高速公路改擴建曲線橋梁改造設計

李邦映， 魏慶慶， 鄭國華

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節能與環保技術及裝備交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展，越來越多的高速公路開始改擴建，由于大部分高速公路為近二三十年來新建的，橋梁狀況尚好，為盡量利用原有結構，降低資源消耗，節約工程造價，原有橋梁能夠予以利用的應盡量進行改造利用。由于經過多年運營以及施工誤差，橋梁現狀與原設計具有一定差異，同時由于病害隱蔽、測量和檢測困難等特殊性，改造影響因素多、難度大且極具靈活性，造成構造變化多、施工復雜、控制難度大等困難[1-5]。

該文以安徽省岳武高速公路上某互通立交G匝道橋改擴建為例，詳述橋梁改造設計思路與設計方案，供類似工程參考。

1 工程概況

互通立交G匝道橋現狀采用分離式斷面，左幅不再利用，予以拆除，右幅由于狀況良好，進行改造利用。

G匝道橋全長497.13 m，共四聯，橋面全寬10.5 m，設計荷載：汽-超20，掛-120[6]。

橋梁平面位于半徑285.75 m和1 505.75 m的平曲線上，實測跨徑布置和上、下部結構類型見表1和表2。

表1 G匝道橋實測跨徑布置和上部結構類型

表2 G匝道橋下部結構類型

改造后第一～三聯平面線形與現狀一致，橋面高程比現狀橋面抬升1.3～57.8 cm，擬采用主梁整體旋轉頂升和橋面輕型化對第一～第三聯上部結構進行改造利用；改造后第四聯平面線形與現狀最大偏位約40 cm，橋面高程比現狀橋面抬升57.8～217.9 cm，第四聯平面偏位較大，擬按照新標準對上部結構進行拆除重建。下部結構根據墩(臺)具體情況進行拆除重建或改造利用。

改造后橋梁承載能力需滿足現行規范中公路-I級荷載[7]要求。

2 主梁整體旋轉頂升

曲線橋梁整體旋轉頂升是各種橋梁頂升中最為復雜的一種姿態變化，頂升過程中既要控制曲線橋梁繞主梁旋轉軸旋轉，還要控制主梁縱向滑移和橫向擺動，防止梁體傾覆或開裂[5]，同時要綜合考慮上、下部結構受力、下部改造施工需要等多種因素，因此，橋梁整體旋轉頂升設計、施工復雜，控制難度大，必須進行充分研究。

2.1 主要施工工藝

根據橋梁實際情況并結合國內類似橋梁施工的成熟經驗，推薦采用PLC控制液壓同步頂升系統，利用主頂、跟隨頂交替頂升梁體[3]。G匝道橋改造主要施工工藝為：

(1)橋面減載。為降低頂升要求、保證結構和施工安全、確保順利起頂以及后續改造需要，頂升之前應切除護欄、刨除橋面鋪裝、解除伸縮縫、排水管等附屬構件。

(2)主梁同步頂升。為使梁體與原支座脫空、順利移除支座，主梁同步頂升一定位移，為保證頂升安全和利于控制，頂升過程中應設置多個行程。

(3)主梁旋轉頂升。以選定軸線作為旋轉軸、按照比例旋轉頂升主梁，直至主梁頂升到位。

(4)下部結構改造。頂升到位后，進行墩柱切除、接高或蓋梁增設、墊石加高施工。

(5)同步落梁。下部結構改造完成后進行同步落梁，落梁建議以梁底支座墊石鋼板至支座頂面鋼板的距離，將主梁的頂升誤差、橋墩施工誤差修正至梁底支座墊石的高度里，以保證落梁后的線形與設計線形相符。

(6)橋面施工。落梁完成后，施工護欄、橋面調平層、防水層和瀝青混凝土鋪裝。

2.2 頂升參數控制因素

G匝道橋頂升參數的確定主要考慮以下因素：

(1)頂升位移應盡量小，以降低施工風險。

(2)頂升位移應滿足支座更換、墊石加高、墩柱接高等工藝操作空間要求。

(3)頂升方案應使混凝土調平層厚度滿足最小需求且分布對稱均勻，盡量降低調平層自重，減小對主梁和下部結構的影響。

(4)頂升方案應有利于施工，步驟簡潔，操作簡單。

2.3 頂升主要參數

主梁頂升過程主要涉及三個步驟：同步頂升、旋轉頂升和同步落梁，如圖1所示。

圖1 主梁整體旋轉頂升示意圖

同步頂升和同步落梁兩個步驟由于不存在主梁旋轉問題，一聯中各位移控制點的位移參數保持一致，而旋轉頂升步驟中各位移控制點位移參數與距旋轉軸的距離成比例關系。

如圖2所示，A點為路線中心線處位移控制點，B、C點分別為一聯中其他位移控制點，由于一聯中各位移控制點繞旋轉軸0-0'的旋轉角度相同，已知A點頂升位移，則B點、C點的頂升位移分別為:

圖2 旋轉頂升參數計算示意圖

根據改建后橋面設計高程、實測高程數據和施工工藝要求，在充分考慮前述控制因素的前提下，按照上述原理，計算出第一～三聯各墩(臺)對應位置路線中心線處理論頂升位移，見表3～表5。

頂升施工前應根據實際千斤頂布置方案合理劃分控制單元，詳細計算每個控制單元的理論位移，從而比較精確地實現同步頂升[2]。

表3 第一聯主梁理論頂升位移(單位：cm)

表4 第二聯主梁理論頂升位移(單位：cm)

表5 第三聯主梁理論頂升位移(單位：cm)

各墩(臺)對應位置主梁豎向理論頂升力見表6，據此進行千斤頂型號的初步選擇和方案布置。

表6 第一～三聯主梁理論頂升力(單位：kN)

2.4 頂升施工監控要求

G匝道橋主梁為混凝土結構，結構受力對位移差比較敏感，且一聯跨數多，又處于平曲線上，千斤頂控制單元、臨時支架數量多，頂升系統復雜，施工難度大，頂升過程中若不能及時發現偏差并做出調整，很容易造成梁體開裂或不能正常起頂，因此，橋梁整體旋轉頂升過程中需要全程監控、步步控制[1]。

根據結構受力特點并參考類似項目[1,4]，頂升時除對主梁和臨時支撐外觀進行目視檢查外，建議對以下項目進行嚴格監控：

(1)頂升力與位移。由集成在PLC系統中的液壓和位移傳感器進行實時監測。

(2)頂升高度和橋面高程。在墩頂主梁底緣和橋面分別設置固定測點，每一行程后利用百分表和全站儀對主梁頂升高度進行復測，以與PLC系統數據進行校核，確保頂升位移在允許范圍內。

(3)主梁縱、橫向位移。在主梁底緣中線位置設置百分表測點測量主梁頂升過程中縱、橫向偏移量。

(4)主梁上、下緣應力變化。在墩頂附近主梁頂、底緣位置設置表面應變計，確保頂升過程中混凝土應力變化在安全范圍內。

(5)臨時支撐應力和位移。在臨時支撐鋼結構上設置應變計、位移觀測點進行實時監測，確保頂升過程中臨時結構安全。

3 橋面輕型化

G匝道橋現狀橋面鋪裝采用9 cm厚瀝青混凝土，并設置9 cm厚40號混凝土調平層；改建后橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土，第一～三聯設置防水混凝土調平層，第四聯不設置混凝土調平層。

如圖3所示，為減輕橋面自重，調平層混凝土采用C40輕質高強混凝土，要求容重不大于19 kN/m3；局部混凝土厚度超過16 cm時，調平層內設置直徑8 cm的UPVC管道；內、外側防撞護欄由混凝土結構改為鋼結構。

圖3 橋面鋪裝輕型化改造(單位：cm)

第一～三聯橋面輕型化改造前后橋面恒載變化情況見表7，輕型化改造后橋面恒載重量降低達到6.7%～15.3%，減重效果明顯，有效提高主梁的活載承載能力。

表7 第一～三聯橋面輕型化成果(單位：kN)

4 下部結構改造

根據結構特點，橋墩(臺)采用不同的改造方案：

(1)0#、20#橋臺：由于橋梁左幅拆除和橋臺構造調整需要，0#、20#橋臺拆除重建，繼續采用重力式U型橋臺。

(2)1#～6#、10#～14#橋墩：第一、三聯主梁頂升高度最大約為18.5 cm，高差較小，采用增加墊石高度方式進行局部改造，如圖4所示。

圖4 1#～6#、10#～14#橋墩支座墊石處理(單位：cm)

(3)16#～19#橋墩：第四聯主梁拆除重建，高差達到57.8～217.9 cm，高差較大，采用墩頂局部切除、增設蓋梁方式進行改造，如圖5所示。

圖5 16#～19#橋墩增設蓋梁(單位：cm)

(4)15#橋墩：15#橋墩為第三、四聯的過渡墩，采用墩頂局部切除、增設蓋梁方式進行改造，如圖6所示。

圖6 15#橋墩增設蓋梁(單位：cm)

(5)7#～9#橋墩：主梁頂升高度達到25.7～36.1 cm，考慮擋塊加高需要，采用加厚蓋梁方式進行改造。

(6)支座更換。橋梁已運營約15年，橡膠支座基本已達到設計使用年限，第一、三聯支座更換為球形支座，第二聯支座更換為板式橡膠支座。

5 結束語

G匝道橋作為運營中的橋梁，具有病害隱蔽、測量和檢測困難等特殊性，且改造內容多，施工復雜，施工控制難度大。為確保改擴建達到預期效果，尚應采取以下措施：

(1)堅持動態設計、動態施工。橋梁封閉后應對橋梁結構尺寸、狀態進行復測和復檢，及時對設計文件、施工組織進行優化調整。

(2)堅持換手測量、交叉復核。由于測量數據直接影響橋梁頂升和改造方案、橋面恒載，必須確保測量數據準備性和唯一性，參建各方應對數據進行相互校核。