并设后张竖向预应力粗钢筋提高抗剪能力；原底板纵向增设一道钢混组合箱提高箱梁抵抗弯能力；原底板底面对应钢斜撑增设钢横梁与纵向钢混组合箱固结传递钢斜撑水平分力；原箱梁内部增设两组体外索提高箱梁抗弯及抗扭能力。原桥横坡3.5%用轻质砂浆调整增大到4.5%，用调整铺装底层厚度精调横坡。

图2 圣佩德罗桥拼宽后照片

图3 主梁拼宽结构（尺寸单位：m）

图4 拼宽后主梁照片

瑞士波德兹桥（Paudèze Bridge）桥是其典型案例。原桥建成于1973年，位于瑞士西南部洛桑市（Lausanne）日内瓦湖沿岸的联合国教科文组织世界遗产地，是当地的地标。作为瑞士联邦高速公路网络的一部分，原主桥桥面宽度11.88m，双向两车道以及一条紧急车道。主梁采用瑞士当时常用的节段悬浇结构。跨中梁高约2.13m，墩顶高约5.49m。纵向为传统的后张法预应力设计，悬浇段的腹板设下弯预应力筋，顶底板设连续预应力筋。箱梁无横向预应力。主墩采用纵向布置的双肢柱式墩，最大墩高约61m。桥梁基础采用钻孔桩和附加锚固措施以减少地形坡度对主墩水平位移的影响。

为满足联邦公路桥梁局（the federal highway bridges）对现有车道通行及增设维护设施的近期需求及2040年满足国家对公路应急车道在高峰时段需具备临时第三车道通行能力提升的最小要求，桥宽由11.88m增加到13.66m。原桥拓宽目标：1）减小对该桥地标性建筑的影响，拼宽尽量保持原貌；2）施工过程减小对交通的干扰；3）桥面由11.88m增加到13.66m，墩和梁应具有同等的安全度。

根据上述限制条件，采用在现有桥面上增设新结构承受增加的恒活载的方案（图5）拼宽，以等高UHPC斜撑托底拼宽翼缘板为其主要技术特征（图6）：采用两侧各增设最小宽度0.91m的悬臂板作为新增行车道板最大限度的减小恒载，进而减小主梁新增弯矩；加设等高度的UHPC斜撑支撑悬臂板，传递竖向荷载至原混凝土箱梁并减重至最小；变高段原箱梁内部增设钢横撑传递横向水平力；原箱梁内部增设体外索提高箱梁抗弯能力及传递新增荷载至下构。斜撑采用UHPC综合考虑了全寿命周期成本的经济性、景观及可避免在腹板上植筋等因素。

图5 波德兹桥拼宽后照片

图6 主梁拼宽结构（尺寸单位：m）

西班牙蓝德海峡（Rande Strait）桥是其典型案例。原桥建成于1978年，2017年12月拼宽完成(图7)，位于西班牙维戈（Vigo）市，跨越蓝德海峡。主桥为147m+400m+147m=694m钢板组合梁双索面斜拉桥。主梁中心线处梁高2.4m，宽20.75m(不含风嘴宽度)。斜拉索扇型布置，钢筋混凝土塔，水面以上高148m，双向四车道。

图7 蓝德海峡桥拼宽施工照片

2006年该桥平均日交通量达55000辆，接近其有效通行能力，交通拥堵频繁发生。为提高通行能力，主梁两侧需各增加1个车道。桥梁所在的Vigo河口区从自然环境到景观对当地均十分重要，加宽应同时从技术、美学和经济方面等因素并考虑不影响现有桥梁交通。原桥拓宽目标：(1)减小对Vigo河口区域环境的影响，拼宽尽量保持原貌；(2)施工过程减小对交通的干扰；(3)主梁加宽宽度应满足增加2个车道，塔墩基础和梁应具有同等的安全度。

根据上述限制条件，采用在现有组合梁外侧各增加1个钢箱梁承受增加恒活载的方案（图7）拼宽，以新增斜拉索拉吊新增钢梁为其主要技术特征（图8）：在现有主塔外侧增设两个与既有主梁铰接的钢箱梁承受新增的荷载，新旧主梁之间设与新增钢桁式横梁，保持新增钢箱的抗扭稳定性并避免传递横向弯矩；新增钢箱梁顶面设15-25cm厚混凝土板直接承受车辆活载，两斜拉索间设桁架横梁减小混凝土板跨度；新增两个斜拉索面支撑新增的主梁；在既有塔柱外侧新增钢锚箱锚固新增斜拉索并传递内力至既有塔墩，钢锚箱通过球形支座支承于塔柱，一固定，一横向滑动；钢锚箱与塔柱外侧面间设限位装置。恒载作用下新增钢箱铰接处对既有主梁产生上拔力，可减少既有斜拉索恒载内力，但活载应力幅稍有改变。加宽前后既有斜拉索的总内力无变化，避免了对既有斜拉索在桥塔上锚固区域补强的复杂工作。

图8 蓝德海峡桥主要拼宽结构（尺寸单位：m）

广中江高速与狮子洋通道衔接段南中大桥是首次采用该技术的典型案例。原桥（图9）建成于2017年，主桥为（75+130+365+130+75）m独柱中央索面预应力混凝土斜拉桥，半飘浮体系。设计时速100km/h，桥宽38m，外侧混凝土护栏，内侧钢护栏。主梁为三向预应力混凝土大悬臂单箱五室结构，C55混凝土，顶板宽 37.8m，底板宽19.6m；横隔板间距 6.0m，在有索区与斜拉索对应布置；直径7mm镀锌高强低松驰钢丝高强平行钢丝拉索，抗拉强度1770MPa，张拉端冷铸锚。索塔C50混凝土结构，总高119.788m，桥面以上高93.0m；基础为22根直径2.8m的钻孔灌注桩，桩净距横桥向2.8m，顺桥向3.2m。

图9 拼宽前的南中大桥

该桥为双向六车道，因与目前正在施工的双向八车道狮子洋通道（预计2028年通车）对接，存在车道不平衡问题。为有效衔接交通，结合相连的放马互通改造，经多方案研究，选用原结构利用率最高、综合最优的主梁两侧等宽拼接2.25m的方案。原桥拓宽目标：(1）充分利用独柱塔中央索面斜拉桥的拼宽条件，拼宽形式兼顾造型美观。(2）少增加结构自重，尽量仅改造主梁而不对索、塔及基础等加固补强。(3）避免主梁顶板植筋，不降低原桥局部承载和耐久性能。(4）对原结构进行的必要修整应尽量做到小损伤、精准化。

根据上述限制条件，采用了在现有混凝土梁外侧增设钢梁承受增加恒活载的拼宽方案。与蓝德桥不同，该桥为中央索面，主梁拼宽可不需绕避塔柱。综合利用多种“四新”技术及钢斜撑与既有主梁翼缘板密贴受力类似于驮架的传力模式为其主要技术特征（图10）：顶板采用钢梁拼宽，减少拼宽结构恒载；按原桥横隔板6m间距模数设置2m间距钢斜撑，无隔板处设钢填块，钢斜撑及钢填块与既有混凝土梁翼缘环氧胶密贴连接，活载可通过混凝土梁顶板全长接触传递到钢斜撑，钢斜撑与既有主梁斜腹板采用锚栓连接，有隔板处斜撑力传至既有主梁隔板，无隔板处通过钢填块分配至斜腹板及顶板，不改变既有混凝土梁顶板的受力模式；顶板水力切割开槽增设横向无黏结预应力筋，张拉力0.6fpk，传递新增横向力至既有主梁并增加其横向预加力、压紧拼宽钢混界面，提高结合耐久性；混凝土护栏换为钢护栏，原11cm沥青混凝土铺装改造为8cm轻质超高性能混凝土（LUHPC100）+3cm沥青混凝土铺装，LUHPC层内设纤维复合材料筋（FRP），以轻质高强材料替换原普通容重铺装减重，拼宽后桥梁荷载增加27kN/m，比原结构荷载仅增加2%（表1），不需加固索塔和下构；FRP筋LUHPC薄层高抗裂、无锈蚀，提高桥面耐久性。既有混凝土桥面开槽、修整水力凿毛、切割工艺精度3mm，实现既有主梁的小损伤精准修整。

图10 南中大桥主要拼宽结构及材料分布

驮架式拼宽为本桥研发的新形式，开展了薄层LUHPC施工缝、与主梁C55混凝土界面粘结、硬化过程扰动试验；钢-LUHPC结合段静载试验；钢斜撑锚栓节点承载性能试验；拼宽结构整体受力性能足尺模型试验；拼宽结构整体足尺模型循环往复加载试验等，验证界面黏结、钢结构节点承载、钢混结合、横向无黏结预应力筋联合工作性能等，同时验证了无黏结预应力钢棒和钢绞线的工作性能，为工程的顺利建设提供支撑，无黏结预应力钢棒执行标准为《桥梁用无黏结预应力钢棒及锚具和连接器》（JT/T1513-2024），无黏结预应力钢绞线执行标准为《桥梁用低回缩预应力锚索》（T/TMAC108-2024）。该桥施工图2024年12月完成审查，预计2027年建成。

适逢新时代，交通强国、质量强国、创新为第一动力的新质生产力等新形势欣欣向荣，通过合理利用既有结构、发展适当的新旧结构传力模式、灵活运用“四新”技术等，进一步拓展桥梁基础与墩柱加固、斜拉桥塔加固、适应悬索桥和拱桥拼宽技术，大跨桥梁拼宽桥梁建设大有可为。本文结合主持开展的南中大桥拼宽设计工作需要收集及研发的大跨桥梁拼宽技术和相关资料，归纳梳理了采用新型无黏结预应力筋、UHPC、水力切割等“四新”技术的托底式、拉吊式、驮架式等分类应用，以期抛砖引玉。除自主研发的技术资料外，引用的相关资料主要来自互联网络，对资料的发布者表示感谢。由于资料和认识有限，不当之处在所难免，敬请研判参考。