城市高架調(diào)坡頂升設(shè)計(jì)技術(shù)

夏飛龍，王林凱，田帥帥，李 輝

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230000)

0 引 言

隨著城市的發(fā)展，做好與現(xiàn)狀高架橋的銜接設(shè)計(jì)對(duì)城市高架延伸線(xiàn)建設(shè)而言尤為重要，既要考慮對(duì)現(xiàn)狀道路影響最小，又要保證整條道路改造后的快速化提升目標(biāo)。

如圖1所示，通常做法是對(duì)現(xiàn)狀高架落地橋臺(tái)后的擋墻段進(jìn)行改造，銜接新建高架起點(diǎn)，這種做法會(huì)造成橋下空間無(wú)法利用，需在外側(cè)設(shè)置地面輔道，橋下道路線(xiàn)形較差，兩側(cè)征地拆遷量大，經(jīng)濟(jì)社會(huì)綜合效益不佳。

圖1 現(xiàn)狀橋梁擋墻段改造

如圖2所示，對(duì)現(xiàn)狀高架終點(diǎn)段進(jìn)行調(diào)坡頂升，并與新建高架順接，可在橋下設(shè)置輔道，最大限度的利用橋下空間，提高線(xiàn)路平順度和通行能力，降低征地拆遷量。但橋梁頂升工程難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)性較大，需要專(zhuān)項(xiàng)研究、論證。

圖2 頂升改造方案

橋梁頂升分為整體頂升和調(diào)坡頂升。整體頂升的各個(gè)位置頂升高度一致，如航道升級(jí)時(shí)橋梁整體抬高。調(diào)坡頂升各個(gè)位置頂升高度不同，梁體除整體抬高外還有轉(zhuǎn)動(dòng)，如城市高架終點(diǎn)抬高順接新橋。調(diào)坡頂升分各墩同步頂升、分步到位和角速度一致的等比例頂升兩種方法。各墩同步頂升、分步到位是按照每聯(lián)頂升墩的高度依此排序，各墩先整體同步頂升到最低墩的高度，然后各墩(此時(shí)最低墩已頂升到位，不再繼續(xù)頂升)同步頂升到頂升高度倒數(shù)第二高的位置，依此按上述步驟直至最高墩頂升到位。角速度一致的等比例頂升是根據(jù)各墩頂升的高度，計(jì)算出每個(gè)行程各個(gè)墩的頂升高度，每個(gè)行程頂升時(shí)按照各點(diǎn)高度的比例進(jìn)行頂升。如表1所示，角速度一致的等比例頂升是最為常用的調(diào)坡頂升方法。

1 工程概況

萬(wàn)家麗高架現(xiàn)狀終點(diǎn)三聯(lián)橋跨為(40+60+40)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+3 m×30 m等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+2 m×30 m等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，平曲線(xiàn)半徑為2 000 m，橋?qū)挒?5 m，橋面鋪裝厚度為0.18 m，橋墩采用花瓶墩，橋臺(tái)采用重力式U臺(tái)，樁基采用鉆孔灌注樁。

表1 國(guó)內(nèi)頂升方案

考慮到(40+60+40)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為路口大跨橋，頂升對(duì)路口交通影響大，最終確定對(duì)終點(diǎn)兩聯(lián)橋梁進(jìn)行調(diào)坡頂升，與新建高架銜接，調(diào)整頂升高度為0～3987 mm，頂升面積為3 750 m2，頂升總重量為10 000 t。

2.1 概述

由于原樁帽平面尺寸有限，頂升鋼支撐不能全部布置在原承臺(tái)范圍內(nèi)，需對(duì)原承臺(tái)進(jìn)行加寬補(bǔ)強(qiáng)加固，通過(guò)預(yù)埋螺栓把頂升鋼支撐固定在加固后的承臺(tái)上。在鋼支撐與箱梁底之間安裝頂升千斤頂，設(shè)置跟隨保護(hù)千斤頂防止梁體意外墜落，跟隨保護(hù)千斤頂安裝在原支座拆除后的相應(yīng)位置處，通過(guò)PLC電腦同步控制系統(tǒng)，采用角速度一致等比例頂升的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)抬高橋梁標(biāo)高的目的，頂升完成后拆除隨動(dòng)支撐體系，對(duì)原墩臺(tái)進(jìn)行改造處理，然后安裝支座，完成墊石澆筑，待墊石強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后整體落梁，最后對(duì)上部結(jié)構(gòu)鋪裝改造。總體流程如圖3所示。

圖3 調(diào)坡頂升施工流程圖

2.2 橋梁頂升

(1)頂升前的準(zhǔn)備工作

全面了解橋梁的現(xiàn)有狀況，重點(diǎn)了解橋梁的各類(lèi)損傷狀況及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；實(shí)測(cè)橋梁各組成部分的實(shí)際尺寸，為橋梁頂升施工前提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；根據(jù)橋梁的檢查結(jié)果分析，提出保障橋梁頂升施工的安全技術(shù)措施與建議。檢查內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)尺寸檢查、裂縫檢測(cè)、伸縮縫檢測(cè)等。

(2)基礎(chǔ)承臺(tái)拓寬做為支撐平臺(tái)

利用原墩臺(tái)承臺(tái)作為頂升基礎(chǔ)。由于承臺(tái)尺寸的不足，采用鋼筋混凝土墊梁外伸懸挑的方式進(jìn)行補(bǔ)足，通過(guò)植筋方式與原承臺(tái)連接。

橋臺(tái)與箱梁底部?jī)艨盏牟蛔?，采用?duì)橋臺(tái)進(jìn)行局部鑿除的創(chuàng)造凈空。

(3)支撐墩及頂升系統(tǒng)布設(shè)

橋墩頂升托換支架體系主要采用Φ609 mm鋼管進(jìn)行支撐，壁厚16 mm。為了增強(qiáng)整體穩(wěn)定性，鋼管支撐通過(guò)植筋的方法與承臺(tái)連接固定，鋼管間用14L角鋼連接。鋼管節(jié)間采用法蘭連接，Φ609 mm鋼管與Φ500 mm工具式鋼管墊塊之間采用轉(zhuǎn)換墊塊過(guò)渡。橋臺(tái)位置處鋼管支撐呈“一”字形布置，不能形成空間格構(gòu)柱形式，不利于整體穩(wěn)定。故在其外側(cè)額外布置幾根鋼管柱，與原有鋼支撐形成三角形格構(gòu)柱。

支撐系統(tǒng)還包括部分工具式墊塊。工具式墊塊主體為Φ500 mm的精加工鋼管支撐墊塊，其壁厚為12 mm。高度模數(shù)分為5 cm、10 cm、20 cm、50 cm、100 cm五種。對(duì)于小于5 cm的空間采用不同厚度規(guī)格的圓形鋼板填充。Φ500 mm鋼管支撐墊塊的安裝高度一般不超過(guò)2 m，當(dāng)超過(guò)2 m時(shí)應(yīng)采用Φ609 mm鋼管進(jìn)行替換。

隨動(dòng)支撐下部的鋼箱墊塊隨著頂升高度的增加會(huì)越來(lái)越高，鋼箱墊塊最高可堆積4 m。為保證其鋼箱墊塊的穩(wěn)定性，在原墩柱頂面鋼箱墊塊四周植入直徑為Φ20的鋼筋，然后與鋼箱墊塊外部的鋼板焊接，使墩柱與堆積的鋼箱墊塊形成穩(wěn)定的整體。布置跟隨保護(hù)千斤頂時(shí)必須左右對(duì)稱(chēng)布置，以保證上部箱梁受力均勻，防止上部混凝土具部受力產(chǎn)生裂縫。

千斤頂?shù)捻斏课槐仨毑贾迷谙淞旱膶?shí)心橫隔梁處。千斤頂支撐與新墩柱之間應(yīng)預(yù)留足夠空間，不得妨礙墩柱改造施工。安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.8倍以上。

配置7臺(tái)液壓泵站，采用一套14點(diǎn)同步控制系統(tǒng)，以滿(mǎn)足整體同步頂升調(diào)坡施工及控制。當(dāng)梁體頂升至設(shè)計(jì)高度后，將上部結(jié)構(gòu)荷載全部由液壓千斤頂承擔(dān)并擰緊液壓千斤頂機(jī)械飽壓環(huán)。然后拆除隨動(dòng)千斤頂及其支撐結(jié)構(gòu)，為墩柱改造提供施工空間。

(4)限位擋的設(shè)計(jì)

在墩柱側(cè)立面植筋設(shè)置兩對(duì)混凝土限位擋，在箱梁底通過(guò)植筋的方式設(shè)置兩根鋼結(jié)構(gòu)限位柱，每根鋼結(jié)構(gòu)限位柱夾在一對(duì)混凝土限位檔中間，限位擋和限位柱之間預(yù)留有10 mm的間隙，形成抽拉式限位裝置。

在橋臺(tái)設(shè)置鋼筋混土限位柱，箱梁端部設(shè)置混凝土牛腿。起到橋臺(tái)橫縱限位的功能?；炷亮⒅孛娉叽鐬?00 mm×500 mm。

2.3 下部結(jié)構(gòu)改造

頂升到設(shè)計(jì)高程后，鑿除原下部結(jié)構(gòu)橋墩漸變段，接長(zhǎng)鋼筋，澆筑混凝土。

圖4 橋墩改造

鑿除橋臺(tái)承臺(tái)以上部分，在周?chē)┕ち睆綐痘?，并在原承臺(tái)下再設(shè)置新承臺(tái)形成階梯型承臺(tái)，最后澆筑分聯(lián)墩。

圖5 橋臺(tái)改造

2.4 支座安裝

原墩柱鑿除完成后接高改造前應(yīng)先進(jìn)行新支座的安裝。安裝支座前先在箱梁底面加裝楔形鋼板以恢復(fù)支座安裝面的水平度。待墩柱改造施工完后，采用高強(qiáng)灌漿料澆筑墊石，墊石頂面與支座底面預(yù)留3～5 mm縫隙，采用高強(qiáng)灌漿料壓漿灌實(shí)。

2.5 上部結(jié)構(gòu)改造

上部結(jié)構(gòu)頂升完成后，在分聯(lián)位置會(huì)形成折角，為保證行車(chē)安全需對(duì)鋪裝層改造以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)線(xiàn)形，鋪裝層最厚需加鋪22 cm，改造范圍為第三跨范圍。

墩柱改造、支座安裝、墊石澆筑完成后，進(jìn)行液壓千斤頂及其支撐結(jié)構(gòu)的拆除。

為降低加鋪增加的二期恒載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，采用方案一：加鋪厚度8～22 cm采用輕質(zhì)混凝土并埋設(shè)空心鋼管的加鋪方案，加鋪厚度5～8 cm采用輕質(zhì)混凝土的加鋪方案，加鋪厚度小于5 cm采用瀝青的加鋪方案。方案二：全部采用輕質(zhì)混凝土的加鋪方案。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

改造后二期恒載增加，采用有限元軟件對(duì)兩種加鋪方案的上部結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，并與老橋原方案進(jìn)行對(duì)比。

全橋共建立180個(gè)梁?jiǎn)卧瑔卧L(zhǎng)度為0.5 m，鋪裝及護(hù)欄均以線(xiàn)荷載的形式施加。方案一結(jié)構(gòu)的鋪裝荷載為23.5×(0.1×26+0.08×24)=106.22 KN/m，方案二前兩跨按106.22 KN/m添加鋪裝荷載；第三跨按三角形荷載添加鋪裝荷載，根據(jù)統(tǒng)計(jì)無(wú)縫鋼管重量與輕質(zhì)混凝土重量，確定終點(diǎn)位置荷載集度為136.0 KN/m，起點(diǎn)位置為110.0 KN/m；方案三前兩跨按106.22 KN/m添加鋪裝荷載；第三跨按三角形荷載添加鋪裝荷載，根據(jù)統(tǒng)計(jì)輕質(zhì)混凝土重量，確定終點(diǎn)位置荷載集度為202.0 KN/m，起點(diǎn)位置為110.0 KN/m。

圖6 有限元模型

根據(jù)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)第5.2.2～5.2.5條的規(guī)定，需進(jìn)行使用階段正截面抗彎承載能力驗(yàn)算，由圖7可知，方案一與方案二均滿(mǎn)足截面抗彎承載能力驗(yàn)算要求。方案二截面內(nèi)力較大，但是兩種方案計(jì)算結(jié)果相差小于1%。

圖7 結(jié)構(gòu)使用階段正截面抗彎計(jì)算結(jié)果

根據(jù)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3362-2018)第6.3.1條的規(guī)定，應(yīng)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面抗裂進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用(或荷載)短期效應(yīng)組合下：σst-σpc≤0.7ftk=0.7×2.65=1.86 MPa。由計(jì)算結(jié)果可知，方案一與方案二均滿(mǎn)足規(guī)范要求，其中方案二結(jié)構(gòu)應(yīng)力儲(chǔ)備較小，相比原結(jié)構(gòu)鋪裝方案，方案一結(jié)構(gòu)短期應(yīng)力儲(chǔ)備最大降低了4%，方案二最大降低了10%；方案一結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期應(yīng)力儲(chǔ)備最大降低了16%，方案二最大降低了20%。

圖8 截面抗裂計(jì)算結(jié)果

根據(jù)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)第6.3.1-2和6.3.3條的規(guī)定，應(yīng)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件斜截面混凝土的主拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，由計(jì)算結(jié)果可知方案一與方案二混凝土截面主應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范限值要求。方案一主應(yīng)力儲(chǔ)備相比原方案最大減少3%，方案二主應(yīng)力儲(chǔ)備相比原方案最大減少9.8%。

圖9 斜截面抗裂計(jì)算結(jié)果

根據(jù)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)第7.1.3、7.1.4和7.1.5條的規(guī)定，應(yīng)對(duì)使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面混凝土的壓應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算；根據(jù)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)第7.1.6條的規(guī)定，應(yīng)對(duì)使用階段斜截面主壓應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。由計(jì)算結(jié)果可知，方案一、方案二截面正應(yīng)力均小于0.5fcd=16.2 MPa；斜截面主應(yīng)力均小于0.6fcd=19.44 MPa。方案一相比原方案截面正應(yīng)力最大增加了0.6%，斜截面主應(yīng)力最大增加了0.6%；方案二相比原方案截面正應(yīng)力最大增加了1.6%，斜截面主應(yīng)力最大增加了1.7%。

圖10 使用階段截面應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

橋梁頂升工程難度大，設(shè)置跟隨保護(hù)千斤頂和限位擋可有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

頂升完成后需要對(duì)橋面鋪裝進(jìn)行加鋪改造，通過(guò)對(duì)兩種加鋪方案的比較可得：

(1)方案一與方案二的截面抗彎承載能力計(jì)算均滿(mǎn)足規(guī)范要求。方案二截面內(nèi)力較大，但是兩種方案計(jì)算結(jié)果相差小于1%。

(2)方案一與方案二均滿(mǎn)足規(guī)范要求，其中方案二結(jié)構(gòu)應(yīng)力儲(chǔ)備較小，相比原結(jié)構(gòu)鋪裝方案，方案一結(jié)構(gòu)短期應(yīng)力儲(chǔ)備最大降低了4%，方案二最大降低了10%；方案一結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期應(yīng)力儲(chǔ)備最大降低了16%，方案二最大降低了20%。

(3)方案一與方案二混凝土截面主應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范限值要求。方案一主應(yīng)力儲(chǔ)備相比原方案最大減少3%，方案二主應(yīng)力儲(chǔ)備相比原方案最大減少9.8%。

(4)方案一、方案二截面正應(yīng)力均小于0.5fcd=16.2 MPa；斜截面主應(yīng)力均小于0.6fcd=19.44 MPa。方案一相比原方案截面正應(yīng)力最大增加了0.6%，斜截面主應(yīng)力最大增加了0.6%；方案二相比原方案截面正應(yīng)力最大增加了1.6%，斜截面主應(yīng)力最大增加了1.7%。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀高架終點(diǎn)段進(jìn)行調(diào)坡頂升，實(shí)現(xiàn)了與新建高架的順接和橋下輔道設(shè)置，提高線(xiàn)路平順度和通行能力，降低征地拆遷量。