預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋托梁換柱改造設(shè)計(jì)

朱 琳

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

伴隨交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，新建道路穿越既有線位，以及新建橋梁預(yù)留下穿線位是建設(shè)過(guò)程的常規(guī)形式。預(yù)留條件往往依據(jù)同期的規(guī)劃預(yù)測(cè)結(jié)果，體現(xiàn)了近遠(yuǎn)期規(guī)劃及區(qū)域整體規(guī)劃的協(xié)同發(fā)展。但面對(duì)交通壓力的激增，遠(yuǎn)期飽和度往往在幾年內(nèi)就形成量級(jí)的提高，新建交通設(shè)施必然相應(yīng)增加規(guī)模以適應(yīng)需求，從而引發(fā)預(yù)留橋孔無(wú)法滿足新建道路路幅寬度的現(xiàn)象。如因?yàn)樯鲜銮闆r導(dǎo)致重要道路節(jié)段功能的下降，對(duì)新建工程的整體經(jīng)濟(jì)性將形成嚴(yán)重的折損。因此，應(yīng)結(jié)合安全有效的設(shè)計(jì)理念及技術(shù)手段，對(duì)個(gè)別節(jié)點(diǎn)的控制性既有橋墩進(jìn)行改造，并保證既有橋梁的結(jié)構(gòu)安全。現(xiàn)結(jié)合具體工程，給出新建城市主干路面對(duì)既有墩柱位于標(biāo)準(zhǔn)路幅的改造設(shè)計(jì)樣例，為今后面對(duì)類似工程制約點(diǎn)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(shè)計(jì)車速60 km/h，按雙向6車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)段路基總寬32 m，線位于地平通過(guò)該城市火車西站西側(cè)，道路穿越位置現(xiàn)有車站循環(huán)道橋梁，為客運(yùn)車站主要進(jìn)出通道。循環(huán)道橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，墩位布置以雙向4 車道下穿條件預(yù)留道路寬度，根據(jù)現(xiàn)階段交通量分析，該項(xiàng)目交通量遠(yuǎn)期飽和度較高，如火車西站區(qū)段按預(yù)留條件采用4 車道布設(shè)，將形成瓶頸路段，影響道路功能；如要實(shí)現(xiàn)該區(qū)段道路標(biāo)準(zhǔn)雙向6 車道斷面布設(shè)，路幅布置與車站循環(huán)道墩位基礎(chǔ)矛盾。

現(xiàn)況西站循環(huán)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(jì)四聯(lián)，沿循環(huán)道對(duì)稱中線布設(shè)，東側(cè)中墩全部位于設(shè)計(jì)道路機(jī)動(dòng)車道范圍，西側(cè)中墩全部位于人行道范圍，如圖1 所示。

圖1 新建道路與現(xiàn)況橋梁平面關(guān)系圖

2 橋梁設(shè)計(jì)資料

該工程下穿位置橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁形式，均為三跨設(shè)置形式，具體跨徑尺寸如上節(jié)所述，橋面全寬：0.5 m（防撞護(hù)欄）+10.1 m（行車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）=11.1 m，梁高1.7 m。

橋梁下部結(jié)構(gòu)中墩采用獨(dú)柱蓋梁形式，蓋梁頂面設(shè)置雙支座，基礎(chǔ)形式為樁接柱；下部結(jié)構(gòu)邊墩采用重力式橋臺(tái)或獨(dú)柱蓋梁形式，邊橫梁設(shè)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(xiàn)況橋梁立面設(shè)計(jì)圖。

圖2 現(xiàn)況橋梁立面設(shè)計(jì)圖（單位：m）

3 墩柱改造方案

為保證該項(xiàng)目道路功能不因現(xiàn)況橋梁墩位產(chǎn)生影響，在保證橋梁結(jié)構(gòu)安全的前提下，對(duì)墩柱換位改造的可行性進(jìn)行分析，采用兩種方案進(jìn)行對(duì)比，實(shí)施目標(biāo)為三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋東側(cè)中墩，共涉及四聯(lián)橋梁。根據(jù)車站管理單位要求，橋梁改造全過(guò)程必須盡量減小對(duì)車站客運(yùn)集散的交通影響。

3.1 設(shè)計(jì)原則

（1）不降低橋梁原使用功能及承載能力。

（2）不改變?cè)瓨蚪Y(jié)構(gòu)受力體系。

（3）保證橋梁改造全程及后期運(yùn)營(yíng)安全。

（4）減小對(duì)車站進(jìn)出交通的影響。

3.2 主動(dòng)托換方案

該方案內(nèi)容為于改造中墩處設(shè)置新蓋梁門(mén)架，門(mén)架垂直新建道路中線設(shè)置。新基礎(chǔ)位于道路中央分隔帶及人行步道位置。原橋各支座對(duì)應(yīng)單獨(dú)門(mén)架，不改變支座支撐位置。上部荷載轉(zhuǎn)移方式為主梁整體頂升，在新門(mén)架原支座位置處安裝同規(guī)格支座，整體回落主梁后，傳載于新基礎(chǔ)，每聯(lián)橋梁共設(shè)置2 座新門(mén)架。該方案施工步驟如圖3、圖4 所示。

圖3 主動(dòng)托換方案立面步驟示意圖

圖4 主動(dòng)托換方案平面步驟示意圖

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

（2）步驟二：焊接鋼門(mén)架角隅結(jié)構(gòu)，灌注墩柱混凝土；橋梁各橫梁支點(diǎn)布設(shè)千斤頂，其中改造基礎(chǔ)于支點(diǎn)柱頂布設(shè)主千斤頂，蓋梁加寬處布設(shè)備用千斤頂；新舊蓋梁兩側(cè)主梁底設(shè)置備用支架，以增加安全儲(chǔ)備。

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

（4）步驟四：原支承位置安裝門(mén)架支座，主梁回落歸位，恢復(fù)交通，單車道限行時(shí)間共約24～48 h；切割原基礎(chǔ)墩柱，門(mén)架間設(shè)置系梁；撤除備用支架，施作路面結(jié)構(gòu)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：基礎(chǔ)改造過(guò)程受力狀態(tài)可控性好，配合調(diào)高支座的使用，可保證橋梁基礎(chǔ)無(wú)改造引發(fā)的差異沉降，主梁受力狀態(tài)良好。該方案的缺點(diǎn)是：需臨時(shí)中斷交通，但可根據(jù)客運(yùn)特點(diǎn)，選擇工作日高鐵客流量較小的時(shí)間區(qū)段施做，配合循環(huán)線區(qū)域交通導(dǎo)行，保證乘客集散需求。

3.3 被動(dòng)托換方案

方案內(nèi)容為保留原橋蓋梁結(jié)構(gòu)及支座，新建門(mén)架與原橋蓋梁澆筑為一個(gè)整體，如圖5 所示。門(mén)架垂直新建道路中線設(shè)置，新基礎(chǔ)同樣位于道路中央分隔帶及人行步道位置。門(mén)架高度在原蓋梁基礎(chǔ)上高增厚0.5 m，以增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼束，順道路結(jié)構(gòu)寬度為10 m。改造全程不改變支座支撐位置，全程只對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作，當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成并切斷原橋墩柱時(shí)，即完成上部荷載轉(zhuǎn)移至新結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，每聯(lián)橋梁共設(shè)置1 座新門(mén)架。

圖5 被動(dòng)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(dòng)托換方案立面步驟示意圖

（1）步驟一：原橋蓋梁設(shè)置臨時(shí)支架；新建門(mén)架樁基，預(yù)壓后、澆筑混凝土承臺(tái)。

（2）步驟二：鑿除原蓋梁混凝土保護(hù)層，清理表面后，在原蓋梁結(jié)構(gòu)上植筋。

（3）步驟三：搭設(shè)支架，鋼筋綁扎，整體澆筑門(mén)架鋼筋混凝土。

（4）步驟四：張拉門(mén)架預(yù)應(yīng)力鋼束，截?cái)嘣瓨蚨罩瓿珊奢d轉(zhuǎn)移。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：基礎(chǔ)改造全過(guò)程無(wú)需對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作，因此無(wú)需交通斷行。該方案的缺點(diǎn)是：新舊混凝土結(jié)合效果及預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉效果未知，墩柱切斷后即完成荷載轉(zhuǎn)移，后期如發(fā)生基礎(chǔ)沉降或門(mén)架變形，位移無(wú)法調(diào)整，對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響無(wú)法準(zhǔn)確把握。

3.4 方案對(duì)比

結(jié)合以上兩種方案具體內(nèi)容，針對(duì)托換方式、沉降控制、主梁受力、工藝難度、新基礎(chǔ)承載效果、景觀效果、交通影響等項(xiàng)特點(diǎn)進(jìn)行綜合對(duì)比，如表1 所列。

表1 方案對(duì)比表

涉及改造的橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。根據(jù)其超靜定結(jié)構(gòu)對(duì)差異沉降敏感的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改造方案應(yīng)全程控制各墩差異沉降數(shù)值，并配合采用各種方式消除可能產(chǎn)生的差異沉降，以減少主梁次內(nèi)力，保留結(jié)構(gòu)承載的安全儲(chǔ)備。因此該工程最終選用頂升方式的主動(dòng)托換方案，實(shí)施橋梁的托梁換柱改造。對(duì)于其需短暫斷行的方案劣勢(shì)，經(jīng)與車站管理單位的溝通協(xié)商，可通過(guò)選擇車站少客時(shí)段進(jìn)行橋上交通分級(jí)管控及導(dǎo)行，配合改造施工。

4 結(jié)論

（1）新建道路的斷面布設(shè)應(yīng)結(jié)合建設(shè)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于控制性建筑的避讓，應(yīng)結(jié)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(jié)構(gòu)屬于百年結(jié)構(gòu)，墩位布設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮下穿道路的預(yù)留條件，當(dāng)橋梁基礎(chǔ)因其他構(gòu)筑物建設(shè)形成安全威脅，或成為其他重要工程的建設(shè)障礙時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)施基礎(chǔ)托換改造。

（3）主動(dòng)托換一般采用頂升形式，對(duì)基礎(chǔ)改造全程位移可控，且荷載轉(zhuǎn)移簡(jiǎn)單明確，推薦用于對(duì)位移敏感的結(jié)構(gòu)形式及荷載墩位較大的托換工程。被動(dòng)托換工藝簡(jiǎn)單，但對(duì)托換過(guò)程無(wú)法對(duì)位移形成指控和調(diào)整，一般適用于對(duì)位移不敏感的結(jié)構(gòu)形式及荷載較小的托換工程。

（4）托換改造應(yīng)選擇全程對(duì)原結(jié)構(gòu)較小的影響，并考慮各種措施減小新建基礎(chǔ)的位移，例如：新建樁基預(yù)壓、樁底注漿消除沉降；新建墩柱或門(mén)架盡量采用補(bǔ)償收縮混凝土，減少新建結(jié)構(gòu)的收縮徐變影響；設(shè)置調(diào)高支座，在上部荷載完成轉(zhuǎn)移后仍可對(duì)位移進(jìn)行調(diào)整。

（5）托換改造工程首先要保證橋梁施工及運(yùn)營(yíng)安全，任何其他因素都不應(yīng)超越此項(xiàng)要求。而減小對(duì)現(xiàn)況交通的影響， 應(yīng)結(jié)合社會(huì)綜合效益，在充分調(diào)查交通分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用分級(jí)管控配合局部導(dǎo)行的形式，為改造工程爭(zhēng)取工期條件。