立交改擴建工程中橋梁改造技術(shù)的探索

陸 峰

(常州市市政工程設(shè)計研究院有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引 言

城市快速路互通式立交改擴建工程中，橋梁面積占比較大，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜(彎橋多，異形段多)、工程規(guī)模較大，往往成為立交改擴建工程的技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)及控制性節(jié)點工程。橋梁改擴建方案的合理性、科學(xué)性，在很大程度上決定了整個立交改擴建工程的成敗。與常規(guī)新建橋梁設(shè)計不同，立交橋梁改擴建工程必須考慮施工階段及運營階段既有部分、拓寬部分結(jié)構(gòu)的相互影響作用。設(shè)計階段必須使用合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和可行的施工方案，才能確保橋梁改擴建后的結(jié)構(gòu)安全性、行車舒適性及工程耐久性。常州市龍江路—長虹路立交改擴建工程中，橋梁上部結(jié)構(gòu)為弧形箱梁結(jié)構(gòu)，與常規(guī)帶懸臂箱梁不同，其拓寬方式的選擇，對本工程來說是一項技術(shù)難題。

1 工程概況

龍江路—長虹路立交位于常州市高架快速路環(huán)線的西南角，2008年建成通車，立交節(jié)點向西、向南均規(guī)劃為主干路，高架主線按接入地面主干路考慮，東北方向采用環(huán)向主線連接，同時設(shè)置了西向北的苜蓿葉匝道，其余流向通過菱形匝道及地面道路轉(zhuǎn)換，因此該立交是一座部分互通B類立交。隨著武進區(qū)大力發(fā)展西太湖及金壇市的撤市建區(qū)，常州城市空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，龍江路—長虹路立交四個方向全部成為快速路，現(xiàn)狀部分互通匝道的缺失及現(xiàn)有匝道交通功能的不足，使其難以承擔(dān)樞紐型互通立交的交通功能，成為快速路網(wǎng)中的瓶頸，快速路交通不能實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向，無法滿足交通發(fā)展的需求，將本立交改造為樞紐型全互通立交是非常必要和迫切的。

本項目將龍江路—長虹路立交由部分互通立交改擴建為全互通立交。共計新建5條互通匝道，改建1條互通匝道。立交改擴建工程西起長虹西路新武宜運河橋西側(cè)30 m，東至長虹路老武宜運河橋東側(cè)260 m，全長1.88 km；龍江路南北均至臨近立交的菱形匝道與高架主線相接處，全長1.31 km。建設(shè)內(nèi)容包括高架橋梁工程、地面橋梁工程、地面道路工程、管線工程、照明工程、交通設(shè)施及交通監(jiān)控工程、綠化工程等。

橋梁工程主要包括新建或改建匝道橋梁(SW、WS、WN、ES、NW、SE六條匝道)及主線拼寬(NP、SP兩條拼寬段)。

SW匝道高架橋梁長1 194.12 m，范圍為SW K0+000～SW K1+194.12；

WS匝道高架橋梁長666.856 m，范圍為WS K0+137.11～WS K0+803.966；

WN匝道高架橋梁長1 525.029 m，范圍為WN K0+199.052～WN K1+714.081；

ES匝道高架橋梁長899.786 m，范圍為ES K0+086.802～ES K0+986.588；

NW匝道高架橋梁長542.665 m，范圍為NW K0+000～NW K0+542.665；

SE匝道高架橋梁長198.086 m，范圍為SE K0+075.897～SE K0+273.983；

NP(北側(cè)主線拼寬段)高架橋梁長263.406 m；

SP(南側(cè)主線拼寬段)高架橋梁長766.164 m。

2 橋梁改造技術(shù)難點及相應(yīng)對策

本工程橋梁拓寬主要涉及上部結(jié)構(gòu)的拓寬及下部結(jié)構(gòu)改造方案的選擇。

2.1 上部結(jié)構(gòu)拓寬方案的選擇

本工程橋梁拓寬段主要集中在長虹西路高架主線兩側(cè)，即NP(北側(cè)主線拼寬段)高架橋梁、SP(南側(cè)主線拼寬段)高架橋梁。

現(xiàn)狀高架主線橋跨布置結(jié)合現(xiàn)有地面道路及快速路系統(tǒng)總體布置、相交道路、現(xiàn)有道路管線情況，并考慮道路遠、近期規(guī)劃，橋梁跨徑采用30～40 m等跨或不等跨布置，2～4孔一聯(lián)。結(jié)構(gòu)形式為等高預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。上部箱梁采用整體式弧形斷面，根據(jù)每聯(lián)橋梁寬度不同，弧形斷面分單箱5～8室不等；箱梁采用C50混凝土現(xiàn)澆，施工采用一次落架成形；該斷面在外側(cè)以三段圓弧相連，中間范圍為直線段，以適應(yīng)加寬段結(jié)構(gòu)的變化，保持箱梁外形的連續(xù)性。箱梁中心梁高為2.208 m，橫斷面端部梁高均為0.413 m；頂板厚22 cm，底板厚度自跨中至連續(xù)墩從22 cm漸變?yōu)?0 cm，腹板寬自跨中至連續(xù)墩及梁端支座處從40 cm 漸變?yōu)?0～80 cm，箱梁折角處承托頂板取100 cm×30 cm，底板除最外一個承托取80 cm×30 cm外，其余均取50 cm×40 cm。箱梁支座處設(shè)置橫梁，端橫梁寬均取1.2～1.4 m；中橫梁寬取2.5～3.0 m(見圖1)。

圖1 現(xiàn)狀主線標準斷面(單位：cm)

從以往的研究成果和設(shè)計經(jīng)驗來說，在此類橋梁改擴建項目中，由于技術(shù)制約改造區(qū)域一般考慮拆除重建，這樣的方法既增加大量投資，又需完全封閉交通，增加較長的工期。因此，充分利用現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)，通過拓寬改造提高其通行能力，是本工程面臨的一個重要課題，尤其是弧形梁斷面，從構(gòu)造到結(jié)構(gòu)受力模式，都與帶懸臂箱梁有較大區(qū)別，拓寬方式的選擇更為困難。根據(jù)本工程橋梁的跨徑組合、斷面形式、結(jié)構(gòu)受力特性進行分析，擬采用兩種上部結(jié)構(gòu)拓寬形式加以比選。

(1)上部結(jié)構(gòu)橫向剛性連接。

橋梁拓寬工程需考慮大量外界因素，同時為了使新建拓寬橋梁的部分能與原有的部分成為完整的整體，工程上采用澆筑濕接縫、橫向植筋等方案[1]。本工程拼寬部分仍采用弧形梁斷面，與主線橋梁同跨徑、同結(jié)構(gòu)形式進行單側(cè)拓寬。原上部結(jié)構(gòu)翼緣處拆除防撞墻并橫向植筋，與拓寬箱梁對應(yīng)翼緣處鋼筋綁扎，現(xiàn)澆混凝土連接。原上部結(jié)構(gòu)橫梁處橫向植筋，并設(shè)置外露橫梁，與拓寬箱梁對應(yīng)橫梁鋼筋綁扎，現(xiàn)澆混凝土連接(見圖2)。

圖2 上部結(jié)構(gòu)橫向剛性連接示意圖(單位：cm)

這種拼接施工方式的主要優(yōu)勢就是整體性能比較高，原上部結(jié)構(gòu)與拓寬箱梁縱橫向均形成整體剛度，結(jié)構(gòu)整體性好，橋面連續(xù)無拼接縫，運營階段行車舒適性非常高。

但是，經(jīng)過項目組詳細分析，并采用橋梁有限元程序進行計算模擬，發(fā)現(xiàn)該方案同樣缺點明顯，且實際可操作性較差。

經(jīng)計算分析，拓寬后整體結(jié)構(gòu)剛度，力學(xué)性能較好，但對原結(jié)構(gòu)附加荷載，附加應(yīng)力無法清晰分析，結(jié)構(gòu)受力不明確。

新舊橋梁存在不均勻沉降，且新建混凝土梁的收縮及徐變效應(yīng)對結(jié)構(gòu)受力較為不利[2]。

原結(jié)構(gòu)箱梁為雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，橋面板橫向預(yù)應(yīng)力束錨固點設(shè)置在翼緣處，間距50 cm，在翼緣處植筋極易損傷錨頭，可操作性差。

結(jié)構(gòu)橫梁均為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，設(shè)雙支座或三支座，若橫梁連接，將完全改變橫梁受力模型，導(dǎo)致支座反力和橫梁內(nèi)力重分配，原橫梁驗算無法通過，甚至影響下部樁長驗算。

原結(jié)構(gòu)橫梁預(yù)應(yīng)力錨固點均在側(cè)面圓弧面處，在此處植筋極易損傷錨頭，可操作性差。

(2)上部結(jié)構(gòu)不連接。

拼寬部分仍采用弧形梁斷面，與主線橋梁同跨徑、同結(jié)構(gòu)形式進行單側(cè)拓寬。

拓寬結(jié)構(gòu)采用獨立箱梁，加寬部分與原橋上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)不連接[3]；原上部結(jié)構(gòu)僅在翼緣處拆除防撞墻，兩幅橋面間設(shè)置變形縫構(gòu)造(見圖3)。

圖3 上部結(jié)構(gòu)不連接示意圖(單位：cm)

該方案的優(yōu)點是新、舊橋各自受力明確、互不影響，簡化了施工程序[4]，并完全保留了原設(shè)計所有受力特性。

該方案的缺點是兩幅橋梁結(jié)構(gòu)完全脫開，中間設(shè)置通長縱向結(jié)構(gòu)縫，結(jié)構(gòu)縫處理不好，將影響運營期行車舒適性及路面外觀(縱向結(jié)構(gòu)縫構(gòu)造的選擇將在后續(xù)章節(jié)詳述)。

(3)方案比選及結(jié)論(見表1)。

表1 拓寬方案比選

通過上述詳細比選，本工程上部結(jié)構(gòu)拓寬選擇上部結(jié)構(gòu)不連接的方案，工程建成經(jīng)驗收及運營檢驗，該方案對弧形箱梁拓寬較為適用。

2.2 下部結(jié)構(gòu)改造方案的選擇

本工程新建、拓寬橋梁大部分下部結(jié)構(gòu)均為新建結(jié)構(gòu)，但有3處為原菱形匝道改建為互通匝道。考慮到工程經(jīng)濟性，在項目前期，對改建匝道原下部結(jié)構(gòu)是否可部分利用進行了詳細的方案研究。

原下部結(jié)構(gòu)立柱采用Y形分叉立柱，頂部向外弧線加寬。立柱底部矩形斷面尺寸1.8×1.5/1.75 m，立柱頂部橫向?qū)挾确謨煞N，為3.186 m和3.6 m，對應(yīng)柱頂支座中心間距2 m和2.4 m。基礎(chǔ)均采用承臺接鉆孔灌注樁，承臺為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面尺寸按樁的布置形式而定，鉆孔灌注樁直徑有Φ0.8 m、Φ1.0 m、Φ1.2 m 3種。

經(jīng)計算分析，最終分兩大類解決下部結(jié)構(gòu)利用問題。

(1)驗算樁長承載力滿足要求，則保留樁基、承臺及立柱直線段，拆除立柱弧形段部分，接長立柱至新設(shè)計梁底標高。

(2)驗算樁長承載力不滿足要求，則僅保留樁基，承臺及立柱均拆除，按照樁基承載力計算增加同直徑灌注樁，重新設(shè)置承臺及立柱。

本工程共計部分利用并改建下部結(jié)構(gòu)二十余處，不僅實現(xiàn)了較好的經(jīng)濟效益，而且完全滿足工程技術(shù)要求，取得了較好的效果。

3 拼寬橋梁縱向結(jié)構(gòu)縫的處理

由于采用上部結(jié)構(gòu)不連接的橋梁拼寬方式，原結(jié)構(gòu)箱梁與拓寬結(jié)構(gòu)箱梁之間必然存在一條縱向結(jié)構(gòu)縫，本工程NP(北側(cè)主線拼寬段)縱向結(jié)構(gòu)縫長263.406 m；SP(南側(cè)主線拼寬段)縱向結(jié)構(gòu)縫長766.164 m。縱向結(jié)構(gòu)縫的處理方式是否合理、將對運行后的行車舒適性、結(jié)構(gòu)耐久性起到?jīng)Q定性作用。

按照傳統(tǒng)設(shè)計方法，對縱向結(jié)構(gòu)縫有兩種常規(guī)處理方式。

方法一：在縱向結(jié)構(gòu)縫位置設(shè)置通長型鋼伸縮縫(見圖4)，一般采用GQF系列單縫型鋼伸縮縫，兩側(cè)設(shè)置各50 cm鋼筋混凝土錨固帶。這種做法工藝成熟，結(jié)構(gòu)可靠。但同時帶來的弊病非常多，通長型鋼伸縮縫與行車軌跡線交叉，而且平面線形為曲線，導(dǎo)致道路實際橫坡很難與理論橫坡吻合，會帶來較差的行車舒適性，嚴重時會發(fā)生跳車現(xiàn)象；同時，伸縮縫橡膠密封條易老化破裂，雨水或路面沖洗污水會不受控散落到下方地面道路上，造成污染及影響地面道路車輛行車安全；型鋼伸縮縫兩側(cè)混凝土錨固帶長達上千米，造成路面景觀較差。

圖4 通長設(shè)置縱向伸縮縫(單位：cm)

方法二：縱縫位置連續(xù)攤鋪瀝青混凝土面層，然后在上面層對應(yīng)縱向結(jié)構(gòu)縫處刻縫。這種做法操作簡單，路面不需特別處理。但是也有比較大的弊病，普通瀝青混凝土路面跨結(jié)構(gòu)縫，瀝青混凝土延性、變性能力較弱，長時間運營必將造成瀝青混泥土路面不規(guī)則開裂，嚴重時會形成較大貫穿裂縫，嚴重影響行車舒適性，同時雨水及路面沖洗污水將順裂縫不可控流入，破壞瀝青混凝土下面層、橋面防水層，并散落到下方地面道路上，造成污染及影響地面道路車輛行車安全。

綜上所述，上述兩種傳統(tǒng)方法都存在比較突出、無法解決的弊病，運用在本工程上并不適合。項目組開闊思路，調(diào)研國內(nèi)外一些類似工程實例，最終，參考常州市龍城大道隧道工程與港珠澳大橋沉管隧道工程均運用到的BJ200無縫伸縮縫系統(tǒng)，解決這一工程難題。

常州市龍城大道隧道建成于2013年底，原設(shè)計在隧道結(jié)構(gòu)縫處混凝土面層上設(shè)置剪切鋼板網(wǎng)，然后上面連續(xù)鋪設(shè)瀝青混凝土路面，運營后較短時間內(nèi)出現(xiàn)破壞，路面出現(xiàn)不規(guī)則開裂。后于2015年采用BJ200無縫伸縮縫系統(tǒng)修補，修補后效果非常好，運營至今無明顯破壞現(xiàn)象。

港珠澳大橋沉管隧道于2017年進入路面結(jié)構(gòu)施工階段，原設(shè)計在隧道結(jié)構(gòu)縫處采用型鋼伸縮縫，后經(jīng)路面結(jié)構(gòu)縫細化方案，修改設(shè)計，采用BJ200無縫伸縮縫系統(tǒng)。該項目建成后，沉管隧道路面運營狀況良好。

綜合工程實例及本工程特點，確定在本工程橋梁拼寬縱向結(jié)構(gòu)縫路面處采用通長BJ200無縫伸縮縫系統(tǒng)可行(見圖5)。

圖5 BJ200無縫伸縮縫示意圖

該系統(tǒng)材料性能參數(shù)見表2。

表2 高分子聚合物改性瀝青性能參數(shù)

該材料具有延性大，熱穩(wěn)定性高，與瀝青面層粘結(jié)強度高等特點。本工程在施工時，施工流程如下所示。

(1)整體攤鋪瀝青混凝土上下面層；

(2)以新老橋面縱向結(jié)構(gòu)縫為中心切出30 cm寬槽口；

(3)在槽內(nèi)放置下鋼板，并涂刷界面劑；

(4)在槽內(nèi)灌入BJ200混合料并壓實；

(5)表面涂刷封層，完工。

自2018年本工程竣工通車以來，BJ200無縫伸縮縫系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定，運營至今無明顯破壞現(xiàn)象，充分說明這項技術(shù)可以廣泛應(yīng)用到橋梁改造工程中。

4 BIM技術(shù)在橋梁改造中的應(yīng)用

本工程涉及道路、橋梁、結(jié)構(gòu)、給排水、智能交通、照明等專業(yè)，專業(yè)集成度較高，采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計方法，有可能難以對專業(yè)內(nèi)部、專業(yè)之間進行可靠的碰撞分析，造成疏漏。在本工程中，首次采用了基于BIM的協(xié)同設(shè)計，特別是在新老橋拼寬設(shè)計中，需要通過BIM技術(shù)對技術(shù)方案以及施工過程進行統(tǒng)籌分析[5]；對于工程中線條變化復(fù)雜的異形梁段，借助BIM對其建立精細化可視化模型，并與二維圖紙進行校對，在設(shè)計中效率大幅提高，同時可確保橋梁竣工時的實物外觀與圖紙模型完全一致。

5 結(jié) 論

龍江路—長虹路立交改擴建工程作為常州市快速環(huán)線的重大節(jié)點工程，其順利實施意義重大。而橋梁改造工程作為本工程的控制性環(huán)節(jié)，在設(shè)計階段通過科學(xué)地選擇弧形箱梁拼寬結(jié)構(gòu)形式、無縫伸縮縫應(yīng)用、BIM可視化設(shè)計輔助等一系列創(chuàng)新手段，確保本工程于2018年初順利竣工?？⒐ねㄜ?年來，運營狀態(tài)良好，充分說明本工程中積累的一些經(jīng)驗和技術(shù)措施，可供類似橋梁改擴建工程參考。