摘要：通过英国西南部M5 J23桥梁的案例，来介绍国外预应力复合梁桥的拓宽改造方法。桥梁拓宽改造工程需要考虑很多因素，包括既有结构和拓宽结构的衔接处是否稳定、改造施工时能否保持既有结构的正常使用、拓宽后如何保障整体结构的通行能力等，同时还需要综合考虑环保、安全的因素，力求用有限的资源更有效的实现设计方案。在欧洲，由于受环境保护要求严格、施工造价成本偏高、政府基建拨款有限等因素的制约，政府更倾向于维护和升级既有基建结构。
关键词：高速公路；桥梁工程；拓宽改造；环境；安全管理
1.工程概况
M5作为连接英国第二大城市伯明翰和西南部港口城市埃克塞特的重要的高速公路，交通流量大，第23出口拥堵严重、影响到当地居民通行。近几年随着中国参与投资的欣克利点核电站（Hinkley Point）的发展，该地区交通升级变得更加迫在眉睫。英国高速公路管理局推出道路升级方案，将原来双岔道并入主道，设置分流口。并入时，内侧岔道先行并入，外侧岔道平行通行一段距离后再并入，以缓解岔道口交通通行压力。
M5 J23桥梁位于此岔道口南端，承载高速路六车道双向交通及东西两侧的双岔道。现有结构是1971年建造的三跨预应力混凝土复合型梁桥，桥长64米，中跨24米，边跨各19.8米。桥宽呈变宽布置，最宽处为北端50.9米，最窄处为南端46.3米。上部结构由东、西两部分独立的桥面板组成，中间留有30厘米的空隙，供排水槽使用。下部结构是混凝土桥墩、桩基础。桥梁横向每侧需拓宽4-6米，以满足新公路路面宽度的要求。业主要求对现有结构进行最大限度的保留，用最少的用料、最短的工期实现桥梁的拓宽改造。桥梁西半部分平面图、立面视图如图1所示。
图1.M5 J23桥梁西半部分桥面拓宽及立面视图
2.结构设计考虑的因素及措施
2.1现有桥梁结构的承载能力
评估现有桥梁的承载能力是推行拓宽方案的先决条件。现有结构面临几个问题：（1）.旧结构受疲劳荷载影响、是否仍具备设计时的承载力；（2）.旧结构是否可以承载短时期的施工器械（拆卸装备、起重机吊车等）的自重及施工荷载。（3）.旧结构是否可以承载长期的拓宽部分传递的额外荷载的影响。
2.2新、旧结构之间的衔接
新、旧结构衔接面临几个问题：（1）.旧桥墩已相对稳定，新桥桥墩处会发生新的沉降，新旧桥墩间的不均与沉降会造成混凝土开裂。（2）.旧桥面板很薄（12.5厘米），是否有足够的空间和新桥面板进行钢筋搭接。（3）.旧预应力主梁型号已退出市场，需选择合理新主梁型号来保持拓宽后结构内力线性分布的连贯性。
2.3 结构拓宽设计措施
在结构设计中，主要采取了以下步骤来应对上述考虑因素：（1）.对旧上部结构进行有限元分析，旧桥面由预制混凝土梁和12.5厘米厚的桥面板组成，预应力梁肋板顶部和底部用混凝土连接，形成一个类箱梁结构。简易的杆件模型无法估算出桥宽方向的荷载分配，因此使用了网状分析法（grillage analysis），模拟桥面在任何位置的荷载效应，网状分析法更精确，有助于避免过度设计桥面和材料浪费，尤其适用于设计承载力与本身荷载效应比较接近的设计情况。（2）.选用和旧预应力梁类似刚度的新型U3预应力梁，来确保拼宽后荷载在新、旧结构上有一个均衡的横向传递。新桥面板增厚为20厘米，旧钢筋部分保留，在新板内进行钢筋搭接。（3）.为避免新下部结构因沉降造成连接处混凝土裂缝，新桥墩、桩基础建为独立结构，由可调整高度的支座来平衡日后沉降对桥面板连接处影响。（4）.拓宽部分的支座设计需允许桥面横向方向自由移动，为了避免横向热膨胀和收缩在桥面混凝土体内产生的巨大的负载效应、产生不必要的裂缝。
3.施工方案的影响因素及措施
3.1 环境约束对旧桥面板拆除的影响
由于本桥梁跨越当地防洪水渠，英国环保局对近水域施工有很严格的把控，施工阶段任何废水、废料，都禁止排入河流中。
英国常规拆除混凝土结构使用的是JCB剪切机或者水压力喷射混凝土法等传统方法，前者用机械剪切的方式切割混凝土和钢筋，在国内比较普遍；后者是在一个封闭的区域利用高强度水压力冲刷混凝土表层、直至达到目标厚度。两种方法都会产生大量的废水和垃圾，不适用于M5 J23桥面拆除。故本项目选用一种新型的施工方法，此方法根据钻石切割的原理，借助钢丝锯高速移动的摩擦力来切割混凝土，优点是快速、整洁、精确、操作区域小（2.5平方米）。弊端是为了缓和摩擦生热导致的器械损耗、需要用水进行冷却，废水、混凝土碎屑需要进行及时的收集、避免落入水渠中。
3.2.交通转移对施工区域的约束
高速公路局要求在施工时公路尽量保证双向各两个车道正常通车，且道路关闭只能在周末进行，增大了施工难度，故施工时尽量减少在桥面上施工，混凝土拆除时对废水和碎屑的收集在桥面下完成。
施工平台如图2所示，利用脚手架，固定在新桥墩侧壁上，悬臂到旧桥墩侧，来支撑沿桥跨方向的第二层脚手架，在上面铺装表层装置，对废水和碎屑进行收集。此设计成本低、易于组装，并且为预应力梁切割腾出桥面上方的施工空间，拆卸的部分从桥上方由起重机分块吊走，下方收集废水、碎屑，同步施工。此施工方案需注意的是新桥墩扩建需要在拆卸工作前完成建造，并对既有桥墩承载额外的平台自重的能力进行力学评估。
图2、桥面拓宽设计、脚手架施工平台设置
3.2 现有防冲刷隔板对下部结构施工的影响
本桥梁面临的一个巨大挑战是现有的1米厚度的防冲刷混凝土隔板（如图2桥梁侧立面所示），南北方向沿桥跨连接在桩承台之间，东西方向比旧桥梁各长出十多米，严重影响到新桥梁施工围堰的安装。需要进行部分拆除，为新结构的施工提供一个建筑区域。
方案是使用较大的围堰，隔断一侧边跨和半侧主跨的水流，施工完成后，把围堰移到另一侧，完成剩下的施工。此方法能保证一半的水流量保持畅通。同时，除了在新建结构处必须拆除防冲刷隔板，其它施工区域可保留隔板，不使用常规的钢板桩围堰，而使用预制混凝土块放置在隔板上、形成一个重力墙、起到等同于围堰的效果。
4.结论
在社会不断发展、技术不断进步的今天，工程设计施工不单只是简单的设计、施工技术上的提高与创新，而是需要综合考虑用料、环保、安全等因素的影响，来提供一套更有效的设计方案，以达到工期短、质量好、施工安全及成本低的目的。本论文以国外公路桥梁拓宽改造项目为例，思考如何最大程度的保留原结构，以最少的施工量来实现设计目标、延长结构使用周期、同时达到降低建造成本的目的。这也将是我国工程建造的细化方向。
论文作者:王妙砾
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/15
标签：桥面论文; 结构论文; 混凝土论文; 桥梁论文; 桥墩论文; 预应力论文; 荷载论文; 《基层建设》2018年第20期论文;