罗文艺，李雅杰，严宇，崔玉龙，邱凌煜，王金安
（1.中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 410000；2.福州大学土木工程学院，福建 福州 350108）
0 前言
随着我国经济建设的快速发展，交通量的需求不断增大，许多桥梁出现设计荷载较低、桥龄较长，桥面宽度不足以及通行能力逐渐趋于饱和等问题，交通量不断增长与现有公路通行能力不足的矛盾日益突出，增加现有公路的通行能力是当前的一个重要而紧迫的任务。为了解决承载能力不足的问题并提高交通量，往往选择将桥梁加固、加宽甚至拆除重建等措施[1-2]。桥梁的拆除重建一般较浪费资源并且违背低碳原则，旧桥拆除过程会对环境造成破坏，拆除旧桥的废弃混凝土会污染环境。当桥梁剩余承载力仍然较大时，在原有桥梁基础上进行加固是一种较好的选择[3-5]。因此，若能充分利用这些旧窄桥，将会节约大量的施工时间和社会资源、保护自然环境，是实现可持续发展战略的要求。目前，桥梁加固的研究得到了较多的关注。文献[6]邵志元对常见的桥梁加固技术做了较为全面的总结论述，介绍了当今普遍使用的几种桥梁加固方法。文献[7]潘勇等人研究了预应力CFRP（碳纤维复合材料）板加固技术在公路桥梁上的加固效果及长期性能，研究结果表明预应力CFRP板可在不中断交通情况下加固桥梁。不过，相对来说，为提高桥梁的通行量而进行桥梁加宽的研究相对不多[8]，原因主要是其通常以新建桥梁的方式在原桥旁相邻位置进行拓宽，形成上、下幅桥梁，从而不改变原桥的结构和受力。这种加宽方式主要适用于新建不久的桥梁，如高速公路的拓宽改造等。
然而，对于城市桥梁来说，由于空间有限，在旧桥相邻位置新建桥梁较为困难，特别是对于城市高架桥或立交桥来说，通常为曲线桥梁，新建桥梁更为困难。因此，在城市空间有限条件下，选择在旧桥的两侧拼接加宽是一种较适宜的改造方式[11]。拓宽以后的新桥可以增加新的车道数目，保留旧桥的上下部结构继续使用，从而提高原有的交通流量[9-10]。不过，这种加宽措施不可避免会影响到原桥的受力性能，因此需要进行深入的分析。
目前，关于桥梁拼接加宽改造的研究不多，需要考虑新旧梁桥由于成桥时间差异所带来的一系列作用差异，如新建桥梁存在新的地基沉降变形、混凝土新拼桥的收缩徐变以及钢梁桥拼宽产生的焊接应力问题等，这些差异都会给拓宽后的桥梁带来不同的作用效应[12-13]。为深入分析了解城市公路桥梁拼宽改造研究现状，本文开展了广泛的调查研究，分析了该类型桥梁的受力特点，指出了发展方向，为今后该类型桥梁的拼宽改造提供参考与借鉴。
1 公路桥梁拼宽改造应用现状调查
随着我国经济的快速发展，部分已建的桥梁已经无法满足日益增长的交通量需求，为了改善这这一状况，越来越多的桥梁进行了拓宽改建。我国自广佛高速公路改扩建后，已经完成了多条高速公路的改扩建。京津唐高速公路改扩建工程中，拓宽的特大桥有2座，合计491315m；大桥4座，合计102216m；中桥26座，合计1396m；小桥18座，合计380m。涿州—石家庄段改扩建工程中，拓宽桥梁共计84座，合计2253.8m，均为中、小桥。此外，沪宁高速公路、沈大高速公路，沈海高速公路等都已进行拓宽改建。
目前桥梁拓宽工程中新桥与旧桥横向拼接多数采用上部结构连接、下部结构分离的方式，该拼接方式的新桥与旧桥的下部结构内力不会产生相互影响，同时上部结构的连接对旧桥内力影响也较小，因此被广泛应用于桥梁拓宽工程中。本文共调查收集了我国169座拼宽桥的基本信息。分析发现，在拼宽桥中旧桥大部分为混凝土梁桥，占比达90%以上，而新桥上部结构或与旧桥相同，或采用与旧桥上部结构不同的钢箱梁和钢-混凝土组合结构等。
图1 拼宽桥总长度分布图
图1为这169座拼宽桥按小桥（8m≤桥长L≤30m）、中桥（30m＜桥长L＜100m）、大桥（100m≤桥长L≤1000m）以及特大桥（1000m＜桥长L）分类的分布图。由图1可以看出，拼宽桥的桥长以100～1000m的大桥最多，共占81座，占比47.9%；其次为桥长30～100m的中桥，共占51座，占比30.1%；而小桥和特大桥数量则相对较小，分别为26座和12座。其中最长的桥是潭州大桥，桥梁总长为8777.06m，为预应力混凝土连续箱梁；最短的桥是朱坞1小桥，桥梁总长为16 m的简支混凝土空心板梁。
图2 拼宽桥结构类型分布图
图2给出了这169座拼宽桥的桥梁结构类型分布图。从图中可以看出，拼宽桥主要还是以连续梁桥和简支梁桥为主，其中连续梁桥94座，占比55.6%；简支梁48座，占比28.4%；而刚构桥、拱桥和斜拉桥仅为11座、15座和1座。
图3 拼宽桥跨径分布图
图3给出了这169座拼宽桥的桥梁跨径分布图。从图中可以看出，拼宽桥梁的单孔跨径小于等于25m的最多，共有69座，占比40.8%，其次为跨径25～50m的，共61座，占比36.1%。其余跨径范围只有40座，占比23.7%。最大单孔跨径为305m，是广州市洛溪大桥，上部结构为（30+95+305+110+30）m双塔双索面叠合梁斜拉桥。从跨径指标来看，中国的拼宽桥主要以小跨径桥梁为主。
图4给出了这169座拼宽桥的桥梁跨数分布图。从图中可以看出，拼宽桥主要是以小跨数为主，3跨、4跨和5跨的拼宽桥梁在中国应用较多，占比分别为26.6%、10.7%和11.8%。跨数最多的是潭州大桥，上部结构为（22×20+17+2×20+43+3×30+（75+125+75）+30+40+30+6×20+20+25+15+14×20）m 钢筋混凝土T形梁。
图4 拼宽桥跨数分布图
调查表明，公路桥梁按材料分主要为混凝土桥、钢桥和钢-混凝土组合结构桥，图5给出了这169座拼宽桥的桥梁不同材料分布图。从图中可以看出，拼宽桥主要是以混凝土梁桥为主，共占164座，占比达90%以上；钢梁桥和钢-混凝土梁桥很少，分别为2座和3座。因此，钢梁桥与钢-混凝土梁桥的拼宽改造还有较大的发展空间。
图5 拼宽桥材料分布图
2 三种主要桥梁拼宽改造研究现状
从上节应用现状调查可知，公路桥梁主要有混凝土桥、钢桥和钢-混凝土组合结构桥这三种。因此，本文主要针对这几种桥梁结构进行论述，并介绍这三种桥梁的特点和拼宽改造研究现状。
2.1 混凝土梁桥
对于公路梁桥，随着交通量的发展，越来越多的桥梁承载能力不足，对于这些桥梁，多采用加宽的方式进行改造。而许多已经存在的公路桥梁采用的是混凝土结构和钢结构，对于如今混凝土施工已经成熟的中国来说，更多的人会重视混凝土桥梁的拓宽改造，所以改扩建项目从混凝土梁桥开始，最多的也是混凝土桥梁。文献[14-17]介绍了关于混凝土桥梁拼宽的一些实施例和设计。文献[18]采用有限元建模的方法进行接缝结构设计的研究，探讨了新旧桥梁差异沉降、差异刚度、局部偏载等因素对拓宽桥梁受力的影响。文献 [19]以唐津高速公路扩建中桥梁拓宽工程为依托，针对桥梁上下部结构的拓宽方式、横向拼接技术、新旧结构收缩徐变效应及沉降的控制方法等问题开展研究。混凝土主梁多采用箱梁、T梁、空心板结构。对混凝土T梁、空心板梁、箱梁桥改造中，一般均以采用增设主梁的方法进行拼宽改造，所增设的主梁（T梁或板梁）可以是与原上部结构相同截面尺寸的，也可采用增设大主梁的方法。拓宽后的桥梁因主梁数目的增加，而减小荷载的横向分布系数，从而提高原桥的承载能力。文献[20]中常国强等人利用梁格法对中小跨径桥梁进行分析，研究得出：无论单侧拓宽还是两侧拓宽，旧桥各梁荷载横向分布系数均随新梁片数增加而减小，边梁、中梁均可提高承载能力。所以，混凝土桥梁拼宽是一种理论可行，且对承载更有利的一种增加桥梁通行能力的方式。混凝土梁桥的拼宽改造主要应用于公路桥梁，城市桥梁应用较少。
2.2 钢-混凝土梁桥
钢-混凝土组合梁桥是一种将混凝土桥面板与钢梁组合成整体共同受力的结构形式。与混凝土梁桥相比，可以减轻自重，减小地震作用，减小构件截面尺寸，增加有效使用空间，降低基础造价，节省支模工序和模板，缩短施工周期，增加桥梁的延性等。同钢桥相比，可以减小用钢量，增大刚度，增加稳定性和整体性，增强桥梁的抗火性和耐久性等[21]。近年来钢-混凝土梁桥已广泛应用于新建桥梁工程中，然而在对现有桥梁进行的拓宽改造工程中，大部分还是以传统的混凝土梁桥为主。目前，关于钢-混凝土梁桥拓宽研究的文献很少，文献[22]以深圳市“滨海大道接科苑大道新建匝道工程”项目中后海滨立交跨线桥拼桥工程为背景，通过比选推荐采用钢-混凝土组合梁结构，认为对比于传统的预应力混凝土梁和钢梁，钢-混凝土组合结构在制造、运输、安装特别是快速施工等方面具有显著的优势，最大程度的发挥了组合结构的技术经济优势。文献[23]提出了一种采用钢-混凝土组合体系的桥梁加宽技术，并发展了一种更为精确的计算梁桥活荷载分布的分析方法。目前国内也在进行钢-UHPC混凝土梁桥的研究，UHPC高强混凝土材料具有很强的抗压能力，适用于很多公路高架桥。所以，钢-混凝土梁桥的拼宽改造也是一种可以扩大交通量的发展方式，但是文献较少，还需要进一步研究。
2.3 钢梁桥
钢梁具有自重轻、跨越能力大、安装操作简单方便、施工工期短以及对交通影响小等优点，近年来在市政立交工程和公路桥梁工程中广泛应用[24]。随着交通量的不断增长，一些钢梁桥已经不能满足现有交通流量。目前国内对钢梁桥的拓宽改造已经有了一定的成果，比如苏州市狮山桥和福州市二环五四路口高架桥拓宽改造工程等。文献[25]介绍了狮山桥拓宽工程中钢箱梁的拓宽设计方案以及施工工艺。无论对于国内还是国外，关于钢梁桥的拓宽研究相关文献少之又少，对钢梁拓宽后的受力性能研究目前还少有文献报道。钢梁桥的拓宽是一种可以实际应用的改造方式，但是钢桥拓宽改造的文献很少，还有待研究。
与混凝土桥梁的新旧桥采用现浇拼接进行铰接连接方式不同，钢梁桥的新桥与旧桥通常采用焊接方式进行刚接，其除使箱梁顶板或翼缘连接外，还可使上部结构主梁相连接；新加宽桥预制后现场焊接，施工方便，新旧桥的连接更紧密，可以避免混凝土现浇的收缩徐变问题，但自身存在焊接残余应力问题。因此，新旧桥之间的相互影响相比混凝土桥梁来说更大，同时加宽后的旧桥内力也会发生改变。
3 研究要点
对于拼宽后的桥梁，需要考虑新旧梁桥由于成桥时间差异所带来的一系列作用差异，如基础的不均匀沉降、横向分布系数的改变等，这些差异会对拼宽后原桥的受力产生一定影响，本节主要针对这些拓宽研究要点进行论述。
3.1 收缩徐变
收缩徐变主要是对于混凝土结构，这里主要是针对混凝土梁桥和钢-混凝土梁桥。在拼接时旧桥往往已经服役若干年，其混凝土收缩徐变绝大部分均已完成，而新桥混凝土龄期较短，其收缩徐变仍在发生。由于混凝土的收缩、徐变，新桥的变形会受到旧桥的约束作用，从而引起新旧桥之间的相互作用，进而导致新旧桥特别是拼接段混凝土应力重分布。混凝土收缩徐变差对拼宽桥梁的影响，目前已有研究者进行了研究。温庆杰、叶见曙[26]采用错位法对新旧梁横向拼接后收缩徐变产生的应力重分布进行了分析，在不考虑重力情况下推导了拼接后新旧梁横截面上的纵向应力及拼接处的纵向剪应力计算公式，认为新梁中的纵向拉应力可能会引起新梁横向开裂,纵向配筋率对混凝土梁的受力影响较大，而新旧梁拼接处的剪应力则较小。文献[27]对不同加宽方案的预应力混凝土箱梁桥因收缩徐变引起的结构横向效应进行了分析，认为是否考虑结构上、下部共同工作对拓宽桥梁结构的横向受力状态影响显著，且拼接后既有主梁内的横向和轴向效应远大于竖向效应。黄学漾、夏樟华[28]等对实桥拼宽后的应变和位移进行了监测并且进行了非线性有限元分析，研究了混凝土收缩徐变对斜交空心板梁桥拼宽结构受力性能的影响，并指出斜交空心板拼宽桥梁中，新桥收缩徐变会导致中跨跨中梁底纵横向应变显著增加；并且研究得出了收缩徐变对拼宽斜交桥位移的影响，以横向位移最大，纵向位移次之，竖向位移最小。在国外，Kenneth.W、Shushkewich[29-30]等人提出了两种桥梁拼宽的原理和方式：支撑梁法和支柱箱法，阐述了将双向四车道预制箱梁拼宽成双向六车道或八车道的方法，支撑梁法在桥梁拼宽时无需施工下部结构，支柱箱法能简便快速的将桥梁拼宽并且满足交通量需求。Hosseini.M[31]采用数值模拟对一座拼宽桥梁进行受力分析，得出混凝土在700d时间内收缩徐变、沉降和温度等各种因素下的计算值要小于应变实际检测数据。
3.2 不均匀沉降
在桥梁拓宽工程中，基础不均匀沉降是影响所有拓宽桥梁的重要问题之一。拓宽后旧桥基础基本不发生沉降，而新桥基础沉降将造成上部结构尤其是新旧桥梁主梁处产生过大的应力应变，影响拓宽桥梁的耐久性和安全性[32]。一些研究者对此进行了研究，文献[33]通过建立新旧箱梁横向拼接后的简化力学计算模型，采用纽玛克数值法分析了支座差异沉降产生的附加内力，并对影响附加内力的主要因素进行了参数分析，指出将基础沉降差容许值控制在10 mm内可以保证新、旧箱梁桥的整体工作性能。文献[34]和[35]对拼宽T梁桥基础容许沉降差进行分析，认为新旧T梁在接缝处跨内设置横隔板可以显著改善荷载横向分布，降低主梁纵向应力和接缝横向应力。文献[36]通过分析不均匀沉降对拓宽桥梁拼接板的受力影响，得出拼接部分的横桥向截面配筋、拓宽宽度、拼接部分宽度是影响沉降差的主要因素，且基础不均匀沉降差对支座附近接缝处的截面内力影响最大，由支座向跨中呈现递减趋势。文献[37]提出在旧桥连接中梁（原旧桥边梁）设置低刚度支座可以提高拓宽T梁桥承受基础沉降差的能力，改善拓宽T梁桥基础沉降差对上部结构不利的影响，且低刚度支座还具有实施简单、时间短和成本低等优点，值得推广应用。
3.3 焊接残余应力
焊接残余应力主要针对于钢结构，这里主要是针对于钢梁桥和钢-混凝土梁桥。焊接残余应力是一种典型的力学初始缺陷，而且工程材料及结构在其形成、热处理、机械加工等加工工艺进程中，都会不可避免的生成残余应力。在焊接工况中，连接金属熔化为液态，在焊件温度降下去后，熔化材料再次转为固体，两个部件就由焊缝金属结实的相连了。焊接材料在焊接加工过程中被迅速加热而产生部分熔化，金属因为高温膨胀之后会遭遇结构周边较冷材料的束缚，并且材料的屈服极限会随着温度的增加而下降。在之后的冷却进程中材料体积扩大，导致焊接部位出现残余压力，周围区域承担残余拉力，这类由焊接生成的应力概括为焊接残余应力。
钢梁桥的拼接一般采用焊接的方式，新旧钢桥梁的连接方法也为焊接连接，所以焊接对新旧桥的受力影响较为明显，尤其是焊接残余应力。文献[38]为了研究残余应力对焊接工字形不锈钢梁侧扭屈曲的影响，采用有限元方法对残余应力分布模型的主要因素进行参数化分析，完善了对焊接工字形不锈钢梁的整体稳定性能的研究。文献[39]为了研究初始负载对焊接加固后钢梁的受力特性的影响，进行了加固钢梁的受弯静力试验研究，并对试验结果和规范计算结果进行了对比。不仅如此，焊缝的变形也需要一定的控制。在焊接过程中由于受热的不均匀引起的近缝区金属的塑性变形和相变，焊接完成后焊缝收缩作用将引起变形。变形是客观存在的，变形控制的好坏直接关系到焊接后的矫正难度、结构的几何尺寸、构件之间的连接精度等。主要从预留收缩量、调整焊接顺序、焊接方向、刚性约束等方面控制变形[40]。
钢-混凝土组合结构结合了钢和混凝土的优点，有着广阔的应用前景。目前已经有一些学者对钢-混凝土梁桥的设计要点进行了研究。文献[1]、[41]和[42]介绍了钢-混凝土组合梁在桥梁拓宽工程中的应用，并对梁桥的横向分布系数以及组合横梁界面受力性能进行研究，给出了能够考虑组合梁与原T梁的抗弯和抗扭刚度、组合梁与原T梁的宽度以及新横梁与原横梁抗弯刚度的差别的修正刚接梁法，用于计算组合梁加宽后的桥梁荷载横向分布系数，并认为减少新旧结构间变形不协调、增强桥面系横向连接和合理计算新旧结构的空间作用是钢-混凝土组合梁拓宽设计和施工中需要重点解决的问题。钢-混凝土梁桥由混凝土和钢材料组成，所以其研究要点包含以上所有，是一种较为复杂的结构，也是由混凝土梁桥拓宽改造向钢梁桥拓宽改造过渡的一种结构。
3.4 横向分布
对比拼宽前的桥梁，拼宽后的桥梁由于主梁个数增加，荷载均匀分布在所有的新旧主梁上，荷载横向分布系数产生变化。无论单侧拓宽还是两侧拓宽，旧桥各梁荷载横向分布系数均随新梁片数增加而减小，边梁、中梁均可提高承载能力，对于行车等产生有利的影响[21]。文献[43]、[44]采用不同连接形式拓宽后，均可明显降低既有主梁的荷载横向分布系数，即降低单片梁承受的荷载大小，提高旧桥承载能力。文献[45]以实际工程中一座简支箱梁桥为例，结合桥梁拓宽类型和拼接方式对桥梁拓宽进行归类总结，采用有限元分析软件Midas建立实桥模型，针对新旧桥梁不同的拼接方式来计算分析拓宽前后荷载横向分布规律及内力横向分布规律，为改扩建中小跨径梁式桥的设计提供有益的参考。
对于目前的文献，多采用新旧桥整体完全共同作用来计算拼宽后的横向分布系数。但是，新桥是在旧桥基础上施工拼接而成，而按照新旧桥整体完全共同作用计算横向分布系数是不利的和偏不安全的。因此，拼宽后桥梁的车道折减系数计算方法还需进一步研究。
3.5 连接方式
新旧桥梁上部构造的连接可采用有缝连接（不连接）、铰接、半刚接、刚接等多种方式；下部构造可采用连接或不连接等形式。有缝连接、铰接属于弱连接，半刚接、刚接属于强连接。连接形式及特点见下表。主要构造材料有钢筋、钢板、混凝土以及超高强混凝土（UHPC）材料等。
文献[46]较详细的介绍了目前已有的桥梁拓宽和拼接方法，并比较分析了各种方法的优缺点，并据此提出各种拓宽方法及拼接方法的适用性。同时根据依托工程的特点提出不同结构形式及不同截面形式适用的拓宽和拼接方式。文献[47]系统的介绍了已有桥梁拓宽及衔接方法，并比较分析了各自的优缺点，在此基础上系统阐述了各拓宽及衔接方法的适用性。分析表明，拓宽后旧桥边梁在活载作用下的挠度及内力均大大降低，不同衔接方式对旧桥主梁通行能力的影响不大。
4 结语
要解决桥梁工程问题需要理论与工程经验的结合，通过应用更多的知识理论得到更为合理的桥梁结构，是桥梁工程技术研究追求的方向。本文引用了大量的文献和应用实例，证实了不同类型桥梁的拓宽前景和可能性，并针对拓宽后桥梁受力的主要影响因素进行了详细介绍，表明了桥梁拓宽的可行性和应用前景，主要得到以下结论。
①混凝土桥梁的拓宽改造已经大量应用于国内，其研究的主要影响因素是不均匀沉降和混凝土收缩徐变等，国内有大量学者针对这些控制因素进行了研究，混凝土桥梁拓宽改造研究已初步成熟。不过对于预应力作用及预应力损失等对新旧桥受力性能的影响研究还不多。
②钢桥梁的拓宽改造在国内应用最少，其实例仅有本文作者应用于福州市五四路某高架立交桥中的几座。在国外，钢梁桥的拼宽改造得到了一定的应用，但是数量也不多，其研究的主要影响因素是不均匀沉降和焊缝变形、焊接残余应力等。关于公路钢梁桥的拼宽改造研究还有待进一步的发展应用。
③钢-混凝土梁桥的拓宽改造介于上述二者之间，其拓宽改造应用实例也较少，拓宽前后的桥梁受力还有待研究，其研究的主要影响因素是不均匀沉降、混凝土收缩徐变和焊缝变形、焊接残余应力等。
④公路桥梁拓宽是一种适合使用的、有发展前景的改造方式。不过，本文主要针对的是中小跨径梁式桥，对于特大跨桥梁，特别是拱桥、斜拉桥（仅一座）和悬索桥的拼宽改造还有待进一步的调查研究。另外，对于UHPC混凝土、纳米混凝土等新材料在拼宽改造上的应用也还需要进一步的研究。
连接形式及特征一览表
