城市橋梁頂升改造橋面線形擬合及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

王曉峰

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

隨著同步頂升技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的不斷推廣應(yīng)用，橋梁頂升技術(shù)也多樣化發(fā)展，越來(lái)越多不同結(jié)構(gòu)類型的橋梁被成功頂起，頂升橋梁的重量越來(lái)越重，頂起的高度也越來(lái)越大。然而目前橋梁同步頂升技術(shù)系統(tǒng)的理論研究仍遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)和施工主要依賴于經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)的理論依據(jù)，也沒(méi)有相關(guān)的規(guī)范可供指導(dǎo)，缺少標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)分析模型，對(duì)既有橋梁頂升前和頂升后的性能評(píng)估也缺乏完善的手段和操作規(guī)范，對(duì)橋梁頂升過(guò)程中監(jiān)控與控制的研究也較少，這些不足給橋梁改造的建設(shè)管理造成了混亂，給施工安全帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)，也對(duì)橋梁頂升技術(shù)的發(fā)展非常不利，亟需對(duì)橋梁頂升關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，使橋梁頂升技術(shù)朝著標(biāo)準(zhǔn)化、快速化及規(guī)范化的方向發(fā)展。因此，系統(tǒng)地總結(jié)和歸納橋梁頂升改造方法，對(duì)推動(dòng)中國(guó)在役橋梁改造技術(shù)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

廈門(mén)市仙岳路與成功大道立交改造提升工程是當(dāng)時(shí)中國(guó)國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、頂升高度最大(最大頂升高度達(dá)11.26 m)、技術(shù)含量最高(改造前后橋面線形變化復(fù)雜)、橋梁類型多(既有混凝土橋也有鋼箱梁橋)的一項(xiàng)橋梁頂升工程。該文以此工程為依托，對(duì)城市橋梁頂升關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究與總結(jié)，該工程的順利完工也驗(yàn)證各關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)的可行性，其相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可為類似城市高架頂升改造提供參考。

1 項(xiàng)目概況

仙岳路位于廈門(mén)本島的中部，西起海滄大橋，東至翔安隧道，自西向東貫穿整個(gè)廈門(mén)島，全長(zhǎng)10.1 km，是連接海滄、翔安輔城的重要通道。由于仙岳路與成功大道立交的主線高架、仙岳路西段高架和金尚路跨線橋相連,如圖1所示，需要對(duì)高架下橋和跨線橋上橋處的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造處理。

圖1 仙岳路-成功大道立交

考慮既有跨線橋建成時(shí)間較短，結(jié)構(gòu)較新，為節(jié)省工程投資和減少拆除重建產(chǎn)生的社會(huì)影響，在保證結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營(yíng)后行車(chē)舒適的前提下，應(yīng)盡可能多通過(guò)頂升改造利用既有橋梁結(jié)構(gòu)。

方案設(shè)計(jì)在保證結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營(yíng)后行車(chē)舒適的前提下，按照盡量利用既有橋梁結(jié)構(gòu)、減少橋梁拆除工程的原則進(jìn)行。在對(duì)原結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估之后，采取如下原則進(jìn)行：

(1) 當(dāng)一聯(lián)箱梁范圍內(nèi)新的橋面設(shè)計(jì)高程與現(xiàn)狀橋面高程差值為-3～+18 cm時(shí)，通過(guò)增加混凝土調(diào)平層或減少現(xiàn)有橋面鋪裝厚度來(lái)滿足橋面線形要求。

(2) 當(dāng)一聯(lián)箱梁范圍內(nèi)新的橋面設(shè)計(jì)高程比現(xiàn)狀橋面高程高出18 cm以上，且通過(guò)設(shè)置空心管材和采用調(diào)平混凝土仍難以滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高要求時(shí)，則對(duì)現(xiàn)狀橋梁進(jìn)行頂升處理。

(3) 對(duì)于通過(guò)設(shè)置空心管材和采用調(diào)平混凝土且經(jīng)頂升處理后不能滿足結(jié)構(gòu)受力要求的箱梁，則進(jìn)行加固處理以使其能滿足要求。

(4) 若采用減載和加固措施后結(jié)構(gòu)仍不滿足受力要求但結(jié)構(gòu)為鋼箱梁時(shí)，可采用將鋼箱梁分段切割，頂升后再分段拼裝的方式。

(5) 如難以加固，或者考慮施工期間交通組織等因素，難以利用的，拆除現(xiàn)狀箱梁，澆注新的箱梁。

頂升設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 頂升設(shè)計(jì)流程圖

2 頂升改造中橋面線形設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目以上述頂升改造原則和圖2所示的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，下文詳細(xì)介紹該工程中具有代表性的頂升改造設(shè)計(jì)方案及相關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。

2.1 仙岳路高架橋下橋段改造方案

原仙岳路高架橋下橋段跨越臺(tái)灣街路口后落地，如圖3所示，其中跨臺(tái)灣街路口采用三跨等高鋼箱梁(第三聯(lián))，其右側(cè)第四聯(lián)為梁高2 m的三跨等高預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。現(xiàn)狀橋梁位于坡度為4.53%的下坡段。根據(jù)改造后道路的設(shè)計(jì)線形要求，改造后這兩聯(lián)橋位于坡度為2.74%的上坡段。第三、四聯(lián)箱梁改造前后縱斷面高差為0.001～11.261 m。

圖3 仙岳路高架下橋段第三、四聯(lián)箱梁

2.1.1 第三聯(lián)箱梁改造方案

由于橋面豎曲線的影響，通過(guò)橋梁的整體頂升，第三聯(lián)的橋面豎曲線仍與改造后道路設(shè)計(jì)豎曲線有較大差異，若僅僅通過(guò)加鋪混凝土調(diào)平層的方法來(lái)處理，最厚調(diào)平層為97 cm。結(jié)構(gòu)分析表明：由于調(diào)平層導(dǎo)致橋梁二期恒載增加，使得該聯(lián)橋梁即使采取減載、加固措施，仍無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)受力要求；設(shè)計(jì)考慮利用鋼結(jié)構(gòu)良好的焊接性能特點(diǎn)，提出將鋼箱梁切割成6段(圖4)然后分段頂升、再拼接成整體的改造方案。

圖4 仙岳路高架橋下橋段第三聯(lián)改造方案(單位：mm)

具體改造方案如下：橋下搭設(shè)支架→刨除橋面瀝青鋪裝、拆除伸縮縫→在各支點(diǎn)和中跨、次邊跨跨中分別切除并吊走部分梁段→使原三跨連續(xù)梁變成6段簡(jiǎn)支梁→頂升各段梁體至設(shè)計(jì)高程→吊裝新制節(jié)段→調(diào)整節(jié)段間隙和高程→焊接成三跨連續(xù)梁→拆除支架→重新鋪設(shè)橋面鋪裝、安裝伸縮縫。

2.1.2 第四聯(lián)箱梁的改造方案

相較于第三聯(lián)，第四聯(lián)在改造前后其豎曲線均位于直線段上，因此，設(shè)計(jì)采用整體頂升的改造方案。通過(guò)頂升設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，橋面豎向線形最大高差為8.0 cm，故對(duì)于第四聯(lián)采用在箱梁頂部增設(shè)混凝土調(diào)平層的橋面線形改造方案。

2.2 金尚路高架橋第一聯(lián)改造方案

現(xiàn)有金尚路跨線橋布置為雙幅橋，均為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。第一聯(lián)改造前后平面位于圓曲線上，立面位于直線段上，新橋面比現(xiàn)狀橋面高0.07～1.433 m，因此，此次設(shè)計(jì)對(duì)該聯(lián)箱梁進(jìn)行頂升改造處理，通過(guò)頂升、旋轉(zhuǎn)后，原橋臺(tái)處箱梁末端比新橋面低47 cm，若直接采用混凝土調(diào)平層進(jìn)行線形擬合，那么改造后二期恒載大大增加，原箱梁結(jié)構(gòu)很難保證其后期的承載力。通過(guò)對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力評(píng)估，最終確定采用增設(shè)混凝土調(diào)平層+ PP管及在箱內(nèi)布置體外預(yù)應(yīng)力加固的改造方案。

圖5為改造后的金尚路高架第一聯(lián)橋臺(tái)附近混凝土調(diào)平層構(gòu)造圖。對(duì)圖5所示混凝土鋪裝來(lái)說(shuō)，若不增加埋入PP管，其斷面面積為1.44 m2，埋入PP管后，其斷面面積僅為0.84 m2；由此可估算得出，通過(guò)埋入PP管，實(shí)現(xiàn)新增混凝土調(diào)平層減載率達(dá)42%。

圖5 金尚路高架第一聯(lián)橋臺(tái)附近調(diào)平層構(gòu)造圖(單位：cm)

2.2.1 新增鋪裝層應(yīng)力驗(yàn)算

盡管通過(guò)在混凝土鋪裝中埋入PP管能夠?qū)崿F(xiàn)減載的目的，但由于調(diào)平層自身混凝土強(qiáng)度較低、鋼筋也較少，如圖6所示，如PP管徑布置不合理，在輪載局部效應(yīng)作用下，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破損，影響結(jié)構(gòu)后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的正常使用功能與壽命。

為得出PP管導(dǎo)致的孔洞對(duì)調(diào)平層的影響，采用有限元分析軟件建立一段長(zhǎng)為3.23 m的箱梁及調(diào)平層精細(xì)化有限元模型。全模型共201 372個(gè)單元，316 404個(gè)節(jié)點(diǎn)，為得到精確的應(yīng)力分布，選用高階的10節(jié)點(diǎn)四面體單元，模型中考慮了調(diào)平層中普通鋼筋的作用。

圖6 金尚路高架第一聯(lián)混凝土調(diào)平層設(shè)計(jì)

圖7為驗(yàn)算調(diào)平層應(yīng)力的車(chē)輛輪載布置圖，根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》確定每個(gè)加載點(diǎn)為140 kN，加載面積為0.2 m×0.6 m。輪載作用下箱梁主應(yīng)力分布見(jiàn)圖8。

圖7 車(chē)輛輪載布置圖(單位：m)

由圖8可得：在輪載作用下，結(jié)構(gòu)的最大主拉應(yīng)力為4.69 MPa，最大第一主應(yīng)力發(fā)生在箱梁頂板與腹板相交的倒角處；最大主壓應(yīng)力為7.72 MPa。外側(cè)直腹板附近頂板調(diào)平層主拉應(yīng)力較大，最大主拉應(yīng)力為1.51 MPa，根據(jù)混凝土規(guī)范可知，調(diào)平層混凝土(C40)的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.71 MPa，說(shuō)明當(dāng)前調(diào)平層在輪載作用下應(yīng)力滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)驗(yàn)算

新、舊橋面高差最大處位于橋梁的兩端，向中支點(diǎn)逐漸減少，即邊跨自重增加最多，中跨增加較少，如圖9所示。

由圖9可知：混凝土調(diào)平層導(dǎo)致邊跨二期荷載最大增加72.1 kN/m，第三跨跨中最小為0。相較于原來(lái)的二期恒載48.3 kN/m來(lái)說(shuō)，兩個(gè)邊跨的荷載增加了近1.5倍。新增混凝土鋪裝層總重2 676.97 kN，原二期恒載總重為7 245.00 kN。新增混凝土鋪裝導(dǎo)致邊跨跨中彎矩較改造前增加了22.4%，墩頂截面負(fù)彎矩最大增加了23.7%。經(jīng)對(duì)現(xiàn)狀混凝土箱梁進(jìn)行檢算后，增加鋪裝荷載后，梁體原有預(yù)應(yīng)力布置不能滿足受力要求，需對(duì)既有箱梁增設(shè)如圖10所示預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固處理(僅示一半)。在第1、5孔增設(shè)3束15φs15.2型預(yù)應(yīng)力索，第2～4孔均增設(shè)3束12φs15.2型預(yù)應(yīng)力索。

圖8 輪載作用下箱梁的主應(yīng)力(單位：MPa)

圖9 因橋面曲線擬合導(dǎo)致的二期恒載的增量(單位：kN/m)

圖10 增加的預(yù)應(yīng)力縱向布置圖(單位：cm)

如圖11所示，若不進(jìn)行加固，在短期荷載組合下，結(jié)構(gòu)第二跨和第四跨的1/8截面附近的正截面應(yīng)力超過(guò)規(guī)范容許值。加固后，全結(jié)構(gòu)的正截面應(yīng)力均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

圖12為金尚路高架第一聯(lián)加固前、后長(zhǎng)期荷載組合下結(jié)構(gòu)的正截面應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果。結(jié)果表明：在長(zhǎng)期荷載組合下，加固前、后結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求。加固后結(jié)構(gòu)整體的壓應(yīng)力儲(chǔ)備較加固前有明顯提高。由圖13可知，除邊跨支座節(jié)點(diǎn)外，加固前后結(jié)構(gòu)均處于受壓狀態(tài)，滿足規(guī)范要求；加固后，結(jié)構(gòu)的斜截面主拉應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力峰值也明顯減小。

圖11 短期荷載組合下正截面應(yīng)力驗(yàn)算

圖12 長(zhǎng)期荷載組合下正截面應(yīng)力驗(yàn)算

圖13 正常使用極限狀態(tài)下斜截面應(yīng)力驗(yàn)算

圖14為加固前、后正常使用極限狀態(tài)下正截面應(yīng)力驗(yàn)算圖。加固前、后結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力小于13.0 MPa，滿足規(guī)范要求。加固后結(jié)構(gòu)的正截面壓應(yīng)力儲(chǔ)備稍有增加。

如圖15所示，在正常使用極限狀態(tài)下加固前、后結(jié)構(gòu)的最大斜截面主壓應(yīng)力小于10.0 MPa，滿足規(guī)范要求；加固后，結(jié)構(gòu)的主壓應(yīng)力稍有增加。

由圖16所示的正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果可以看出：在加固前由于增加的混凝土調(diào)平層自重的影響，結(jié)構(gòu)大部分的抗彎承載力不滿足規(guī)范要求；加固后結(jié)構(gòu)的抗彎承載力，尤其是兩個(gè)邊跨的抗彎承載力有大幅提高，所有截面抗彎承載力均滿足規(guī)范要求。

圖14 正常使用極限狀態(tài)下正截面應(yīng)力驗(yàn)算

圖15 正常使用極限狀態(tài)下斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算

圖16 正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果圖

3 結(jié)論

以廈門(mén)市仙岳路與成功大道立交改造提升工程為例，研究了城市橋梁頂升改造中變化的橋面線形的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法。從節(jié)省成本和減少社會(huì)影響的角度，根據(jù)合理的結(jié)構(gòu)頂升高度設(shè)計(jì)、減載及加固措施以及利用鋼結(jié)構(gòu)可二次加工的特點(diǎn)，總結(jié)了頂升改造設(shè)計(jì)的5個(gè)原則。最后分別以仙岳路高架橋下橋段改造和金尚路高架橋第一聯(lián)改造為例，詳細(xì)介紹了不同結(jié)構(gòu)形式、不同橋面線形要求時(shí)頂升后目標(biāo)橋面線形的成形方法和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算內(nèi)容，可為以后類似工程提供設(shè)計(jì)參考。