城市高架調坡頂升設計技術

夏飛龍，王林凱，田帥帥，李 輝

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230000)

0 引 言

隨著城市的發展，做好與現狀高架橋的銜接設計對城市高架延伸線建設而言尤為重要，既要考慮對現狀道路影響最小，又要保證整條道路改造后的快速化提升目標。

如圖1所示，通常做法是對現狀高架落地橋臺后的擋墻段進行改造，銜接新建高架起點，這種做法會造成橋下空間無法利用，需在外側設置地面輔道，橋下道路線形較差，兩側征地拆遷量大，經濟社會綜合效益不佳。

圖1 現狀橋梁擋墻段改造

如圖2所示，對現狀高架終點段進行調坡頂升，并與新建高架順接，可在橋下設置輔道，最大限度的利用橋下空間，提高線路平順度和通行能力，降低征地拆遷量。但橋梁頂升工程難度大，施工風險性較大，需要專項研究、論證。

圖2 頂升改造方案

橋梁頂升分為整體頂升和調坡頂升。整體頂升的各個位置頂升高度一致，如航道升級時橋梁整體抬高。調坡頂升各個位置頂升高度不同，梁體除整體抬高外還有轉動，如城市高架終點抬高順接新橋。調坡頂升分各墩同步頂升、分步到位和角速度一致的等比例頂升兩種方法。各墩同步頂升、分步到位是按照每聯頂升墩的高度依此排序，各墩先整體同步頂升到最低墩的高度，然后各墩(此時最低墩已頂升到位，不再繼續頂升)同步頂升到頂升高度倒數第二高的位置，依此按上述步驟直至最高墩頂升到位。角速度一致的等比例頂升是根據各墩頂升的高度，計算出每個行程各個墩的頂升高度，每個行程頂升時按照各點高度的比例進行頂升。如表1所示，角速度一致的等比例頂升是最為常用的調坡頂升方法。

1 工程概況

萬家麗高架現狀終點三聯橋跨為(40+60+40)m變截面預應力混凝土連續箱梁+3 m×30 m等截面預應力混凝土連續箱梁+2 m×30 m等截面預應力混凝土連續箱梁，平曲線半徑為2 000 m，橋寬為25 m，橋面鋪裝厚度為0.18 m，橋墩采用花瓶墩，橋臺采用重力式U臺，樁基采用鉆孔灌注樁。

表1 國內頂升方案

考慮到(40+60+40)m變截面預應力混凝土連續箱梁為路口大跨橋，頂升對路口交通影響大，最終確定對終點兩聯橋梁進行調坡頂升，與新建高架銜接，調整頂升高度為0～3987 mm，頂升面積為3 750 m2，頂升總重量為10 000 t。

2.1 概述

由于原樁帽平面尺寸有限，頂升鋼支撐不能全部布置在原承臺范圍內，需對原承臺進行加寬補強加固，通過預埋螺栓把頂升鋼支撐固定在加固后的承臺上。在鋼支撐與箱梁底之間安裝頂升千斤頂，設置跟隨保護千斤頂防止梁體意外墜落，跟隨保護千斤頂安裝在原支座拆除后的相應位置處，通過PLC電腦同步控制系統，采用角速度一致等比例頂升的方法來實現抬高橋梁標高的目的，頂升完成后拆除隨動支撐體系，對原墩臺進行改造處理，然后安裝支座，完成墊石澆筑，待墊石強度達到設計強度后整體落梁，最后對上部結構鋪裝改造。總體流程如圖3所示。

圖3 調坡頂升施工流程圖

2.2 橋梁頂升

(1)頂升前的準備工作

全面了解橋梁的現有狀況，重點了解橋梁的各類損傷狀況及其對結構的影響；實測橋梁各組成部分的實際尺寸，為橋梁頂升施工前提供基礎數據；根據橋梁的檢查結果分析，提出保障橋梁頂升施工的安全技術措施與建議。檢查內容包括：結構尺寸檢查、裂縫檢測、伸縮縫檢測等。

(2)基礎承臺拓寬做為支撐平臺

利用原墩臺承臺作為頂升基礎。由于承臺尺寸的不足，采用鋼筋混凝土墊梁外伸懸挑的方式進行補足，通過植筋方式與原承臺連接。

橋臺與箱梁底部凈空的不足，采用對橋臺進行局部鑿除的創造凈空。

(3)支撐墩及頂升系統布設

橋墩頂升托換支架體系主要采用Φ609 mm鋼管進行支撐，壁厚16 mm。為了增強整體穩定性，鋼管支撐通過植筋的方法與承臺連接固定，鋼管間用14L角鋼連接。鋼管節間采用法蘭連接，Φ609 mm鋼管與Φ500 mm工具式鋼管墊塊之間采用轉換墊塊過渡。橋臺位置處鋼管支撐呈“一”字形布置，不能形成空間格構柱形式，不利于整體穩定。故在其外側額外布置幾根鋼管柱，與原有鋼支撐形成三角形格構柱。

支撐系統還包括部分工具式墊塊。工具式墊塊主體為Φ500 mm的精加工鋼管支撐墊塊，其壁厚為12 mm。高度模數分為5 cm、10 cm、20 cm、50 cm、100 cm五種。對于小于5 cm的空間采用不同厚度規格的圓形鋼板填充。Φ500 mm鋼管支撐墊塊的安裝高度一般不超過2 m，當超過2 m時應采用Φ609 mm鋼管進行替換。

隨動支撐下部的鋼箱墊塊隨著頂升高度的增加會越來越高，鋼箱墊塊最高可堆積4 m。為保證其鋼箱墊塊的穩定性，在原墩柱頂面鋼箱墊塊四周植入直徑為Φ20的鋼筋，然后與鋼箱墊塊外部的鋼板焊接，使墩柱與堆積的鋼箱墊塊形成穩定的整體。布置跟隨保護千斤頂時必須左右對稱布置，以保證上部箱梁受力均勻，防止上部混凝土具部受力產生裂縫。

千斤頂的頂升部位必須布置在箱梁的實心橫隔梁處。千斤頂支撐與新墩柱之間應預留足夠空間，不得妨礙墩柱改造施工。安全儲備系數為1.8倍以上。

配置7臺液壓泵站，采用一套14點同步控制系統，以滿足整體同步頂升調坡施工及控制。當梁體頂升至設計高度后，將上部結構荷載全部由液壓千斤頂承擔并擰緊液壓千斤頂機械飽壓環。然后拆除隨動千斤頂及其支撐結構，為墩柱改造提供施工空間。

(4)限位擋的設計

在墩柱側立面植筋設置兩對混凝土限位擋，在箱梁底通過植筋的方式設置兩根鋼結構限位柱，每根鋼結構限位柱夾在一對混凝土限位檔中間，限位擋和限位柱之間預留有10 mm的間隙，形成抽拉式限位裝置。

在橋臺設置鋼筋混土限位柱，箱梁端部設置混凝土牛腿。起到橋臺橫縱限位的功能。混凝土立柱截面尺寸為500 mm×500 mm。

2.3 下部結構改造

頂升到設計高程后，鑿除原下部結構橋墩漸變段，接長鋼筋，澆筑混凝土。

圖4 橋墩改造

鑿除橋臺承臺以上部分，在周圍施工六根同直徑樁基，并在原承臺下再設置新承臺形成階梯型承臺，最后澆筑分聯墩。

圖5 橋臺改造

2.4 支座安裝

原墩柱鑿除完成后接高改造前應先進行新支座的安裝。安裝支座前先在箱梁底面加裝楔形鋼板以恢復支座安裝面的水平度。待墩柱改造施工完后，采用高強灌漿料澆筑墊石，墊石頂面與支座底面預留3～5 mm縫隙，采用高強灌漿料壓漿灌實。

2.5 上部結構改造

上部結構頂升完成后，在分聯位置會形成折角，為保證行車安全需對鋪裝層改造以實現設計線形，鋪裝層最厚需加鋪22 cm，改造范圍為第三跨范圍。

墩柱改造、支座安裝、墊石澆筑完成后，進行液壓千斤頂及其支撐結構的拆除。

為降低加鋪增加的二期恒載對橋梁結構的影響，采用方案一：加鋪厚度8～22 cm采用輕質混凝土并埋設空心鋼管的加鋪方案，加鋪厚度5～8 cm采用輕質混凝土的加鋪方案，加鋪厚度小于5 cm采用瀝青的加鋪方案。方案二：全部采用輕質混凝土的加鋪方案。

3 結構計算

改造后二期恒載增加，采用有限元軟件對兩種加鋪方案的上部結構受力進行復核計算，并與老橋原方案進行對比。

全橋共建立180個梁單元，單元長度為0.5 m，鋪裝及護欄均以線荷載的形式施加。方案一結構的鋪裝荷載為23.5×(0.1×26+0.08×24)=106.22 KN/m，方案二前兩跨按106.22 KN/m添加鋪裝荷載；第三跨按三角形荷載添加鋪裝荷載，根據統計無縫鋼管重量與輕質混凝土重量，確定終點位置荷載集度為136.0 KN/m，起點位置為110.0 KN/m；方案三前兩跨按106.22 KN/m添加鋪裝荷載；第三跨按三角形荷載添加鋪裝荷載，根據統計輕質混凝土重量，確定終點位置荷載集度為202.0 KN/m，起點位置為110.0 KN/m。

圖6 有限元模型

根據規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)第5.2.2～5.2.5條的規定，需進行使用階段正截面抗彎承載能力驗算，由圖7可知，方案一與方案二均滿足截面抗彎承載能力驗算要求。方案二截面內力較大，但是兩種方案計算結果相差小于1%。

圖7 結構使用階段正截面抗彎計算結果

根據規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG3362-2018)第6.3.1條的規定，應對預應力混凝土受彎構件正截面抗裂進行驗算，對A類預應力混凝土構件，在作用(或荷載)短期效應組合下：σst-σpc≤0.7ftk=0.7×2.65=1.86 MPa。由計算結果可知，方案一與方案二均滿足規范要求，其中方案二結構應力儲備較小，相比原結構鋪裝方案，方案一結構短期應力儲備最大降低了4%，方案二最大降低了10%；方案一結構長期應力儲備最大降低了16%，方案二最大降低了20%。

圖8 截面抗裂計算結果

根據規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)第6.3.1-2和6.3.3條的規定，應對預應力混凝土受彎構件斜截面混凝土的主拉應力進行驗算，由計算結果可知方案一與方案二混凝土截面主應力均滿足規范限值要求。方案一主應力儲備相比原方案最大減少3%，方案二主應力儲備相比原方案最大減少9.8%。

圖9 斜截面抗裂計算結果

根據規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)第7.1.3、7.1.4和7.1.5條的規定，應對使用階段預應力混凝土受彎構件正截面混凝土的壓應力進行驗算；根據規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)第7.1.6條的規定，應對使用階段斜截面主壓應力進行驗算。由計算結果可知，方案一、方案二截面正應力均小于0.5fcd=16.2 MPa；斜截面主應力均小于0.6fcd=19.44 MPa。方案一相比原方案截面正應力最大增加了0.6%，斜截面主應力最大增加了0.6%；方案二相比原方案截面正應力最大增加了1.6%，斜截面主應力最大增加了1.7%。

圖10 使用階段截面應力驗算結果

5 結 語

橋梁頂升工程難度大，設置跟隨保護千斤頂和限位擋可有效降低施工風險。

頂升完成后需要對橋面鋪裝進行加鋪改造，通過對兩種加鋪方案的比較可得：

(1)方案一與方案二的截面抗彎承載能力計算均滿足規范要求。方案二截面內力較大，但是兩種方案計算結果相差小于1%。

(2)方案一與方案二均滿足規范要求，其中方案二結構應力儲備較小，相比原結構鋪裝方案，方案一結構短期應力儲備最大降低了4%，方案二最大降低了10%；方案一結構長期應力儲備最大降低了16%，方案二最大降低了20%。

(3)方案一與方案二混凝土截面主應力均滿足規范限值要求。方案一主應力儲備相比原方案最大減少3%，方案二主應力儲備相比原方案最大減少9.8%。

(4)方案一、方案二截面正應力均小于0.5fcd=16.2 MPa；斜截面主應力均小于0.6fcd=19.44 MPa。方案一相比原方案截面正應力最大增加了0.6%，斜截面主應力最大增加了0.6%；方案二相比原方案截面正應力最大增加了1.6%，斜截面主應力最大增加了1.7%。

通過對現狀高架終點段進行調坡頂升，實現了與新建高架的順接和橋下輔道設置，提高線路平順度和通行能力，降低征地拆遷量。