拱橋擴(kuò)建工程中老橋結(jié)構(gòu)的保護(hù)

徐大為 盛志偉 張志敏

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

城市更新是使城市保持生命力的一種調(diào)節(jié)機(jī)制。隨著城市更新實(shí)踐已從最初的大規(guī)模重建轉(zhuǎn)向全面保護(hù)性更新及可持續(xù)發(fā)展，城市更新的方法也從外科手術(shù)式的推倒重建轉(zhuǎn)向小規(guī)模漸進(jìn)式、重視傳統(tǒng)保護(hù)的改建。既有橋梁更新改造是城市更新的重要組成部分，上海地區(qū)典型案例有外白渡橋和松浦大橋改造工程。外白渡橋改造包括老橋下部結(jié)構(gòu)形式改善以及上部結(jié)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重部位加固更換[1]；松浦大橋改造包括上層雙向兩車道公路橋面拓寬為雙向四車道以及下層單線鐵路橋面改造成寬5 m的非機(jī)動車道[2]。以上所舉案例均為梁式橋改造工程，對上海地區(qū)多跨連續(xù)拱橋擴(kuò)建工程有一定的借鑒意義。

1 工程背景

1.1 工程概況

上海市青浦區(qū)金商公路需從原來雙車道路面拓寬為六車道路面。公路上原白石磯大橋（以下簡稱“老橋”）建于1986年3月，位于淀山湖與元蕩交匯處，為七跨連續(xù)鋼筋混凝土肋拱橋，曾獲上海市優(yōu)秀設(shè)計(jì)獎、上海市市政金獎，是當(dāng)時(shí)上海市郊少有的大型橋梁之一，也是淀山湖風(fēng)景區(qū)標(biāo)志性建筑（圖1）。老橋原有雙車道路面成為了金商公路拓寬工程中的一大阻礙，如何改建是一大難題。經(jīng)過專家與相關(guān)部門多輪探討，確定最終方案為保留并充分利用現(xiàn)有老橋，緊貼老橋東側(cè)新建一座橋型和跨徑布置與老橋一致的橋梁（以下簡稱“新橋”）（圖2）。

圖1 金商公路原白石磯大橋

圖2 老橋（左）與新橋（右）的位置關(guān)系

1.2 結(jié)構(gòu)形式

老橋全長313 m，主橋長245 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為七跨連續(xù)預(yù)制混凝土肋拱橋，每拱跨度33.52 m，為三段式法蘭連接無鉸拱，蓋梁與肋拱以預(yù)制立柱連接，橋面系為預(yù)制空心橋面板，下部結(jié)構(gòu)為8根φ1 000 mm鉆孔灌注樁＋承臺形式，樁長27 m。新橋全長410.6 m，主橋長268.16 m，跨徑布置為16.76 m＋7×33.52 m＋16.76 m，為上承式多跨無鉸肋拱橋，結(jié)構(gòu)布置從下到上依次為：12根φ1 200 mm鉆孔灌注樁（樁長41 m）、鋼筋混凝土橋墩、預(yù)制拱肋及系梁、立柱及柱帽和系梁、預(yù)應(yīng)力系桿及支座、鋼混組合橋面板、橋面附屬。

1.3 難點(diǎn)分析

新橋緊貼老橋建造，最近距離僅有5 cm，故新橋填土圍堰、樁基橋墩、地上結(jié)構(gòu)施工等工序?qū)蠘虼嬖谳^大影響。如何預(yù)判影響程度以提前采取預(yù)防措施，在施工過程中加強(qiáng)對老橋的監(jiān)測與保護(hù)，是老橋保護(hù)的難點(diǎn)。

2 老橋位移沉降模擬

2.1 地質(zhì)條件

水面絕對高程為1.50 m，土層頂部絕對高程為－1.00 m。老橋所處地塊土層參數(shù)如表1所示。每層土視為平整土層。

表1 土層參數(shù)

2.2 土體建模與邊界條件

模擬時(shí)不考慮流固耦合，計(jì)算時(shí)孔隙水壓力保持不變，土體的彈塑性狀態(tài)由有效應(yīng)力決定。根據(jù)土層分布情況，借助FLAC3D軟件以塊體建立8層土層模型，老橋主橋橋墩由南到北編號依次為5—12，x軸沿南北方向，以北為正；y軸沿東西方向，以西為正；z軸沿豎直方向，以向上為正。土體選用摩爾-庫侖模型，混凝土樁與承臺的物理模型設(shè)為彈性模型（圖3）。為能更好地模擬樁土界面的力的傳遞和相對位移，在樁土界面處建立接觸面，接觸面與土體相似，物理模型選用摩爾-庫侖模型[3]?；炷馏w積模量取16.7 GPa，剪切模量取12.5 GPa。接觸面的法向剛度與切向剛度初始取為1×108Pa，為樁周土彈性模量的10倍。

圖3 老橋、新橋樁基與土體模型

邊界條件設(shè)置為：四周的四個(gè)面固定法向位移，即滑動鉸支座，底面約束法向位移與水平位移，即固定鉸支座，頂面為自由面。

2.3 計(jì)算路線與荷載簡化

在分析新橋施工對老橋橋墩的影響時(shí)，不考慮新橋樁基混凝土澆筑的影響[4]。計(jì)算過程共分三個(gè)階段：初始地應(yīng)力生成階段、老橋附加應(yīng)力場生成階段、新橋附加應(yīng)力場生成階段。第三階段計(jì)算前應(yīng)清空第一、二階段產(chǎn)生的位移場與速度場，邊界條件與第二階段相同。

計(jì)算模型的應(yīng)力邊界條件為新橋、老橋的上部荷載在橋墩處產(chǎn)生的豎向應(yīng)力及土上2.5 m水深產(chǎn)生的水壓。新橋的上部荷載通過已有施工圖及相關(guān)資料估算得到，每跨作用在一個(gè)橋墩上的荷載取22 827.91 kN，即作用在新橋橋墩上的應(yīng)力取0.357 MPa。老橋每個(gè)橋墩上的荷載為新橋荷載的一半，取11 413.96 kN，應(yīng)力取0.285 MPa。

2.4 模擬結(jié)果分析

y向土體位移整體趨勢為老橋區(qū)域上部土體向著新橋方向、下部土體背向新橋方向（圖4）?？烧J(rèn)為新橋施工時(shí)圍堰起到了地表土的卸荷作用，使上部土體朝向新橋變形。z向沉降以隆起為主（圖5）；在新橋建成后，老橋樁基的豎向應(yīng)力有一定程度的減小，且越靠近新橋減小幅度越大并趨于穩(wěn)定。老橋橋墩y向位移與z向沉降如表2所示。

圖4 老橋中心剖面y向位移

圖5 老橋z向平均沉降

表2 老橋橋墩位移模擬分析

3 老橋變形應(yīng)力模擬

3.1 上部結(jié)構(gòu)建模

借助Ansys軟件建立老橋上部結(jié)構(gòu)模型。橋面板與橋體為鉸接，忽略相對支座沉降橋面板的影響。老橋結(jié)構(gòu)以三維實(shí)體單元進(jìn)行定義，彈性模量取20 GPa、泊松比為0.2、密度為2 500 kg/m3。建模時(shí)先建中間跨的單跨模型（圖6），單跨計(jì)算完成后通過相對位移構(gòu)建多跨有限元模型。

圖6 單跨模型

3.2 加載與求解

建模時(shí)將橋面結(jié)構(gòu)與車輛荷載簡化為線荷載。設(shè)定邊緣橋基沉降為零的基準(zhǔn)點(diǎn)并施加全方向自由度約束。對于其他基礎(chǔ)，在線荷載加載處施加對應(yīng)的x、y、z方向的位移約束。由于模型的復(fù)雜性，故采用自由網(wǎng)格劃分形式。

3.3 結(jié)果分析

圖7為單跨建模分析所得位移，可以看出拱圈呈整體扭曲變形趨勢。圖8、圖9分別為橋體有限元模型模擬的橋墩變形數(shù)據(jù)所得的變形與應(yīng)力情況。從圖中可以看出，東側(cè)拱圈變形大于西側(cè)，而每拱的最大變形出現(xiàn)在東側(cè)。即基礎(chǔ)位移小的一側(cè)拱圈變形大，基礎(chǔ)位移大的一側(cè)基礎(chǔ)上方橫梁變形大。

圖7 單跨橋體模型變形分析結(jié)果

圖8 多跨橋體模型變形分析結(jié)果

圖9 基于模擬數(shù)據(jù)所得第一主應(yīng)力

4 老橋加固與安全分析

4.1 加固措施

為減少新橋施工對老橋基礎(chǔ)及橋墩的影響，在老橋基礎(chǔ)與新橋基礎(chǔ)之間設(shè)置1排長9 m的鋼板樁（圖10）；為減少老橋上部結(jié)構(gòu)變形，在老橋拱腳處設(shè)置鋼筋混凝土連梁，將各個(gè)肋拱整體連接（圖11）。

圖10 基礎(chǔ)加固方案

圖11 橋拱加固方案

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

橋梁工程施工持續(xù)285 d，橋梁監(jiān)測工作從新橋樁基施工開始一直到竣工通車，共進(jìn)行了176次沉降監(jiān)測和184次變形監(jiān)測，累計(jì)值如表3所示。監(jiān)測結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的監(jiān)控報(bào)警值范圍以內(nèi)（≤5 mm）。

表3 老橋?qū)嶋H監(jiān)測數(shù)據(jù)累計(jì)值

4.3 安全分析

圖12 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)所得第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

上海市青浦區(qū)金商公路白石磯大橋擴(kuò)建工程施工前借助計(jì)算軟件建模分析老橋橋墩可能產(chǎn)生的變形與沉降，以及上部結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的變形與應(yīng)力集中，在此基礎(chǔ)上制定老橋加固方案并在新橋施工前實(shí)施。施工中加強(qiáng)老橋結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，并通過計(jì)算強(qiáng)度儲備比來判斷結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，在保障老橋安全的前提下為工程順利施工提供了理論依據(jù)與技術(shù)支持。在城市更新對既有建（構(gòu)）筑物的處理方式從“拆改留”向“留改拆”轉(zhuǎn)變的背景下，工程中所總結(jié)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)亦可為類似工程提供參考。