随着我国社会经济迅猛增长及城市化进程的不断深化，交通流量不断上升，民众对优质出行的渴望也与日俱增。然而，众多早期建设的高速公路已无法适应现阶段的交通流量，出现了通行效率降低、服务水平下滑等问题，迫切需要进行扩容和改造。以山东省为参照kaiyun.ccm，自“十三五”规划实施至今，至2024年底，已成功完成1000公里的高速公路改扩建项目。展望“十四五”规划期末，预计将完成约1600公里的高速公路改造与扩建任务。长远来看，该省的改扩建工程规模预计将超过2500公里，其中双向6车道及以上高速公路的比例将超过50%。
在高速公路的改扩建工程中，桥梁的改造与扩建占据着至关重要的位置。桥梁的整治和拓宽方案的选择，不仅对工程成本、交通安排、品质提升等方面产生深远影响，而且如何切实贯彻创新、绿色等新的发展理念，构建安全耐用的百年工程，已经成为一个迫切需要解决的课题和重大研究任务。
改扩建桥梁主要特点
新、老桥
设计 标准不一致
《公路工程技术标准》明确指出，对于拼接加宽后继续使用的桥梁和涵洞，其最大承载能力必须达到现有标准，或者通过加固等手段达到标准要求。在桥梁改扩建过程中，我们需解决如何评估现有桥梁的承载能力以及如何有效利用的问题，同时兼顾对旧桥功能的提升和保护。在桥梁拼接设计阶段，对原有桥梁结构、拼接区域以及拼接完成后的整体结构进行详细的结构分析和计算，这一环节显得尤为关键。必须依照既有的规范对旧桥梁进行评估，同时依据现行的荷载规范对桥梁的承载极限状态进行核算，若发现其不符合要求，则必须实施加固措施。
新、老桥
存在收缩、徐变差异
混凝土结构自身存在收缩和徐变的性质，特别是在超静定结构和刚度较大的结构中，这种特性带来的负面影响尤为突出，因此在设计阶段必须给予高度关注。经过长时间使用的旧桥，其收缩和徐变过程已基本结束，而新桥在拓宽后的收缩和徐变过程才刚刚起步。当新旧桥横向连接后，收缩和徐变将导致结构变形不匹配，从而产生额外的内力，这将对新旧桥的承重状态造成影响。
沉降差异
基础位移具有长期效应，它不仅作用于结构的承载能力极限状态，也对正常使用极限状态产生影响，特别是在跨数较多且刚度较高的超静定结构中，这种影响尤为明显。在桥梁新旧部分横向连接之后，不仅会出现纵向的沉降差异，还可能伴随横向的沉降差异，这些问题在设计阶段必须全面考虑。
桥梁综合处治技术
既有梁板桥利用技术
在改扩建工程中，中小跨径桥梁的比重超过了八成，然而依据《新公路工程技术标准》，众多空心板梁的承载能力并不符合当前的规定。若直接选择拆除并重建，不仅成本极高，而且会造成严重的资源浪费。为了有效攻克这一难题，我们必须对空心板梁的极限承载状态及其改造策略进行深入的探讨和研究。
基于《关于既有高速公路空心板桥极限状态承载力评估与改造策略的研究》这一课题，我们进行了对老旧空心板梁抗剪承载力的理论分析和实验探究，以此为基础，对模型进行了修正，并提出了相应的应对措施。通过理论推演、数据分析和数值模拟技术，我们深入探讨了当前规范中空心板梁抗剪承载力的计算方法所存在的缺陷，并借助不同跨度的预应力混凝土空心板梁的实际抗剪承载力试验数据，对原有计算方法进行了相应的改进。通过比较现行标准、数值仿真和实际试验数据之间的不一致性，对数值模型进行了调整，并进行了广泛的参数研究，从而对空心板梁的抗剪承载能力计算公式进行了改进，为老旧桥梁的改造工程提供了科学支撑。
运用ABAQUS软件，对跨度分别为10米、13米、16米和20米的空心板进行了抗剪承载力的计算分析，并探讨了剪应力在弹性、开裂及破坏三个阶段的截面分布特征。
在实地实验中，我们对表二所列的12块不同跨度的空心板进行了现场剪切强度测试，全面分析了这些空心板在实际使用条件下的剪切性能及其破坏模式。
图1 加载装置
数值模拟和足尺试验的数据表明，对10米、13米、16米以及20米跨度的预应力混凝土空心板进行15厘米现浇层加固处理，其剪切承载能力达到了相关规范的要求，从而能够充分利用现有的空心板。通过这种方式的最大化利用，不仅减少了资源的浪费，还降低了工程建设的成本，同时为后续类似工程提供了宝贵的经验参考。相关研究成果在诸如京沪、京台等改扩建项目中得到了大规模的应用，这一举措使得投资节约了近5亿元，并带来了显著的经济和社会效益。
桥梁整体顶升技术
为了防止对状况优良的桥梁进行拆除，对于一些纵向高度增加的路段，我们采取了桥梁整体提升的策略，并就此进行了多跨桥梁动态联合提升等关键技术的深入研究。针对大坡度旋转调坡顶升的受力特性、施工设备的创新研发、顶升阶段的管控以及标准化作业流程，本研究从顶升前的受力状态解析、标准化施工设备的研发与实施、顶升过程中的自动化监测与调控等三个方面入手，综合运用理论分析与室内外实验相结合的研究方法，对桥梁调坡同步顶升的核心技术进行了系统性的探讨。采用盖梁接高、断柱接高等多种提升技术，成功完成了桥梁的整体上升作业，充分挖掘了旧桥梁的梁板潜力。此外，我们还研发了国内领先的成套PLC同步提升设备，确保了施工的高效性、安全性以及精确度。这些技术成果已在京台高速济泰段等多个项目中得到广泛应用，不仅降低了投资成本，还大大缩短了施工周期。
图2 既有桥梁断柱顶升
图3 预应力盖梁顶升
既有墩柱水下
玻纤套筒加固技术
为应对水下墩柱及桩基的破损和锈蚀状况，我们成功研发了一种水下玻璃纤维套筒加固方法。此技术操作简便，且具有优良的耐久性，能够有效攻克水下结构修复的难题。在此基础上，我们参与了《玻璃纤维套筒水下桥梁桩基加固应用技术规程》的编制工作，该规程旨在为涉水桥梁的墩柱和桩基提供坚实的防护技术支持。
图4 水上安装玻纤套筒
张拉加固技术
为了解决某些桥梁在抗弯承载力方面存在的不足，我们研发了碳纤维张拉加固技术。这项技术不仅提供了一种结合加固与同步监测的施工方法，而且极大地增强了桥梁加固系统的稳定性和可监测性，并在改扩建项目中取得了显著成效。
图5 碳纤维加固工艺流程图
图6 预应力CFRP板材加固
桥梁拼宽的多种选择
在拓宽桥梁时，应选用与原有桥梁相似的架构和跨度，以确保新旧桥梁在受力状况与结构刚性上保持一致。此外，拓宽桥梁的设计需尽量减少新旧桥梁基础沉降、结构形变以及混凝土老化程度差异所产生的额外应力。若受条件所限，无法遵循这些原则，则需采取特定的设计和施工方法。以下是对几种主要拓宽方式的优缺点进行的具体分析：
1．上、下部结构均连接
拓宽桥梁的桥面部分，其上部结构板梁与下部结构盖梁与旧桥的相应部分相匹配，通过植入钢筋和浇筑湿接缝的方法实现连接，构成了一个统一的受力整体。这一方案的整体性能优良，连接处的变形幅度较小，然而却容易引发较大的附加内力，进而导致连接部位出现裂缝等病害。此外，上下部结构均需进行植筋处理，施工难度较大，工期较长，成本也相对较高。
2.上、下部结构均不连接（分离式加宽）
桥梁拼宽部分，其上、下部结构均未对老桥造成影响，仅在连接新旧桥面的位置设置了纵向错缝，并通过沥青铺装确保了桥面的连续性。这一方案的优势在于新桥施工便捷、成本较低，对现有交通的影响微乎其微，上、下部结构各自独立承受力量，有效避免了因基础沉降不均而产生的额外内力。不足之处在于，若各部分变形不同步，会导致连接部位的铺设受损，进而产生纵向裂缝；此外，过大的沉降差异还可能对行车安全构成威胁。
3.上部结构连接、下部结构不连接
桥梁拼宽段的上部结构板梁与既有桥梁通过植入钢筋及浇筑湿接缝的方式相连接，实现了整体共同承载；而其下部结构则是独立承受负荷，与既有桥梁的下部结构互不干扰。此方案的优势在于上部结构的整体性较强，有利于提升行车的舒适性和安全性，同时下部结构能够独立承担负荷。然而，其不足之处在于基础的不均匀沉降可能会在上部结构的连接部位引发额外的内力开yun体育app官网网页登录入口，进而导致裂缝等病害的产生。
在综合考虑桥梁结构受力、行车安全、施工便利性、实施周期和经济性等因素后，第三种拼宽形式（即上部结构相连、下部结构不相连）在桥梁拼宽设计中展现出显著优势。该方案能够通过优化基础设计等措施有效预防桥面裂缝等病害，是国内高速公路桥梁改扩建工程中普遍采用的主要拼宽技术。
常规桥梁拼宽
运用“上部分结构相连接、下部分结构不相连”的拼接策略，对空心板、T型梁等多样化桥梁结构实施常规的拓宽作业。借助低收缩性混凝土及延迟浇筑湿接缝等手段，显著减轻了不均匀沉降及收缩徐变对接缝造成的负面影响，达到了“更安全、更经济、更耐用”的改造目标。依据已通车使用的拓宽桥梁的实际表现，新旧桥梁拼接部位并未出现裂缝等病害现象。
图7 不同结构桥梁拼接方案
UHPC在错孔拼宽中的应用
针对特定桥梁的拓宽作业，必须采取交错孔洞的布置方式，而在新旧桥梁的接合过程中，则会遇到众多实际难题。例如，若上部结构直接相连kaiyun全站网页版登录，结构变形的不一致性可能导致裂缝的产生；而若选择上部结构不直接连接，并设置纵向缝隙，那么缝隙两侧的变形差异可能会引发行车安全风险。为了解决这些问题，我们研发了一种UHPC-钢板组合接缝的新工艺。该工艺通过桥面铺装实现半刚性连接，有效防止了因结构变形不一致引起的裂缝和行车安全风险，最大限度地提升了现有桥梁结构的重复使用率，确保了新旧桥梁的协同运作，并且消除了传统纵向伸缩缝设置对运营可能造成的负面影响。
图8 UHPC新旧桥梁拼宽改造技术示意图
图9 错孔布置
图10 常规设置纵缝拼接
桩板式结构
在众多受河道、自然保护区、拆迁等因素影响的改扩建工程中，若采用常规的拓宽方法，成本相对较高。鉴于此，根据项目的具体状况，我们引入了桩板式结构来进行拓宽施工。这种结构通过与原有路基或挡墙的连接，成功克服了高挡墙、临水地带以及地形险峻区域的拓宽难题，不仅降低了土地占用，还显著缩短了施工周期。
图11 桩板式结构施工
特大桥改扩建技术
与一般的桥梁拼宽相比，特大桥改扩建主要面临以下四个问题：
（1）大型桥梁结构复杂，不具备结构双侧拼宽条件；
（2）河道防洪要求更高，布设桥跨时需特殊考虑；
（3）施工期间，对既有桥梁及交通存在干扰；
（4）水利部门对新老桥并桥建设的间距要求严格。
以京台高速公路齐河至济南段的改扩建工程中的黄河特大桥为案例，我们将阐述该特大桥在扩建过程中所运用的一系列关键性技术。
京台高速齐济段是全国首个超多车道高速公路改扩建项目，它不仅横跨黄河，还穿过了济南市区，建设环境相当复杂。其中，黄河特大桥老桥的主跨长度达到了210米。根据黄河水利委员会的防洪规定，我们在设计时全面考量了成本、线路布局和景观效果等因素。最终，我们决定将新建桥塔的位置与老桥的次中墩对齐，新桥的主跨设计为530米，并在老桥下游60米的位置进行并桥建设。
图12 黄河特大桥效果图
在挑选桥梁设计时，项目团队全面评估了黄河下游河道的地质状况、桥梁的刚度、承载能力和美学效应，经过综合考量，最终决定采用双塔双索面、塔身高度差异达49米的钢箱梁斜拉桥方案，从而满足了结构性能的各项要求。
为了达到景观效果的和谐与美观，主桥的桥塔依照“鱼跃龙门”的主题进行了设计，而引桥则采用了门型墩，二者相互映衬，共同增强了大桥的整体景观效果。为了减少施工对现有高速公路的影响，桥塔采用了钢壳与混凝土的混合结构，这不仅显著提升了施工的效率与质量，还大幅降低了桥塔施工过程中对邻近高速公路通行安全可能带来的风险。为了适应众多车道的交通需求，该引桥采用了小角度的交叉设计以及双层高速公路的立体布局，这在我国尚属首次，通过小角度高架桥的形式实现了单向车流对既有道路的两次跨越，这不仅节省了土地资源，还降低了交通的干扰。
图13 小角度交叉跨越既有道路
为了减少高速施工对下方旧路交通的干扰，我们采用了跨度达46米的大跨门架式钢盖梁以及钢混结合梁的结构设计。在钢混结合梁的施工过程中，我们采用了整联横向滑移的方法，确保了上层施工对下层公路通行的影响降至最低，这一做法为高速公路的改扩建工程带来了全新的解决方案。
为了增强材料的耐用性，我们在选材上秉持了全生命周期的成本考量，广泛使用了无需涂装的耐候钢。这样不仅有效减轻了运营期间涂装维护对交通的干扰，而且与普通钢桥相比，其整个生命周期的建造成本减少了大约30%。在施工技术方面，我们采用了预制和拼装的方法，仅用了36个小时就完成了8个钢盖梁的整体吊装，极大地缩短了道路封闭的时间，并且显著提升了施工的效率。同时，采用整联横向顶推的施工技术，在完成墩旁支架的总拼作业后，借助滑道梁进行横向滑动，确保了交通的连续性，并未对现有道路的通行造成干扰。
该黄河特大桥在技术应用上取得了多项突破：首次在改扩建项目中采用了钢壳-混凝土桥塔结构；以小角度高架桥的形式，首次成功跨越了现有的高速公路；在改扩建工程中，首次实现了黄河特大桥的并桥建设；并且大规模使用了无需涂装的耐候钢。这些创新成果为高速公路改扩建工程带来了全新的技术理念和示范性的实践经验。
本文对改扩建工程中桥梁拓宽的特性和挑战进行了详尽剖析，总结了常见桥梁上下结构拼接方法的优劣以及结构形式选择的标准。通过具体工程案例，本文深入阐述了拓宽桥梁设计理念和原则在具体工程中的应用情况。特别是，对于上部结构相连而下部结构不相连的拓宽方案，在高速公路改扩建工程中展现出明显的优势，目前这一方案在国内得到了广泛的采纳和应用。针对地质条件优越、施工条件有限或造价受到限制的桥梁，可以根据实际情况挑选其他适宜的方案。同时，通过采用预应力碳纤维板加固、桥梁顶升、UHPC技术等多种方法，我们有效提升了现有桥梁的性能，最大化地利用了道路资源。这些措施充分体现了“安全可靠、经久耐用、降低成本、绿色低碳”的建造理念。
本文刊载 / 《桥梁》杂志
2025年 第1期 总第123期
作者 / 陈成勇
作者单位 / 山东高速集团有限公司
