既有分幅橋梁上方預(yù)制拼裝高架橋梁支架體系和施工方案分析

孫 輝， 姜新華， 張軍鋒， 郭增科， 李 杰， 李 偉， 張承實

(1.中鐵二十一局集團第一工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004)

0 引 言

隨著城市路網(wǎng)升級擴容，高架和立交不斷涌現(xiàn)，甚至需要在既有橋梁上架設(shè)新橋，也即“橋上架橋”[1-4]。受新舊橋梁空間交叉布置、各自結(jié)構(gòu)形式、場地條件、施工方案等因素的制約，新建橋梁往往需要借助既有橋梁搭設(shè)支架體系，這就需要綜合考慮既有橋梁承載能力以及支架體系自身的承載和變形，給支架體系的設(shè)計帶來了諸多困難。盡管相關(guān)工程案例不斷涌現(xiàn)，但各案例具體情況差異較大，支架體系的設(shè)計難以簡單重復(fù)借鑒[4]。并且，既有的“橋上架橋”案例多為新舊橋梁正交或者斜交，鮮有見新舊橋梁平行的形式。同時，節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)在高架橋梁中的應(yīng)用越來越多[5-8]，橋上架橋時，大尺寸的節(jié)段運輸和架設(shè)對既有橋梁的承載能力也是巨大挑戰(zhàn)。

本文就以鄭州市四環(huán)一段恰平行通過既有跨河橋梁正上方的高架橋為例，針對其現(xiàn)澆大尺寸零號塊，設(shè)計了一種利用新建承臺和既有橋面搭設(shè)協(xié)作支架體系的方案，既滿足了支架體系的承載和變形要求，也確保了既有橋梁受力安全；同時，在零號塊拆模后，該支架體系還可輔助用于1號塊的架設(shè)和濕接縫現(xiàn)澆；后續(xù)節(jié)段采用架橋機架設(shè)以減小橋面荷載。該方案的成功應(yīng)用為今后類似工程提供了參考。

1 工程背景

1.1 工程簡介

鄭州市東四環(huán)-南四環(huán)立交工程共有4條匝道，其中C匝道高架道路位于華夏大道正上方，兩者同時跨越城市內(nèi)河潮河[圖1(a)]，新建高架與既有橋梁橋位完全重合。既有華夏大道潮河橋為上下幅分離橋梁，與潮河斜交30°，單幅橋?qū)?.5+20+0.5=21 m，為7×25 m的先簡支后連續(xù)小箱梁橋，由7片小箱梁組成，梁高1.4 m。上下幅橋之間有7 m寬凈距，新建高架的P17～P20橋墩即設(shè)在此間隙內(nèi)。既有橋的橋面內(nèi)側(cè)標高順橋向?qū)崪y為96.9～97.2 m，新建高架橋面順橋向設(shè)計標高為106.5～104 m，上下層橋面基本平行[圖1(b)]。

圖1 既有和新建橋梁空間位置示意圖

新建高架在樁號P15～P23的跨徑布置為(2×35.5+3×25+3×40)m的三聯(lián)橋。其中3×25 m結(jié)構(gòu)形式為雙柱墩等截面連續(xù)剛構(gòu)橋，上下幅整體橋面，橋面寬13+0.5+13=26.5 m；梁高2.2 m，墩頂橫梁高2.7～2.2 m；該聯(lián)的P17～P20這4個橋墩亦與既有橋梁的墩位一致，P18和P19采用固結(jié)墩，兩側(cè)的P17和P20采用支座墩，4個橋墩下的承臺尺寸均為7.8 m(橫橋向)×8.2 m(順橋向)。

該高架上部結(jié)構(gòu)總體采用節(jié)段預(yù)制拼裝的施工方法，但零號塊依然現(xiàn)澆施工。其固結(jié)墩墩頂零號塊橫向總長26.5 m，高2.7～2.2 m，順橋向?qū)?.85(空心箱室段)+2.8(實心橫梁段)+0.85(空心箱室段)=4.5 m，其中橫梁的橫橋向長度為4.4(高2.7～2.2 m)+7.4(高2.7 m)+4.4(高2.7～2.2 m)=16.2 m；預(yù)制節(jié)段寬13 m，節(jié)段長2.4～2.9 m，節(jié)段重量為500～700 kN，橫向2個節(jié)段之間有0.5 m的縱縫，待全聯(lián)拼裝完成后現(xiàn)澆混凝土濕接(圖2)。

圖2 固結(jié)墩和零號塊結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

1.2 施工方案難點與初步分析

顯然，既有橋梁的存在給新建橋梁現(xiàn)澆零號塊和拼接1號塊的支架設(shè)計以及后續(xù)節(jié)段的架設(shè)等工序造成了很大困難。一般來說，對于現(xiàn)場澆筑的大尺寸零號塊，其支架體系可采用鋼管柱+縱橫梁(工字梁或貝雷梁)的形式或密布滿堂支架的形式[9]。但不管采用哪種方案，因零號塊下方為既有橋梁，部分支架需落在既有橋面上，支架的方案設(shè)計既要考慮支架體系自身的受力和變形，又必須考慮既有橋梁的承載能力，兩者兼顧也就成為整個支架體系設(shè)計的難點。后續(xù)各節(jié)段采用預(yù)制拼裝的施工方法，但1號塊與零號塊之間設(shè)計有15 cm寬濕接縫，1號塊的定位拼裝亦需要支架體系，且同樣須在橋面搭設(shè)支架，依然面臨既有橋梁承載的問題。后續(xù)節(jié)段的施工一般可采用汽車吊、龍門吊、架橋機和橋面吊等方案[6-8]，但橋面吊設(shè)備成本較高，而汽車吊荷載較大且工作半徑較大又無法在既有橋面使用，考慮現(xiàn)場其他工區(qū)已有架橋機施工方案且技術(shù)成熟，且該高架在本工區(qū)近乎為直線，最終確定采用架橋機方案?？梢娛┕し桨傅年P(guān)鍵在于現(xiàn)澆零號塊和拼接1號塊的支架設(shè)計。

由于橋墩位于既有橋梁的夾縫中，空間有限，難以采用密布滿堂支架。鋼管柱+縱橫梁的形式所需構(gòu)件數(shù)量相對較少，布置更為靈活，較為適宜。從該高架橋和既有橋梁的平面位置可知，該高架橋在本區(qū)段的道路中線和既有華夏大道的道路中線基本重合，橫向偏差不足0.15 m，為便于計算分析，下文認為兩者重合。從兩者橫斷面可知，該高架的橋面會覆蓋既有橋?qū)?26.5-7)/2=9.75 m，也即既有橋?qū)?1 m的將近一半。

零號塊現(xiàn)澆施工時，下部須搭設(shè)支架。為了確保既有橋梁的安全性，首先充分利用新建高架的承臺，在承臺上搭鋼管柱+縱橫梁支撐，與橋墩一起承擔(dān)零號塊橫向中部區(qū)域的自重。故可認為兩個橋墩橫向范圍之內(nèi)(寬度2×3.3=6.6 m)的自重和施工荷載由承臺支架和橋墩一起承擔(dān)，單幅橋面上的支架需承擔(dān)的寬度范圍為26.5/2-3.3=9.95 m，也即整個支架體系將由承臺支架和兩個橋面支架組成。另外，橋面支架在橋面的布置不可能緊鄰新建橋墩，必然有一定距離，考慮施工空間和既有橋面欄桿，取橋面支架距離新建橋墩至少1.5 m。需要說明的是，將此支架體系區(qū)分為承臺支架和兩個橋面支架只是便于表述，三者實際上是一體的，由橫向水平工字鋼相連。

2 零號塊支架體系方案比選

2.1 承臺鋼管柱+貝雷梁雙懸臂方案

根據(jù)前文分析，首先嘗試不在既有橋面搭設(shè)支架的方案(圖3)：每個橋墩位置順橋向左右兩側(cè)各設(shè)置2根φ500×6 mm鋼管柱，柱高約為13 m，頂部順橋向鋪設(shè)雙拼I45工字鋼縱梁，再搭設(shè)橫橋向貝雷梁，貝雷梁上再密鋪I28a縱梁以提供支模平臺。這實際上將鋼管柱與貝雷梁類似新建橋墩與橫梁的形式搭建并承擔(dān)其荷載。(文中所述支架體系的縱梁均為順橋向，橫梁均為橫橋向，下同)

圖3 單跨伸臂貝雷梁示意圖

該方案形式簡單，且完全不借助既有橋面承載，所有荷載均經(jīng)由貝雷梁和鋼管柱傳至承臺，貝雷梁的受力模式為兩端伸臂簡支梁(10.75 m+2×2.5 m+10.75 m)，其主要控制因素將是貝雷梁的受力和下?lián)希炈闳缦?。對于該體系，貝雷梁中跨簡支段與兩側(cè)伸臂段的荷載分別為：

中間5 m簡支段，僅有橫梁和橋面頂板，荷載q=(2.8×2.7+0.85×2×0.45)×26.5×1.2=265 kN/m，其中的系數(shù)1.2為考慮模板體系和施工荷載的放大系數(shù)，下同。兩側(cè)0～5.6 m的伸臂段，包含橫梁和空心箱室，寬度為2.8+0.85×2=4.5 m，高度為2.7～2.2 m，將其近似等效為3.4 m(寬)×2.5 m(高)的實心矩形，則荷載q=3.4×2.45×26.5×1.2=265 kN/m。兩側(cè)5.6～8.5 m的伸臂段，僅有空心箱室，根據(jù)面積相等等效為1 m厚實心矩形板，則荷載q=1.0×4.5×26.5×1.2=143 kN/m。兩側(cè)8.5～10.75 m的伸臂段，僅有外挑翼緣板，高度為0.375 m，荷載q=4.5×0.375×26.5×1.2=54 kN/m。

根據(jù)橫梁的寬度，橋墩左右兩側(cè)各布置10片，合計共20片321型貝雷梁，單片貝雷梁截面參數(shù)為[10]：抗彎慣性矩I=2.50×10-3m4，抗彎抵抗矩W=3.578 5×10-3m3。根據(jù)荷載和支架形式在MIDAS Civil中建模計算所得特征結(jié)果分別為：貝雷梁在跨中、鋼管柱和懸臂端的下?lián)戏謩e-1.8 mm、0.47 mm和40.3 mm；支點位置貝雷梁上下緣應(yīng)力為46 MPa；鋼管柱壓應(yīng)力為1.0 MPa。鋼管柱自身壓應(yīng)力極小的原因是考慮新建橋墩也完全參與受力，承擔(dān)了大部分的壓力，這也使鋼管柱位置貝雷梁下?lián)蠘O小。

從結(jié)果可知，這一支架體系兩側(cè)懸臂端的下?lián)弦堰h超《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》[10]對支架體系變形L/400的要求和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)高程20 mm偏差的要求，即使通過對模板和墊梁進行預(yù)拋高，仍不易糾正；并且上述計算考慮新建橋墩完全參與受力，實際情況下橋墩僅能有限程度參與受力，則貝雷梁整體將下?lián)细?。另外，此時的貝雷梁片數(shù)已經(jīng)較多，難以再通過增加貝雷梁來減小撓度；考慮多個橋墩同時施工以及零號塊施工周期，對貝雷梁的需求亦不經(jīng)濟。因此，該方案不可行。

2.2 (承臺+橋面)鋼管柱+工字梁方案

為降低支架體系中橫梁的撓度，最簡單的辦法就是在橋面也搭設(shè)鋼管柱以增加支點減小橫梁跨徑，并且可將橫梁由貝雷梁改為工字梁以節(jié)省造價，由此得到承臺和橋面協(xié)作形式的支架體系，其布置形式如圖4所示。支架體系從梁底向下依次為：模板、密鋪I28a工字鋼縱梁、雙拼I40a工字鋼橫梁、鋼管柱以及柱間支撐。工字鋼橫梁共3道，其中2道分別位于橋墩前后側(cè)，沿零號塊橫向通長布置，每道下方設(shè)9根鋼管柱支撐，承臺和兩側(cè)既有橋面各有3根；中間1道僅位于橋墩之間，由2根落于承臺的鋼管柱支撐，對該局部區(qū)域進行加強?？紤]落于承臺鋼管柱長度更長且承臺上方荷載更大，為協(xié)調(diào)承臺和橋面鋼管柱的抗壓剛度和變形，經(jīng)試算優(yōu)化分析，對承臺和橋面鋼管柱分別選用φ800×12 mm和φ500×6 mm型號。另外，落于承臺的鋼管柱底部需預(yù)埋地腳螺栓；鋼管柱落于既有橋面時需用粗砂找平后布置7I40a工字鋼墊梁以分散荷載；鋼管柱之間還設(shè)有柱間支撐(角鋼L75×5)。另外，為使既有橋梁受力合理，橋面鋼管柱布置在箱梁腹板位置，并在橫橋向鋪設(shè)墊梁(7拼I40a工字鋼)以分散荷載。

圖4 承臺和橋面組合支架體系示意圖

根據(jù)前述荷載以及鋼管柱橫向布置，同樣在MIDAS Civil中建模計算，并且偏保守不考慮橋墩參與承載，但根據(jù)3道橫梁的布置，考慮中間1組橫梁分擔(dān)中部6 m區(qū)域1/4的荷載，其余2道通長橫梁在該區(qū)域承擔(dān)的荷載由原265 kN/m調(diào)整為200 kN/m。由此得到組合支架體系的關(guān)鍵結(jié)果，見表1，其中通長橫梁的變形如圖5所示。另外，表1和圖5中還給出了對承臺上鋼管柱同樣選用φ500×6 mm型號的結(jié)果以對比。

圖5 圖4所示支架體系橫梁的變形

表1 圖4所示支架體系關(guān)鍵結(jié)果

從表1中可以看出，鋼管柱和橫梁受力均遠小于材料強度，橫梁撓度亦較小，可滿足施工要求。另外，通過加強承臺上的鋼管柱以協(xié)調(diào)中部和兩側(cè)柱體的剛度，承臺位置橫梁的撓度也大大緩解，有利于模板預(yù)拋高設(shè)置，并且橋面鋼管柱分擔(dān)的荷載也有所下降，更利于減輕既有橋梁的受力。

對于單幅既有橋面，每跨均承擔(dān)有3組鋼管柱傳下的壓力，但各組壓力的幅值和作用位置相差較大：外側(cè)壓力小而內(nèi)側(cè)壓力大，且因既有橋梁為斜交橋而使外側(cè)壓力靠近跨中而內(nèi)側(cè)壓力靠近支座。考慮墊梁的作用，可認為所有壓力由該范圍內(nèi)的3片箱梁均勻承擔(dān)：各片梁承受順橋向相距3.5 m的2個262 kN的集中力。而在橋梁的檢測中，往往采用350 kN的車輛加載，且對于此寬21 m跨徑25 m的先簡支后連續(xù)小箱梁橋，則需在順橋向布置2輛車，在橫向也需要布置3列車，這種荷載水平與鋼管柱的荷載水平相當，但其作用位置更靠跨中，荷載效應(yīng)更加顯著。因此，通過簡單對比可知鋼管柱傳下的荷載對既有橋梁來說是安全的。

另外，通過在MIDAS Civil中建模分析，并專門添加虛擬橫梁以考慮墊梁的橫向分布作用(圖6)，所得實際壓力荷載下各片梁的彎矩效應(yīng)亦小于設(shè)計車道荷載下的彎矩效應(yīng)，說明鋼管柱壓力荷載作用下既有橋梁抗彎承載力安全；實際壓力荷載下的各片梁的剪力在部分截面超過設(shè)計車道荷載下的剪力效應(yīng)[11]，但自重與鋼管柱壓力共同作用下(分項系數(shù)均取1.0)的截面剪力仍小于規(guī)范[12]計算所得箱梁截面的抗剪承載力，亦說明既有橋梁抗剪安全。

圖6 既有橋梁承載計算模型

3 考慮1號塊拼接的完整支架體系

精確定位的要求以及濕接縫的存在使得1號塊也需要支架體系，且位于橋面。正?？梢栽诿總€節(jié)段下設(shè)置4根鋼管柱，并在頂部搭設(shè)縱橫梁作為支架。但考慮到零號塊拆模較晚，零號塊支架體系的存在使得無法在1號塊后端也即與零號塊相連處布置鋼管柱。因此，考慮取消后端的鋼管柱，將后端的橫梁直接置于零號塊支架體系的密鋪I28a工字鋼縱梁之上，并且后端的橫梁可采用較小的雙拼I28a而非前端的雙拼I40a。而且，這樣還可以將零號塊和1號塊的支架體系同時搭設(shè)，最終的支架體系如圖7所示。鋼管柱依然采用φ500×6 mm型號且在橋面橫向鋪設(shè)墊梁。

圖7 考慮1號塊拼接的完整支架體系

盡管零號塊和1號塊的支架體系同時搭設(shè)，但受力卻是隨施工過程分階段的：零號塊施工時，僅零號塊的支架體系受力；零號塊施工完成后，雖未拆除支架，但可略調(diào)整其橋面鋼管柱頂部的砂箱使橋面支架略卸載，再進行1號塊的拼接施工。1號塊自重700 kN，考慮支架體系自重和施工荷載100 kN，則前端每根鋼管柱傳遞荷載200 kN，并且2根鋼管柱分別落于2片梁的腹板位置，后端荷載400 kN則仍由原現(xiàn)澆零號塊的3根橋面鋼管柱承擔(dān)。由于此時后端的橋面鋼管柱已經(jīng)卸載大部分零號塊荷載，1號塊傳遞的荷載對于既有橋梁依然是安全的。

圖8 現(xiàn)場施工照片

4 結(jié)束語

本文以一平行于既有橋梁正上方的新建節(jié)段預(yù)制拼裝高架橋為例，對其施工方案和支架體系進行了介紹。在總體采用架橋機拼裝的情況下，對其現(xiàn)澆大尺寸零號塊和拼裝1號塊，設(shè)計了一種利用新建承臺和既有橋面搭設(shè)協(xié)作支架體系的方案，既滿足了支架體系的承載和變形要求，也確保了既有橋梁受力安全；同時，在零號塊拆模后，該支架體系還可輔助用于1號塊的架設(shè)和濕接縫現(xiàn)澆，該方案的成功應(yīng)用為今后類似工程提供了參考。