預應力混凝土連續梁橋托梁換柱改造設計

朱 琳

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

伴隨交通基礎設施建設的飛速發展，新建道路穿越既有線位，以及新建橋梁預留下穿線位是建設過程的常規形式。預留條件往往依據同期的規劃預測結果，體現了近遠期規劃及區域整體規劃的協同發展。但面對交通壓力的激增，遠期飽和度往往在幾年內就形成量級的提高，新建交通設施必然相應增加規模以適應需求，從而引發預留橋孔無法滿足新建道路路幅寬度的現象。如因為上述情況導致重要道路節段功能的下降，對新建工程的整體經濟性將形成嚴重的折損。因此，應結合安全有效的設計理念及技術手段，對個別節點的控制性既有橋墩進行改造，并保證既有橋梁的結構安全。現結合具體工程，給出新建城市主干路面對既有墩柱位于標準路幅的改造設計樣例，為今后面對類似工程制約點的處理方法提供一定思路。

1 工程概況

某新建城市主干路設計車速60 km/h，按雙向6車道標準設計，標準段路基總寬32 m，線位于地平通過該城市火車西站西側，道路穿越位置現有車站循環道橋梁，為客運車站主要進出通道。循環道橋梁設計時，墩位布置以雙向4 車道下穿條件預留道路寬度，根據現階段交通量分析，該項目交通量遠期飽和度較高，如火車西站區段按預留條件采用4 車道布設，將形成瓶頸路段，影響道路功能；如要實現該區段道路標準雙向6 車道斷面布設，路幅布置與車站循環道墩位基礎矛盾。

現況西站循環道橋梁涉及線位下穿的跨徑布置為17 m+26 m+17 m 及19 m+30 m+19 m 兩種，共計四聯，沿循環道對稱中線布設，東側中墩全部位于設計道路機動車道范圍，西側中墩全部位于人行道范圍，如圖1 所示。

圖1 新建道路與現況橋梁平面關系圖

2 橋梁設計資料

該工程下穿位置橋梁上部結構采用預應力混凝土連續箱梁形式，均為三跨設置形式，具體跨徑尺寸如上節所述，橋面全寬：0.5 m（防撞護欄）+10.1 m（行車道）+0.5 m（防撞護欄）=11.1 m，梁高1.7 m。

橋梁下部結構中墩采用獨柱蓋梁形式，蓋梁頂面設置雙支座，基礎形式為樁接柱；下部結構邊墩采用重力式橋臺或獨柱蓋梁形式，邊橫梁設置雙支座；中邊墩支座間距均為4.8m。橋梁平面位于道路平曲線段，各墩支座連線與新建道路中線均有夾角。

圖2 為現況橋梁立面設計圖。

圖2 現況橋梁立面設計圖（單位：m）

3 墩柱改造方案

為保證該項目道路功能不因現況橋梁墩位產生影響，在保證橋梁結構安全的前提下，對墩柱換位改造的可行性進行分析，采用兩種方案進行對比，實施目標為三跨預應力連續箱梁橋東側中墩，共涉及四聯橋梁。根據車站管理單位要求，橋梁改造全過程必須盡量減小對車站客運集散的交通影響。

3.1 設計原則

（1）不降低橋梁原使用功能及承載能力。

（2）不改變原橋結構受力體系。

（3）保證橋梁改造全程及后期運營安全。

（4）減小對車站進出交通的影響。

3.2 主動托換方案

該方案內容為于改造中墩處設置新蓋梁門架，門架垂直新建道路中線設置。新基礎位于道路中央分隔帶及人行步道位置。原橋各支座對應單獨門架，不改變支座支撐位置。上部荷載轉移方式為主梁整體頂升，在新門架原支座位置處安裝同規格支座，整體回落主梁后，傳載于新基礎，每聯橋梁共設置2 座新門架。該方案施工步驟如圖3、圖4 所示。

圖3 主動托換方案立面步驟示意圖

圖4 主動托換方案平面步驟示意圖

（1）步驟一：施作新基礎挖孔樁，預壓后、澆筑混凝土承臺，并安裝鋼墩柱；順橋向加寬原基礎蓋梁，蓋梁頂處外包鋼板、內灌混凝土。

（2）步驟二：焊接鋼門架角隅結構，灌注墩柱混凝土；橋梁各橫梁支點布設千斤頂，其中改造基礎于支點柱頂布設主千斤頂，蓋梁加寬處布設備用千斤頂；新舊蓋梁兩側主梁底設置備用支架，以增加安全儲備。

（3）步驟三：臨時限制車輛沿橋梁中線單車道通行，無需中斷交通；整聯同步頂升（位移+ 頂力雙控）；切割原蓋梁懸臂，焊接合攏鋼門架。

（4）步驟四：原支承位置安裝門架支座，主梁回落歸位，恢復交通，單車道限行時間共約24～48 h；切割原基礎墩柱，門架間設置系梁；撤除備用支架，施作路面結構。

該方案的優點是：基礎改造過程受力狀態可控性好，配合調高支座的使用，可保證橋梁基礎無改造引發的差異沉降，主梁受力狀態良好。該方案的缺點是：需臨時中斷交通，但可根據客運特點，選擇工作日高鐵客流量較小的時間區段施做，配合循環線區域交通導行，保證乘客集散需求。

3.3 被動托換方案

方案內容為保留原橋蓋梁結構及支座，新建門架與原橋蓋梁澆筑為一個整體，如圖5 所示。門架垂直新建道路中線設置，新基礎同樣位于道路中央分隔帶及人行步道位置。門架高度在原蓋梁基礎上高增厚0.5 m，以增設預應力鋼束，順道路結構寬度為10 m。改造全程不改變支座支撐位置，全程只對下部結構進行操作，當預應力鋼束張拉完成并切斷原橋墩柱時，即完成上部荷載轉移至新結構基礎，每聯橋梁共設置1 座新門架。

圖5 被動托換方案三維效果圖

該方案施工步驟如圖6 所示。

圖6 被動托換方案立面步驟示意圖

（1）步驟一：原橋蓋梁設置臨時支架；新建門架樁基，預壓后、澆筑混凝土承臺。

（2）步驟二：鑿除原蓋梁混凝土保護層，清理表面后，在原蓋梁結構上植筋。

（3）步驟三：搭設支架，鋼筋綁扎，整體澆筑門架鋼筋混凝土。

（4）步驟四：張拉門架預應力鋼束，截斷原橋墩柱，完成荷載轉移。

該方案的優點是：基礎改造全過程無需對上部結構進行操作，因此無需交通斷行。該方案的缺點是：新舊混凝土結合效果及預應力鋼束的張拉效果未知，墩柱切斷后即完成荷載轉移，后期如發生基礎沉降或門架變形，位移無法調整，對上部結構產生的影響無法準確把握。

3.4 方案對比

結合以上兩種方案具體內容，針對托換方式、沉降控制、主梁受力、工藝難度、新基礎承載效果、景觀效果、交通影響等項特點進行綜合對比，如表1 所列。

表1 方案對比表

涉及改造的橋梁上部結構為預應力混凝土連續箱梁。根據其超靜定結構對差異沉降敏感的結構特點，改造方案應全程控制各墩差異沉降數值，并配合采用各種方式消除可能產生的差異沉降，以減少主梁次內力，保留結構承載的安全儲備。因此該工程最終選用頂升方式的主動托換方案，實施橋梁的托梁換柱改造。對于其需短暫斷行的方案劣勢，經與車站管理單位的溝通協商，可通過選擇車站少客時段進行橋上交通分級管控及導行，配合改造施工。

4 結論

（1）新建道路的斷面布設應結合建設條件進行設計，對于控制性建筑的避讓，應結合新建道路功能和建筑物屬性整體分析，并分析控制物改移的可行性。

（2）橋梁結構屬于百年結構，墩位布設時應充分考慮下穿道路的預留條件，當橋梁基礎因其他構筑物建設形成安全威脅，或成為其他重要工程的建設障礙時，應考慮實施基礎托換改造。

（3）主動托換一般采用頂升形式，對基礎改造全程位移可控，且荷載轉移簡單明確，推薦用于對位移敏感的結構形式及荷載墩位較大的托換工程。被動托換工藝簡單，但對托換過程無法對位移形成指控和調整，一般適用于對位移不敏感的結構形式及荷載較小的托換工程。

（4）托換改造應選擇全程對原結構較小的影響，并考慮各種措施減小新建基礎的位移，例如：新建樁基預壓、樁底注漿消除沉降；新建墩柱或門架盡量采用補償收縮混凝土，減少新建結構的收縮徐變影響；設置調高支座，在上部荷載完成轉移后仍可對位移進行調整。

（5）托換改造工程首先要保證橋梁施工及運營安全，任何其他因素都不應超越此項要求。而減小對現況交通的影響， 應結合社會綜合效益，在充分調查交通分布規律的基礎上，采用分級管控配合局部導行的形式，為改造工程爭取工期條件。