高速公路改擴(kuò)建曲線橋梁改造設(shè)計(jì)

李邦映， 魏慶慶， 鄭國(guó)華

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的高速公路開始改擴(kuò)建，由于大部分高速公路為近二三十年來新建的，橋梁狀況尚好，為盡量利用原有結(jié)構(gòu)，降低資源消耗，節(jié)約工程造價(jià)，原有橋梁能夠予以利用的應(yīng)盡量進(jìn)行改造利用。由于經(jīng)過多年運(yùn)營(yíng)以及施工誤差，橋梁現(xiàn)狀與原設(shè)計(jì)具有一定差異，同時(shí)由于病害隱蔽、測(cè)量和檢測(cè)困難等特殊性，改造影響因素多、難度大且極具靈活性，造成構(gòu)造變化多、施工復(fù)雜、控制難度大等困難[1-5]。

該文以安徽省岳武高速公路上某互通立交G匝道橋改擴(kuò)建為例，詳述橋梁改造設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)方案，供類似工程參考。

1 工程概況

互通立交G匝道橋現(xiàn)狀采用分離式斷面，左幅不再利用，予以拆除，右幅由于狀況良好，進(jìn)行改造利用。

G匝道橋全長(zhǎng)497.13 m，共四聯(lián)，橋面全寬10.5 m，設(shè)計(jì)荷載：汽-超20，掛-120[6]。

橋梁平面位于半徑285.75 m和1 505.75 m的平曲線上，實(shí)測(cè)跨徑布置和上、下部結(jié)構(gòu)類型見表1和表2。

表1 G匝道橋?qū)崪y(cè)跨徑布置和上部結(jié)構(gòu)類型

表2 G匝道橋下部結(jié)構(gòu)類型

改造后第一～三聯(lián)平面線形與現(xiàn)狀一致，橋面高程比現(xiàn)狀橋面抬升1.3～57.8 cm，擬采用主梁整體旋轉(zhuǎn)頂升和橋面輕型化對(duì)第一～第三聯(lián)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造利用；改造后第四聯(lián)平面線形與現(xiàn)狀最大偏位約40 cm，橋面高程比現(xiàn)狀橋面抬升57.8～217.9 cm，第四聯(lián)平面偏位較大，擬按照新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除重建。下部結(jié)構(gòu)根據(jù)墩(臺(tái))具體情況進(jìn)行拆除重建或改造利用。

改造后橋梁承載能力需滿足現(xiàn)行規(guī)范中公路-I級(jí)荷載[7]要求。

2 主梁整體旋轉(zhuǎn)頂升

曲線橋梁整體旋轉(zhuǎn)頂升是各種橋梁頂升中最為復(fù)雜的一種姿態(tài)變化，頂升過程中既要控制曲線橋梁繞主梁旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，還要控制主梁縱向滑移和橫向擺動(dòng)，防止梁體傾覆或開裂[5]，同時(shí)要綜合考慮上、下部結(jié)構(gòu)受力、下部改造施工需要等多種因素，因此，橋梁整體旋轉(zhuǎn)頂升設(shè)計(jì)、施工復(fù)雜，控制難度大，必須進(jìn)行充分研究。

2.1 主要施工工藝

根據(jù)橋梁實(shí)際情況并結(jié)合國(guó)內(nèi)類似橋梁施工的成熟經(jīng)驗(yàn)，推薦采用PLC控制液壓同步頂升系統(tǒng)，利用主頂、跟隨頂交替頂升梁體[3]。G匝道橋改造主要施工工藝為：

(1)橋面減載。為降低頂升要求、保證結(jié)構(gòu)和施工安全、確保順利起頂以及后續(xù)改造需要，頂升之前應(yīng)切除護(hù)欄、刨除橋面鋪裝、解除伸縮縫、排水管等附屬構(gòu)件。

(2)主梁同步頂升。為使梁體與原支座脫空、順利移除支座，主梁同步頂升一定位移，為保證頂升安全和利于控制，頂升過程中應(yīng)設(shè)置多個(gè)行程。

(3)主梁旋轉(zhuǎn)頂升。以選定軸線作為旋轉(zhuǎn)軸、按照比例旋轉(zhuǎn)頂升主梁，直至主梁頂升到位。

(4)下部結(jié)構(gòu)改造。頂升到位后，進(jìn)行墩柱切除、接高或蓋梁增設(shè)、墊石加高施工。

(5)同步落梁。下部結(jié)構(gòu)改造完成后進(jìn)行同步落梁，落梁建議以梁底支座墊石鋼板至支座頂面鋼板的距離，將主梁的頂升誤差、橋墩施工誤差修正至梁底支座墊石的高度里，以保證落梁后的線形與設(shè)計(jì)線形相符。

(6)橋面施工。落梁完成后，施工護(hù)欄、橋面調(diào)平層、防水層和瀝青混凝土鋪裝。

2.2 頂升參數(shù)控制因素

G匝道橋頂升參數(shù)的確定主要考慮以下因素：

(1)頂升位移應(yīng)盡量小，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

(2)頂升位移應(yīng)滿足支座更換、墊石加高、墩柱接高等工藝操作空間要求。

(3)頂升方案應(yīng)使混凝土調(diào)平層厚度滿足最小需求且分布對(duì)稱均勻，盡量降低調(diào)平層自重，減小對(duì)主梁和下部結(jié)構(gòu)的影響。

(4)頂升方案應(yīng)有利于施工，步驟簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單。

2.3 頂升主要參數(shù)

主梁頂升過程主要涉及三個(gè)步驟：同步頂升、旋轉(zhuǎn)頂升和同步落梁，如圖1所示。

圖1 主梁整體旋轉(zhuǎn)頂升示意圖

同步頂升和同步落梁兩個(gè)步驟由于不存在主梁旋轉(zhuǎn)問題，一聯(lián)中各位移控制點(diǎn)的位移參數(shù)保持一致，而旋轉(zhuǎn)頂升步驟中各位移控制點(diǎn)位移參數(shù)與距旋轉(zhuǎn)軸的距離成比例關(guān)系。

如圖2所示，A點(diǎn)為路線中心線處位移控制點(diǎn)，B、C點(diǎn)分別為一聯(lián)中其他位移控制點(diǎn)，由于一聯(lián)中各位移控制點(diǎn)繞旋轉(zhuǎn)軸0-0'的旋轉(zhuǎn)角度相同，已知A點(diǎn)頂升位移，則B點(diǎn)、C點(diǎn)的頂升位移分別為:

圖2 旋轉(zhuǎn)頂升參數(shù)計(jì)算示意圖

根據(jù)改建后橋面設(shè)計(jì)高程、實(shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)和施工工藝要求，在充分考慮前述控制因素的前提下，按照上述原理，計(jì)算出第一～三聯(lián)各墩(臺(tái))對(duì)應(yīng)位置路線中心線處理論頂升位移，見表3～表5。

頂升施工前應(yīng)根據(jù)實(shí)際千斤頂布置方案合理劃分控制單元，詳細(xì)計(jì)算每個(gè)控制單元的理論位移，從而比較精確地實(shí)現(xiàn)同步頂升[2]。

表3 第一聯(lián)主梁理論頂升位移(單位：cm)

表4 第二聯(lián)主梁理論頂升位移(單位：cm)

表5 第三聯(lián)主梁理論頂升位移(單位：cm)

各墩(臺(tái))對(duì)應(yīng)位置主梁豎向理論頂升力見表6，據(jù)此進(jìn)行千斤頂型號(hào)的初步選擇和方案布置。

表6 第一～三聯(lián)主梁理論頂升力(單位：kN)

2.4 頂升施工監(jiān)控要求

G匝道橋主梁為混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力對(duì)位移差比較敏感，且一聯(lián)跨數(shù)多，又處于平曲線上，千斤頂控制單元、臨時(shí)支架數(shù)量多，頂升系統(tǒng)復(fù)雜，施工難度大，頂升過程中若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差并做出調(diào)整，很容易造成梁體開裂或不能正常起頂，因此，橋梁整體旋轉(zhuǎn)頂升過程中需要全程監(jiān)控、步步控制[1]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)并參考類似項(xiàng)目[1,4]，頂升時(shí)除對(duì)主梁和臨時(shí)支撐外觀進(jìn)行目視檢查外，建議對(duì)以下項(xiàng)目進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控：

(1)頂升力與位移。由集成在PLC系統(tǒng)中的液壓和位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(2)頂升高度和橋面高程。在墩頂主梁底緣和橋面分別設(shè)置固定測(cè)點(diǎn)，每一行程后利用百分表和全站儀對(duì)主梁頂升高度進(jìn)行復(fù)測(cè)，以與PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，確保頂升位移在允許范圍內(nèi)。

(3)主梁縱、橫向位移。在主梁底緣中線位置設(shè)置百分表測(cè)點(diǎn)測(cè)量主梁頂升過程中縱、橫向偏移量。

(4)主梁上、下緣應(yīng)力變化。在墩頂附近主梁頂、底緣位置設(shè)置表面應(yīng)變計(jì)，確保頂升過程中混凝土應(yīng)力變化在安全范圍內(nèi)。

(5)臨時(shí)支撐應(yīng)力和位移。在臨時(shí)支撐鋼結(jié)構(gòu)上設(shè)置應(yīng)變計(jì)、位移觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保頂升過程中臨時(shí)結(jié)構(gòu)安全。

3 橋面輕型化

G匝道橋現(xiàn)狀橋面鋪裝采用9 cm厚瀝青混凝土，并設(shè)置9 cm厚40號(hào)混凝土調(diào)平層；改建后橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土，第一～三聯(lián)設(shè)置防水混凝土調(diào)平層，第四聯(lián)不設(shè)置混凝土調(diào)平層。

如圖3所示，為減輕橋面自重，調(diào)平層混凝土采用C40輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土，要求容重不大于19 kN/m3；局部混凝土厚度超過16 cm時(shí)，調(diào)平層內(nèi)設(shè)置直徑8 cm的UPVC管道；內(nèi)、外側(cè)防撞護(hù)欄由混凝土結(jié)構(gòu)改為鋼結(jié)構(gòu)。

圖3 橋面鋪裝輕型化改造(單位：cm)

第一～三聯(lián)橋面輕型化改造前后橋面恒載變化情況見表7，輕型化改造后橋面恒載重量降低達(dá)到6.7%～15.3%，減重效果明顯，有效提高主梁的活載承載能力。

表7 第一～三聯(lián)橋面輕型化成果(單位：kN)

4 下部結(jié)構(gòu)改造

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橋墩(臺(tái))采用不同的改造方案：

(1)0#、20#橋臺(tái)：由于橋梁左幅拆除和橋臺(tái)構(gòu)造調(diào)整需要，0#、20#橋臺(tái)拆除重建，繼續(xù)采用重力式U型橋臺(tái)。

(2)1#～6#、10#～14#橋墩：第一、三聯(lián)主梁頂升高度最大約為18.5 cm，高差較小，采用增加墊石高度方式進(jìn)行局部改造，如圖4所示。

圖4 1#～6#、10#～14#橋墩支座墊石處理(單位：cm)

(3)16#～19#橋墩：第四聯(lián)主梁拆除重建，高差達(dá)到57.8～217.9 cm，高差較大，采用墩頂局部切除、增設(shè)蓋梁方式進(jìn)行改造，如圖5所示。

圖5 16#～19#橋墩增設(shè)蓋梁(單位：cm)

(4)15#橋墩：15#橋墩為第三、四聯(lián)的過渡墩，采用墩頂局部切除、增設(shè)蓋梁方式進(jìn)行改造，如圖6所示。

圖6 15#橋墩增設(shè)蓋梁(單位：cm)

(5)7#～9#橋墩：主梁頂升高度達(dá)到25.7～36.1 cm，考慮擋塊加高需要，采用加厚蓋梁方式進(jìn)行改造。

(6)支座更換。橋梁已運(yùn)營(yíng)約15年，橡膠支座基本已達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，第一、三聯(lián)支座更換為球形支座，第二聯(lián)支座更換為板式橡膠支座。

5 結(jié)束語(yǔ)

G匝道橋作為運(yùn)營(yíng)中的橋梁，具有病害隱蔽、測(cè)量和檢測(cè)困難等特殊性，且改造內(nèi)容多，施工復(fù)雜，施工控制難度大。為確保改擴(kuò)建達(dá)到預(yù)期效果，尚應(yīng)采取以下措施：

(1)堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工。橋梁封閉后應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)尺寸、狀態(tài)進(jìn)行復(fù)測(cè)和復(fù)檢，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)文件、施工組織進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

(2)堅(jiān)持換手測(cè)量、交叉復(fù)核。由于測(cè)量數(shù)據(jù)直接影響橋梁頂升和改造方案、橋面恒載，必須確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備性和唯一性，參建各方應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互校核。