既有橋梁無支架更換橋墩關鍵技術控制

肖金寶

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200082）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的飛速增長，橋梁建設得到了大力發(fā)展，不僅在交通運輸中起到了關鍵作用，同時還能促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，縮小城鄉(xiāng)差距，增進不同地區(qū)之間的文化交流。隨著時代的發(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，但原有橋梁結構仍然完好，拆除重建會造成巨大經(jīng)濟浪費。因此就需要對原有橋梁工程進行改擴建，以滿足日益增長的交通量需求[1]。

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

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支架支撐上部結構而直接進行下部結構更換的方法，并提出更換過程中的關鍵技術控制。

1 工程概況

該工程位于上海市青浦區(qū)，改建立交項目共包含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系（與老橋墩沖突）

圖2 既有橋梁橋墩更換后的空間關系（沖突解決）

2 關鍵技術

無支架更換橋墩即不搭設支架支撐既有結構，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構維持原受力狀態(tài)。而換墩對既有上部結構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構受力有較大影響。

因此無支架換墩關鍵技術即控制墩頂豎向位移，包含設計中的控制措施和施工時的控制措施。

2.1 設計控制

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，既有橋墩由獨柱墩改為門式墩，在鑿除既有立柱蓋梁以下部分后，上部結構荷載轉(zhuǎn)由門式墩蓋梁承受，此時蓋梁將發(fā)生豎向變形，產(chǎn)生撓度。

2.1.1 關鍵控制點

根據(jù)施工步驟圖可知，設計中的最關鍵控制點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預應力鋼束的效應，來達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新老結構的連接，增強結構的整體性。

2.1.2 計算模型

原獨柱墩立柱縱橋向?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，以減小蓋梁撓度。為此新建蓋梁設置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置1排共2束規(guī)格為15-4的鋼束。同時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，以增強新老結構的整體性，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。

結構分析采用有限元軟件midas Civil，按實際模擬各施工階段受力，恒載通過支座位置集中力施加，活載通過虛梁進行橫向加載。計算模型如圖5所示。

2.1.3 支座處豎向位移計算結果

為分析鋼束效應對蓋梁撓度的影響，特列出上部結構荷載轉(zhuǎn)移到門墩蓋梁，但鋼束尚未張拉時的撓度，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，上部結構荷載轉(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。

張拉預應力后，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，蓋梁恒載合計豎向位移如圖8所示。

恒載作用下10 a收縮徐變恒載合計豎向位移為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，對上部結構產(chǎn)生的向下?lián)隙容^?。?.6 mm），原上部結構計算文件支座差異沉降控制為1 cm，可以認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 其他構件計算結果

2.1.4 .1立柱驗算

（1）承載能力極限狀態(tài)驗算。承載能力作用效應基本組合下強度驗算結果見表1。

表1 基本組合內(nèi)力組合

相應壓彎承載力驗算如圖9所示。

圖9 壓彎承載力

結果表明，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 抗彎承載能力驗算（單位：kN·m）

圖13 斜截面抗剪承載能力驗算（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，滿足構件抗裂要求[3]。

2.1.4 .2蓋梁驗算

（1）持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算。

a.承載能力作用效應基本組合下抗彎承載能力驗算結果如圖12所示。

b.承載能力作用效應基本組合下斜截面抗剪承載能力驗算結果如圖13所示。

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

（2）持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算。

a.正截面抗裂驗算。頻遇組合下，蓋梁最大拉應力如圖14、圖15所示。

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

準永久組合下，蓋梁最大拉應力如圖16、圖17所示。

b.斜截面抗裂驗算如圖18所示。

最大主拉應力為0.3 MPa,小于0.5ftk=1.325 MPa，滿足A類預應力構件要求[3]。

（3）持久狀況應力驗算。

a.正截面法向壓應力驗算如圖19、圖20所示。

圖14 頻遇組合上緣最大拉應力（單位：MPa）

圖15 頻遇組合下緣最大拉應力（單位：MPa）

圖 16 準永久組合上緣最大拉應力（單位：MPa）

圖 17 準永久組合下緣最大拉應力（單位：MPa）

圖 18 頻遇組合下緣最大主拉應力（單位：MPa）

圖 19 標準組合上緣最大壓應力（單位：MPa）

圖20 標準組合下緣最大壓應力（單位：MPa）

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

b.正截面法向壓應力驗算如圖21所示。

圖21 標準組合最大主壓應力（單位：MPa）

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

c.預應力鋼筋拉應力驗算見表2。

表2 預應力鋼束最大拉應力結果

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

2.1.5 新老結構連接措施

由于新建橋墩蓋梁中包含部分老橋橋墩立柱，為保證結構整體受力，應采取措施加強新老結構的連接。該工程主要通過以下幾個方面來增強結構整體性：

（1）表面鑿毛。新建蓋梁鋼筋架設前，需對既有立柱保留部分四周進行鑿毛處理，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）縱橫向預應力。通過對既有立柱保留部分鉆孔的方式預埋波紋管，從而設置縱橫向預應力（圖23、圖24中的N7、N8），進一步增強兩者之間的連接，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方面來控制上部結構支座處豎向位移：

（1）堆載。該工程為高架工程中的一個節(jié)點，施工時建議先施工該橋墩樁基承臺，然后進行堆載預壓，在不影響總工期的前提下，盡量延長堆載時間，以減少或消除基礎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沉降帶來的豎向位移，樁基施工后進行樁底注漿。

（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行切割，盡量減小對結構的沖擊荷載。

（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)實時監(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）進行比較，若該高程降低大于5 mm的位移，需對梁體頂升后進行支座更換，并保證支座處梁底高程恢復其初始值。

3 結 語

本文提出了一種無支架更換既有橋梁橋墩的關鍵技術控制方法，通過設計和施工雙重控制來達到結構安全性、施工便利性、措施可行性的目標。待該工程實施后收集可靠的施工數(shù)據(jù)，進一步驗證和優(yōu)化該方法，以便在以后的改建工程中推廣應用。