一种利用旧板的高速公路空心板桥的制作方法

本实用新型涉及在高速公路拓宽施工时一种利用旧板的高速公路空心板桥，属于道路桥梁建设技术领域。

背景技术：

随着我国经济的持续蓬勃发展，我国高速公路部分路段交通量已经或接近饱和，无法满足高速、安全通行的要求，迫切要求对原高速公路进行整体拓宽改造，由原来的四车道或六车道高速公路拓宽为八车道甚至十车道高速公路。这些需要拓宽改造的高速公路大多修建于上世纪末，其中的众多中小跨径的装配组合式空心板桥梁设计时参照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89），所采用的汽车荷载标准较低，无法满足新版《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中规定的新的汽车荷载标准的要求。

装配式空心板桥由一块块的预制空心板组合装配而成，一般均采用标准设计。如果要满足新规范中的汽车荷载等级的要求，可以采取两种方法：一种方法是将旧的装配组合式空心板全部更换为满足新规范要求的新空心板，这种方法造价高昂；另一种方法是对原桥空心板（通常简称为旧板）进行加固，由于新的汽车荷载标准相对于老的荷载标准提高较多，空心板所受到的荷载尤其是剪力效应提升较大，而通常的加固方法由于很难提升空心板的抗剪承载力而使得加固的效费比极低。从以上信息可以看出，这两种方法均各有不足；目前在高速公路拓宽改造时很难使改造的空心板桥既成本较低又能获得较高的承载力尤其是抗剪承载力。在实际操作中，为了能够满足新的汽车荷载标准，很多高速公路拓宽改造时采用第一种方法，直接对原桥梁拆除重建，工程造价高昂；原有的旧板不能得到有效利用，不但形成浪费，还提升了运输和处理成本。

因此，充分利用空心板桥的旧板，设计一种既成本较低又承载力高尤其是抗剪承载力高的高速公路空心板桥，是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

现有技术中，高速公路拓宽改造时，改造后的空心板桥存在低成本与高承载力尤其是抗剪承载力不能兼得的问题；为解决这一问题，本实用新型提供一种利用旧板的高速公路空心板桥，采用下述技术方案：

一种利用旧板的高速公路空心板桥，其特征在于，包括：原桥空心板、新建空心板、铰缝、混凝土铺装、沥青混凝土铺装、护栏；

其中，所述原桥空心板与新建空心板间隔交错设置；原桥空心板包括原桥边板和原桥中板，新建空心板包括新建边板和新建中板；

所述新建空心板与原桥空心板相接的侧面下部设有预埋型钢，所述预埋型钢伸出端位于相邻的原桥空心板底部；

每个所述原桥空心板在支点位置设有至少三道围绕全截面缠绕粘贴的碳纤维布；所述碳纤维布为条状，在原桥空心板长度方向上间隔布置。

优选的，所述预埋型钢的伸出端到新建空心板顶面的垂直距离，等于原桥空心板的垂直高度。

或优选的，所述原桥空心板侧面铰缝位置，所述碳纤维布与原桥空心板之间还固定有三角钢垫块；所述三角钢垫块外形与原桥空心板的铰缝部位相符，包括三角形框架和设于三角形框架内的支撑钢板，厚度与碳纤维布宽度相同。

或优选的，所述空心板桥外侧边板采用原桥边板，内侧边板采用新建边板。

本实用新型还提供一种上述任一高速公路空心板桥的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1. 原桥空心板分离、加工：

1-1.在需要对高速公路空心板桥进行拓宽施工时，先对原桥进行拆除，分离出原桥空心板；

1-2.测量原桥空心板的主体尺寸；

1-3.对原桥空心板进行抗剪加固；

步骤2. 新建空心板加工：

2-1.根据原桥空心板的铰缝尺寸，确定新建空心板的铰缝尺寸；根据设计载荷标准确定新建空心板的宽度和高度；

2-2.根据原桥空心板和新建空心板的高度，确定预埋型钢在新建空心板上的位置；根据载荷，确定预埋型钢的规格；

2-3.加工制作带预埋型钢的新建空心板；

步骤3. 整桥施工：

3-1.在建设好的桥墩上，将步骤1中加工完的原桥空心板和步骤2中加工完的新建空心板相邻交错铺设，形成空心板桥；

3-2.在原桥空心板、新建空心板的上方和铰缝的位置铺设混凝土铺装；

3-3.装设护栏；铺设沥青混凝土铺装；作业完成。

本实用新型具有以下的优点：

（1）对于简支空心板桥来说，汽车荷载产生的总弯矩效应是固定的，组成桥梁的各空心板所分配的弯矩与其抗弯刚度成正比例，抗弯刚度越大，所分配的弯矩越大。本实用新型方案中的空心板桥，新建空心板与旧板交错布置，由于新建空心板的抗弯刚度远大于旧板的抗弯刚度，空心板桥的弯矩效应将主要由新建空心板承担，旧板承担的弯矩效应较小，对旧空心板来说存在一个“减载效应”，因此旧板将不需要进行抗弯加固，节省了大量资金；

（2）本实用新型方案中的空心板桥，可以继续利用原桥的预制空心板，并方便的对旧板进行抗剪承载力提升，适用于无法通过常规加固手段对桥梁进行抗剪承载力提升而必须拆除重建的情况，能够节约大量的资金，经济效益显著；

（3）本实用新型方案中的空心板桥，通过设置预埋型钢和新旧空心板交错设置，可以有效防止单板受力现象，提高结构的整体性和耐久性。

附图说明

图1 是本实用新型方案拓宽改造后的新桥结构示意图；

图2 是拓宽改造前的原桥结构示意图；

图3 是拆除重建方案拓宽改造后的新桥结构示意图；

图4是抗剪加固后的原桥空心板1侧视示意图；

图5是抗剪加固后的原桥空心板1剖视示意图；

图6是三角钢垫块9的立体结构示意图；

其中：1—原桥空心板、2—铰缝、3—混凝土铺装、4—新建空心板、5—沥青混凝土铺装、6—护栏、7—预埋型钢、8—碳纤维布、9—三角钢垫块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

某段高速公路运营近二十年后由于交通量提前饱和而需要进行拓宽改造，由整体式路基宽度28m拓宽为整体式路基宽度42m。汽车荷载等级由《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）中规定的汽车-超20、挂车-120提高为《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中规定的公路—I级。该段高速公路拓宽改造时，采用本实用新型方案对一座10m跨径先张法空心板桥进行改造设计。

原桥为整体式路基宽度28m，半幅桥梁宽度为13.5米，边板宽度为124.5cm，中板宽度为99cm，铰缝底宽为1cm；总计包括原桥边板2块，原桥中板11块；其中原桥空心板1高度40cm。

拓宽改造后，本桥梁成为一种利用旧板的高速公路空心板桥，其1/2幅横截面如图1所示，包括：原桥空心板1、新建空心板4、铰缝2、混凝土铺装3、沥青混凝土铺装5、护栏6；

其中，原桥空心板1包括原桥边板和原桥中板，新建空心板4包括新建边板和新建中板；

所述新建空心板4与原桥空心板1相接的侧面下部设有预埋型钢7，所述预埋型钢7伸出端位于相邻的原桥空心板1底部；

如图4、5所示，为了保证提升符合标准载荷要求，需要对原桥空心板支点抗剪进行加固，每个所述原桥空心板1在支点位置设有至少三道围绕全截面缠绕粘贴的碳纤维布8；所述碳纤维布8为条状，在原桥空心板1长度方向上间隔布置，从支点位置开始每隔一定距离粘贴一道碳纤维布。所述原桥空心板1侧面铰缝2位置，所述碳纤维布8与原桥空心板1之间还以环氧树脂粘贴固定有三角钢垫块9；所述三角钢垫块9外形与原桥空心板1的铰缝2部位轮廓相符，包括三角形框架和设于三角形框架内的支撑钢板，厚度与碳纤维布8宽度相同。三角型钢垫块钢板厚度均为10mm，碳纤维布宽度为10cm，采用4层，单层厚度为0.167mm，纵向间距为30cm。加固前抗剪承载力为329.7kN，小于空心板承担的最大剪力347.0kN；加固后抗剪承载力为550.6kN，大于空心板承担的最大剪力347.0kN，满足抗剪要求。在桥梁加固中粘贴碳纤维布是已知的公开技术，所采用树脂材料、工艺等在本实施例中均无创新点，技术人员可直接应用现有技术，故均无需详述。

所述预埋型钢7的伸出端到新建空心板4顶面的垂直距离，等于原桥空心板1的垂直高度。根据原桥空心板和新建空心板的高度，确定预埋型钢顶面在新建空心板上的位置为距离底面20cm。预埋型钢承受车轮局部荷载的作用，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中车辆荷载尺寸和重量的规定，预埋型钢纵向间距定为1米，承担荷载为1/4车辆后轴重量，即35kN。在此荷载作用下，预埋型钢主要承担剪力作用，若采用I10工字钢，根据《钢结构设计规范》（GB50017-2017），其最大组合剪应力为：

满足抗剪要求。

预埋型钢7主要用于增强桥梁的整体性，可预防铰缝失效后的单板受力现象。

拓宽为整体式路基宽度42m后，所述空心板桥内侧（与另1/2幅桥梁相邻的一侧，图1中右侧）边板采用新建边板，外侧（与内侧相对一侧）边板采用原桥边板。所述原桥空心板1与新建空心板4间隔交错设置；原桥中板宽度为99cm，根据原桥空心板的铰缝尺寸，确定新建空心板的铰缝尺寸，铰缝底宽为1cm；根据交通部《公路桥梁通用图（板梁系列）》（2008版），新建中板宽度为124cm，新建边板宽度为124.5cm；根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中的设计载荷标准和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中的计算方法确定新建空心板的高度，本实施例中高度为60cm；

每块空心板所分担的汽车荷载采用“横向分布系数”来表征。空心板的弯矩效应与其抗弯刚度有关，计算弯矩时采用“铰接板法”计算得到的横向分布系数。表1表示原桥空心板在拓宽前和拓宽后的汽车荷载效应对比，从表中可以看出，原桥空心板应用于拓宽后的桥梁其汽车荷载跨中弯矩降低41.6%~50.2%，减载效应显著。

采用此方案拓宽改造后的新桥，组合自重荷载后边板最大弯矩效应为484.0kN·m<631.5kN·m，中板最大弯矩效应为404.1kN·m<574.1kN·m，即边、中板弯矩效应均小于其抗弯承载力，其汽车载荷等级符合《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中规定的公路—I级要求，不需要进行额外的抗弯承载力提升加固，仅在这一块每跨桥梁在改造过程中大约可节省资金31.2万元，效益明显。

本实施例中所述高速公路空心板桥的施工方法，包括如下步骤：

步骤1. 原桥空心板分离、加工：

1-1.在需要对高速公路空心板桥进行拓宽施工时，先对原桥进行拆除，分离出原桥空心板；

1-2.测量原桥空心板的主体尺寸；本实施例中，原桥为整体式路基宽度28m，半幅桥梁宽度为13.5米，边板宽度为124.5cm，中板宽度为99cm，铰缝底宽为1cm；总计包括原桥边板2块，原桥中板11块；其中原桥空心板高度40cm。

1-3.对原桥空心板进行抗剪加固：确定支点位置后，在原桥空心板侧面铰缝位置，使用环氧树脂粘贴固定三角钢垫块；在三角钢垫块所在位置，使用环氧树脂围绕原桥空心板全截面缠绕粘贴碳纤维布；粘贴时将碳纤维布与三角钢垫块对齐；三角型钢垫块钢板厚度均为10mm，碳纤维布宽度为10cm，采用4层，单层厚度为0.167mm，纵向间距为30cm。

步骤2. 新建空心板加工：

2-1.根据原桥空心板的铰缝尺寸，确定新建空心板的铰缝尺寸；根据交通部《公路桥梁通用图（板梁系列）》（2008版），新建中板宽度为124cm，新建边板宽度为124.5cm；根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中的设计载荷标准和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中的计算方法确定新建空心板的高度，本实施例中高度为60cm；

2-2.根据原桥空心板和新建空心板的高度，确定预埋型钢顶面在新建空心板上的位置为距离底面20cm。预埋型钢承受车轮局部荷载的作用，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中车辆荷载尺寸和重量的规定，预埋型钢纵向间距定为1米，承担荷载为1/4车辆后轴重量，即35kN。在此荷载作用下，预埋型钢主要承担剪力作用，若采用I10工字钢，根据《钢结构设计规范》（GB50017-2017），其最大组合剪应力为：

满足抗剪要求。

2-3.加工制作带预埋型钢的新建空心板；如何在预制新建空心板时加入预埋型钢，属于已知的通用技术，不属于本实用新型的创新点，技术人员可自行实施。

步骤3. 整桥施工：

3-1.在建设好的桥墩上，将步骤1中加工完的原桥空心板和步骤2中加工完的新建空心板相邻交错铺设，形成空心板桥；其中桥梁外侧边板采用原桥边板，内侧边板采用新建边板；

3-2.在原桥空心板、新建空心板的上方和铰缝的位置铺设混凝土铺装；

3-3.装设护栏；铺设沥青混凝土铺装；作业完成。

在本实用新型及本实施例的描述中所使用的“左、右、上、下”等相对位置用词，是为了便于描述和理解而采用的，并不意味着相应部件的绝对位置。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。