既有橋梁無支架更換橋墩關(guān)鍵技術(shù)控制

肖金寶

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200082）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速增長，橋梁建設(shè)得到了大力發(fā)展，不僅在交通運(yùn)輸中起到了關(guān)鍵作用，同時(shí)還能促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，縮小城鄉(xiāng)差距，增進(jìn)不同地區(qū)之間的文化交流。隨著時(shí)代的發(fā)展，交通量日益增長，越來越多的橋梁既有規(guī)模無法滿足現(xiàn)狀需求，但原有橋梁結(jié)構(gòu)仍然完好，拆除重建會造成巨大經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。因此就需要對原有橋梁工程進(jìn)行改擴(kuò)建，以滿足日益增長的交通量需求[1]。

橋梁改擴(kuò)建工程經(jīng)常遇到的問題就是處理新老結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，在滿足施工空間的前提下盡量節(jié)約土地，使工程經(jīng)濟(jì)、合理、切實(shí)可行。立交工程作為路網(wǎng)的樞紐節(jié)點(diǎn)，交通往往異常繁忙，改擴(kuò)建過程中應(yīng)盡量不中斷交通，施工過程中應(yīng)盡量避免或減少對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響。因此立交工程的改擴(kuò)建項(xiàng)目更加需要精細(xì)化設(shè)計(jì)來滿足這個(gè)近乎苛刻的目標(biāo)。

本文以上海市某立交改建工程為例，其中一座既有匝道橋由于工程需要，需進(jìn)行橋墩更換，為新建匝道橋梁下穿提供空間，且更換過程中需保持橋面通車。本文針對該工程提出一種無須搭設(shè)支架支撐上部結(jié)構(gòu)而直接進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)更換的方法，并提出更換過程中的關(guān)鍵技術(shù)控制。

1 工程概況

該工程位于上海市青浦區(qū)，改建立交項(xiàng)目共包含6條匝道，其中一條匝道由于工程需求，需下穿一條既有匝道后接入現(xiàn)狀主線橋。既有匝道為獨(dú)柱墩，受空間限制，下穿位置與既有匝道橋橋墩沖突，因此需將獨(dú)柱墩改為門式墩后再新建下穿匝道。橋梁空間示意如圖1、圖2所示。

圖1 新建橋梁與既有橋梁的位置關(guān)系（與老橋墩沖突）

圖2 既有橋梁橋墩更換后的空間關(guān)系（沖突解決）

2 關(guān)鍵技術(shù)

無支架更換橋墩即不搭設(shè)支架支撐既有結(jié)構(gòu)，這樣可以大大縮短工期；且由于工程位于交通繁忙位置，更換橋墩過程中還需保證橋面車輛照常通行。因此更換方案一方面需盡可能降低對橋面行車的影響，另一方面需盡可能使上部結(jié)構(gòu)維持原受力狀態(tài)。而換墩對既有上部結(jié)構(gòu)造成的最大影響即在橋墩處附加豎向位移，對橋面行車尤其是上部結(jié)構(gòu)受力有較大影響。

因此無支架換墩關(guān)鍵技術(shù)即控制墩頂豎向位移，包含設(shè)計(jì)中的控制措施和施工時(shí)的控制措施。

2.1 設(shè)計(jì)控制

既有橋梁橋墩更換步驟如圖3所示。

圖3 既有橋梁橋墩更換步驟圖（單位：cm）

由圖3可看出，既有橋墩由獨(dú)柱墩改為門式墩，在鑿除既有立柱蓋梁以下部分后，上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)由門式墩蓋梁承受，此時(shí)蓋梁將發(fā)生豎向變形，產(chǎn)生撓度。

2.1.1 關(guān)鍵控制點(diǎn)

根據(jù)施工步驟圖可知，設(shè)計(jì)中的最關(guān)鍵控制點(diǎn)便是采取措施盡量減少門式墩蓋梁的撓度，通常可通過增大蓋梁截面剛度及增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼束的效應(yīng)，來達(dá)到減小蓋梁撓度的目的。

另外新建蓋梁中包含部分老橋橋墩立柱，因此還需采取措施加強(qiáng)新老結(jié)構(gòu)的連接，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。

2.1.2 計(jì)算模型

原獨(dú)柱墩立柱縱橋向?qū)挾葍H為1.6 m，為增加截面剛度，新建門墩蓋梁縱橋向?qū)挾仍黾又?.2 m，蓋梁梁高受下穿匝道凈空限制，梁高取為2.5 m。蓋梁截面如圖4所示。

圖4 新建蓋梁斷面（單位：cm）

另外，在滿足蓋梁本身受力需求的前提下，增加鋼束效應(yīng)，以減小蓋梁撓度。為此新建蓋梁設(shè)置3排共12束規(guī)格為15-12的鋼束，通過既有立柱保留部分通過穿孔的方式設(shè)置1排共2束規(guī)格為15-4的鋼束。同時(shí)在新建蓋梁包裹既有立柱保留部分區(qū)域布置兩排兩列縱橋向精軋螺紋鋼，以增強(qiáng)新老結(jié)構(gòu)的整體性，精軋螺紋鋼規(guī)格為JL32。新建橋墩蓋梁采用C50混凝土，截面尺寸如上述介紹；立柱采用C40混凝土，截面尺寸為1.5 m（橫向）×2 m（縱向），承臺采用C35混凝土，樁基采用水下C30混凝土。

結(jié)構(gòu)分析采用有限元軟件midas Civil，按實(shí)際模擬各施工階段受力，恒載通過支座位置集中力施加，活載通過虛梁進(jìn)行橫向加載。計(jì)算模型如圖5所示。

2.1.3 支座處豎向位移計(jì)算結(jié)果

為分析鋼束效應(yīng)對蓋梁撓度的影響，特列出上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)移到門墩蓋梁，但鋼束尚未張拉時(shí)的撓度，如圖6所示。

圖5 新建橋墩有限元模型圖

圖6 恒載作用下蓋梁豎向位移（鋼束張拉前）

由圖6可見，上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)移后，且蓋梁鋼束張拉前，恒載作用下，蓋梁豎向位移為4.6 mm。

張拉預(yù)應(yīng)力后，蓋梁在恒載作用下，蓋梁撓度如圖7所示。

圖7 恒載作用下蓋梁豎向位移

鋼束張拉后，恒載作用下蓋梁支座位置豎向位移為2.2 mm，即鋼束效應(yīng)產(chǎn)生了2.4 mm上拱值。

蓋梁在10 a收縮徐變后，蓋梁恒載合計(jì)豎向位移如圖8所示。

恒載作用下10 a收縮徐變恒載合計(jì)豎向位移為3.6 mm，即徐變作用額外產(chǎn)生1.4 mm豎向位移。

綜上所述，立柱拆除換柱后，對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的向下?lián)隙容^小（3.6 mm），原上部結(jié)構(gòu)計(jì)算文件支座差異沉降控制為1 cm，可以認(rèn)為橋墩更換引起的附加位移位于允許范圍內(nèi)。

圖8 10 a收縮徐變后恒載作用下蓋梁豎向位移

2.1.4 其他構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

2.1.4 .1立柱驗(yàn)算

（1）承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算。承載能力作用效應(yīng)基本組合下強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見表1。

表1 基本組合內(nèi)力組合

相應(yīng)壓彎承載力驗(yàn)算如圖9所示。

圖9 壓彎承載力

結(jié)果表明，基本組合下立柱荷載組合均落在承載能力M-N包絡(luò)圖里，截面壓彎承載力滿足規(guī)范要求[2-3]。

（2）正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。正常使用極限狀態(tài)下，兩立柱裂縫寬度如圖10、圖11所示。

圖10 左立柱裂縫寬度

圖11 右立柱裂縫寬度

圖12 抗彎承載能力驗(yàn)算（單位：kN·m）

圖13 斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算（單位：kN）

立柱在正常使用極限狀態(tài)下，立柱最大裂縫寬度為0.09 mm，小于0.2 mm，滿足構(gòu)件抗裂要求[3]。

2.1.4 .2蓋梁驗(yàn)算

（1）持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算。

a.承載能力作用效應(yīng)基本組合下抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果如圖12所示。

b.承載能力作用效應(yīng)基本組合下斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果如圖13所示。

結(jié)果表明蓋梁承載能力極限狀態(tài)下抗彎及抗剪驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求[3]。

（2）持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。

a.正截面抗裂驗(yàn)算。頻遇組合下，蓋梁最大拉應(yīng)力如圖14、圖15所示。

在頻遇組合下，蓋梁上、下緣均為受壓狀態(tài)，上緣最小壓應(yīng)力為-2.7 MPa，下緣最小壓應(yīng)力為-0.8 MPa，滿足A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件要求[3]。

準(zhǔn)永久組合下，蓋梁最大拉應(yīng)力如圖16、圖17所示。

b.斜截面抗裂驗(yàn)算如圖18所示。

最大主拉應(yīng)力為0.3 MPa,小于0.5ftk=1.325 MPa，滿足A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件要求[3]。

（3）持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算。

a.正截面法向壓應(yīng)力驗(yàn)算如圖19、圖20所示。

圖14 頻遇組合上緣最大拉應(yīng)力（單位：MPa）

圖15 頻遇組合下緣最大拉應(yīng)力（單位：MPa）

圖 16 準(zhǔn)永久組合上緣最大拉應(yīng)力（單位：MPa）

圖 17 準(zhǔn)永久組合下緣最大拉應(yīng)力（單位：MPa）

圖 18 頻遇組合下緣最大主拉應(yīng)力（單位：MPa）

圖 19 標(biāo)準(zhǔn)組合上緣最大壓應(yīng)力（單位：MPa）

圖20 標(biāo)準(zhǔn)組合下緣最大壓應(yīng)力（單位：MPa）

可見，主梁在使用階段正截面混凝土最大壓應(yīng)力為6.38 MPa，小于0.5fck=16.2 MPa，滿足規(guī)范要求[3]。

b.正截面法向壓應(yīng)力驗(yàn)算如圖21所示。

圖21 標(biāo)準(zhǔn)組合最大主壓應(yīng)力（單位：MPa）

主梁在使用階段作用標(biāo)準(zhǔn)值下混凝土最大主壓應(yīng)力為6.4 MPa，小于0.6fck=19.44 MPa，滿足規(guī)范要求[3]。

c.預(yù)應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力驗(yàn)算見表2。

表2 預(yù)應(yīng)力鋼束最大拉應(yīng)力結(jié)果

滿足規(guī)范規(guī)定的受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力[3]（鋼絞線、鋼絲）：未開裂構(gòu)件為σpe+σp≤0.65fpk=1 209 MPa。

2.1.5 新老結(jié)構(gòu)連接措施

由于新建橋墩蓋梁中包含部分老橋橋墩立柱，為保證結(jié)構(gòu)整體受力，應(yīng)采取措施加強(qiáng)新老結(jié)構(gòu)的連接。該工程主要通過以下幾個(gè)方面來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性：

（1）表面鑿毛。新建蓋梁鋼筋架設(shè)前，需對既有立柱保留部分四周進(jìn)行鑿毛處理，形成剪力槽，深度為 15～25 mm，間距為 10～15 cm。

（2）植筋。新建蓋梁鋼筋架設(shè)前，還需在既有立柱保留部分四周植筋，植入長度不小于10d，錨固用膠黏劑，采用A級膠。且立柱保留部分區(qū)域內(nèi)蓋梁縱橫向鋼筋需與對應(yīng)植筋連接，如圖22所示。

圖22 既有立柱保留部分植筋示意圖

（3）縱橫向預(yù)應(yīng)力。通過對既有立柱保留部分鉆孔的方式預(yù)埋波紋管，從而設(shè)置縱橫向預(yù)應(yīng)力（圖23、圖24中的N7、N8），進(jìn)一步增強(qiáng)兩者之間的連接，如圖23、圖24所示。

2.2 施工控制

圖23 蓋梁鋼束立、平面布置圖（單位：cm）

圖24 蓋梁鋼束斷面布置圖（單位：cm）

根據(jù)橋墩更換的施工步驟圖分析，主要可通過以下幾個(gè)方面來控制上部結(jié)構(gòu)支座處豎向位移：

（1）堆載。該工程為高架工程中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，施工時(shí)建議先施工該橋墩樁基承臺，然后進(jìn)行堆載預(yù)壓，在不影響總工期的前提下，盡量延長堆載時(shí)間，以減少或消除基礎(chǔ)沉降帶來的豎向位移。

（2）樁底注漿。同樣為了減少新建橋墩基礎(chǔ)沉降帶來的豎向位移，樁基施工后進(jìn)行樁底注漿。

（3）荷載轉(zhuǎn)移。在施工步驟中，可采用鋼絲繩等對立柱鑿除部分進(jìn)行切割，盡量減小對結(jié)構(gòu)的沖擊荷載。

（4）位移監(jiān)控。切割立柱前后，均需測量并記錄該墩支座處梁底靜態(tài)高程，持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測該高程的變化。若出現(xiàn)大于5 mm的位移，需立即停止施工，及時(shí)告知各參建方，查明原因再繼續(xù)施工。

（5）梁底頂升。竣工前，再測量支座處梁底靜態(tài)高程，并與其初始值（環(huán)境溫度基本一致）進(jìn)行比較，若該高程降低大于5 mm的位移，需對梁體頂升后進(jìn)行支座更換，并保證支座處梁底高程恢復(fù)其初始值。

3 結(jié) 語

本文提出了一種無支架更換既有橋梁橋墩的關(guān)鍵技術(shù)控制方法，通過設(shè)計(jì)和施工雙重控制來達(dá)到結(jié)構(gòu)安全性、施工便利性、措施可行性的目標(biāo)。待該工程實(shí)施后收集可靠的施工數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化該方法，以便在以后的改建工程中推廣應(yīng)用。