湯岳飛
(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)
杭申線(上海段)航道位于上海市西南部,起于上海市和浙江省省界,橫穿青浦、松江地區(qū),至分水龍王廟,全長17.24 km。杭申線(上海段)跨航道橋梁改建工程包括滬杭高速公路大蒸港橋改建和三和橋、朱楓公路大蒸港橋、蒸浦大橋、滬杭高速公路橋四座橋梁防撞工程。
滬杭高速公路大蒸港橋位于上海市松江區(qū),老橋建成于1997年,總長1570.64 m,由南向北依次上跨老滬昆鐵路、在建新滬昆鐵路、杭申線III級(jí)航道和下穿S32高速公路(見圖1)。老橋?yàn)榉蛛x式兩幅橋,單幅橋?qū)?5.75 m;上部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段為20~22 m空心板梁,跨滬昆鐵路和杭申線航道為35~40 m簡支T梁;下部結(jié)構(gòu)為框架式橋墩、預(yù)制打入方樁、輕型橋臺(tái)。
圖1 滬杭高速公路橋改建工程地理位置圖
由于杭申線航道通航凈高提高、新滬昆鐵路線位調(diào)整和鐵路通行凈高的提高,滬杭高速公路老橋已不能滿足航道和鐵路的通行要求,因此需將老橋主橋拆除重建、對(duì)引橋進(jìn)行整體抬升;同時(shí),橋梁斷面考慮近遠(yuǎn)期結(jié)合,近期滿足上海市干線高速公路規(guī)劃雙向6車道規(guī)模要求,遠(yuǎn)期滿足改為城市快速路雙向8車道標(biāo)準(zhǔn)要求,因此,滬杭高速公路斷面布置上還需對(duì)老橋進(jìn)行拼寬。
改建后滬杭高速公路橋平面線位與老橋相同,并在杭申線北側(cè)與S32預(yù)留匝道相接;改建橋梁長度為1730.58 m,分離式雙幅橋布置,標(biāo)準(zhǔn)段單幅橋?qū)?8.25 m,與S32匝道相接處單幅橋?qū)?2.25 m,橋梁總面積為65968.596 m2,橋梁工程建安費(fèi)約3.2億。
杭申線航道按Ⅲ級(jí)通航標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計(jì)最高通航水位3.90 m,設(shè)計(jì)最低通航水位1.75 m,有效的通航凈寬需不小于42.5 m,有效的通航凈寬范圍內(nèi)通航凈空高度需不小于7.0 m,各通航孔兩側(cè)的側(cè)高不小于6.0 m,如圖2所示。
圖2 杭申線III級(jí)航道通航尺度斷面圖(單位:m)
(1)道路等級(jí):高速公路。
(2)設(shè)計(jì)車速:120 km/h。
(3)荷載等級(jí):
公路Ⅰ級(jí)(新標(biāo)準(zhǔn),適用于新建橋梁部分);
汽車—超20級(jí),掛車—120標(biāo)準(zhǔn)(老標(biāo)準(zhǔn),適用于老橋改建部分)。
(4)橋梁凈空:
橋梁通航孔凈高:7.0 m;
跨越老滬昆鐵路凈空:6.55 m;
跨越新滬昆鐵路凈空:7.96 m。
(5)橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí):新建橋梁部分采用一級(jí)。
(6)橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù):新建橋梁部分γ0=1.1。
(7)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn):
新建橋梁部分:抗震設(shè)防烈度7度,地震動(dòng)峰值加速度0.10 g,橋梁抗震設(shè)防類別為B類,橋梁抗震設(shè)防措施等級(jí)為8度;
老橋改建部分:維持老標(biāo)準(zhǔn)。
3.1.1 保證交通
滬杭高速公路是連接上海和杭州的主要汽車通道,交通量大;其上跨的老滬昆鐵路為聯(lián)系上海-昆明方向重要鐵路干線,交通繁忙;杭申線航道是連接上海與杭州的主要內(nèi)河航道,船只眾多。針對(duì)以上限制條件,老橋改建必須保證施工期間滬杭高速公路、滬昆鐵路和杭申線航道的暢通。
3.1.2 環(huán)保節(jié)約
老橋建成于1997年,經(jīng)檢測,老橋結(jié)構(gòu)總體工作性能良好,本著可持續(xù)發(fā)展的理念,改建工程應(yīng)充分利用老橋結(jié)構(gòu),避免大拆大建造成的環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。
3.1.3 施工可行
改建工程施工限制條件多,橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)便于施工,適當(dāng)減少施工難度,在施工中體現(xiàn)集中、方便、快速、文明的特點(diǎn)。
3.1.4 技術(shù)創(chuàng)新
在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,老橋改建應(yīng)盡量使用新技術(shù)、新工藝,體現(xiàn)橋梁建設(shè)的最新成果。
滬杭高速公路橋改建工程總體上分為主橋和引橋兩個(gè)部分,其中主橋?yàn)?×75 m連續(xù)組合箱梁,分離式雙幅橋布置,單幅橋總寬22.25 m,主橋懸臂下方掛有人行通道,通過航道兩岸坡道與地面順接供附近居民過河;引橋按分離式雙幅橋布置,標(biāo)準(zhǔn)段單幅橋?qū)?8.25 m,共分為六部分(見圖3)。
第一為老橋引橋頂升利用段,全長524 m,分為三聯(lián)進(jìn)行整體頂升;
第二為老橋引橋吊開接高利用段,全長718 m,將老橋板梁吊開后對(duì)橋墩進(jìn)行接高利用;
第三為老橋拼寬段,標(biāo)準(zhǔn)段單幅橋外側(cè)拼寬2.5 m,A15立交主橋附近最大拼寬寬度為6.5 m;
第四為老滬昆鐵路兩側(cè)引橋廢棄板梁改建段,共兩聯(lián)異型現(xiàn)澆空心板梁;
第五為新建滬昆鐵路段,上跨新滬昆鐵路采用50 m現(xiàn)澆簡支箱梁,鄰跨配置T梁或空心板梁;
第六為老橋臺(tái)后新建段,老橋整體抬高后需新建一段引橋與現(xiàn)場道路順接。
為盡量減小施工期間對(duì)滬杭高速公路的影響,工程采取半幅通車、半幅封閉施工的方案改建,即先將一幅老橋改造成雙向4車道維持現(xiàn)狀交通,另一幅橋封閉進(jìn)行改建施工,改建完成后再進(jìn)行翻交(見圖4)。
圖3 滬杭高速公路橋改建工程總體構(gòu)成示意圖
圖4 施工期間交通組織設(shè)計(jì)示意圖(單位:m)
老橋跨杭申線航道為(35+40+40+35)m四跨一聯(lián)簡支T梁,水中共設(shè)三個(gè)橋墩,梁底標(biāo)高不滿足III級(jí)航道通航要求。為滿足航道雙孔單向通行凈寬要求,新建主橋需拆除老橋兩個(gè)次邊墩,將老橋中墩改造為主橋主墩,跨徑調(diào)整為2×75 m;主橋分離式雙幅橋布置,因S32加減速匝道布置要求,單幅橋總寬增加至22.25 m。受杭申線通航凈高和已建S32相交匝道標(biāo)高控制,新建主橋應(yīng)采用梁高較小的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過比選,最終采用等高度單箱單室大懸臂鋼-混凝土組合箱梁,梁高4.0 m。為滿足杭申線兩側(cè)行人過河需求,主橋內(nèi)側(cè)懸臂下外掛1.25 m寬人行道。由于老橋主墩樁基礎(chǔ)采用450 mm截面方樁,通過鉆孔樁和鋼管樁成樁方案比選,主橋主墩推薦采用φ609 mm鋼管樁基礎(chǔ),以方便水上基礎(chǔ)施工,橋墩為實(shí)體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),并設(shè)有分離式防撞墩及橡膠緩沖墊。
大懸臂組合箱梁由槽型鋼主梁和混凝土橋面板兩部分組成,典型斷面如圖5所示。
圖5 組合箱梁典型斷面示意圖(單位:mm)
鋼主梁采用Q345qD鋼材。箱梁頂板寬1.2 m~1.5 m,板厚30 mm~46 mm;底板寬8.15 m,板厚26 mm~36 mm,設(shè)有 9道 20 mm×300 mm“T”肋;兩道腹板等高布置,板厚20 mm~36 mm,腹板受臨時(shí)墩及頂升回落施工影響,上緣及下緣各設(shè)一道6 mm厚“U”形縱向加勁肋,間距2 m左右布置一道14 mm×210 mm的T形橫向加勁肋。鋼主梁以4.0 m或4.3 m間距設(shè)置跨中空腹式橫梁和支點(diǎn)實(shí)腹式橫梁,橫向連結(jié)系對(duì)應(yīng)位置設(shè)φ299 mm×16 mm無縫鋼管作為懸臂部分斜撐。為保證槽型鋼主梁吊裝過程中的穩(wěn)定,邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)、臨時(shí)吊點(diǎn)和臨時(shí)支撐點(diǎn)附近均設(shè)有由φ203×10 mm無縫鋼管組成的水平聯(lián)接撐。鋼主梁通過布置于鋼梁頂板的圓頭焊釘剪力釘與混凝土橋面板連接,剪力釘直徑22 mm,高度為200 mm,順橋向間距150 mm~300 mm。
混凝土橋面板現(xiàn)澆部分寬度22.05 m,板頂橫坡單向2.0%,板底與鋼箱梁頂板接觸部分為平坡,其余均為斜坡,橋面板板厚均為300 mm,采用C50復(fù)合纖維混凝土。橋面板按允許開裂、控制裂縫寬度的原則設(shè)計(jì),縱向不設(shè)置預(yù)應(yīng)力,普通鋼筋適當(dāng)加強(qiáng);橫向按0.45 m標(biāo)準(zhǔn)間距設(shè)置15-3型橫向預(yù)應(yīng)力以平衡大懸臂產(chǎn)生的較大負(fù)彎矩拉應(yīng)力。橋面板內(nèi)無縱向預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)既方便了施工,也為后期橋面板更換提供了可能性。
主橋在中支點(diǎn)前后12 m范圍內(nèi)采用雙層組合結(jié)構(gòu),即除頂面混凝土橋面板外,在鋼梁底板上設(shè)置350 mm~500 mm厚的雙結(jié)合混凝土,通過剪力釘與鋼梁底板結(jié)合,通過混凝土參與中支點(diǎn)底緣受壓,達(dá)到減小鋼板厚度、調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的目的。
對(duì)組合結(jié)構(gòu)橋梁,通過合理的施工方案可以調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)分擔(dān)總體受力;該工程主橋主要采用分段澆筑混凝土橋面板和鋼梁頂升與回落調(diào)整內(nèi)力分配。
老橋跨現(xiàn)狀滬昆鐵路處為兩跨35 m簡支T梁,與鐵路逆交35°。為了施工時(shí)不能中斷鐵路運(yùn)營,經(jīng)上海鐵路局論證通過,老橋頂升是鐵路局唯一認(rèn)可的改建方案。考慮到減小頂升時(shí)的偏心荷載,頂升范圍確定為跨鐵路的兩跨T梁及其前后各一跨空心板梁,即(22 m空心板梁+2×35 mT梁+22 m空心板梁)共144 m一聯(lián)頂升,同時(shí)將該頂升聯(lián)前后的斜交轉(zhuǎn)正孔異型空心板梁予以拆除重建為現(xiàn)澆異型空心板梁??玷F路頂升聯(lián)最大頂升高度為4.641 m,頂升高度大(最大達(dá)4.641 m)、頂升后立柱高度高(最高達(dá)16.828 m)、同時(shí)頂升聯(lián)長大、頂升時(shí)橋面縱坡有調(diào)整、頂升同步要求高等特點(diǎn)。頂升難度、風(fēng)險(xiǎn)大,為驗(yàn)證頂升工藝的可靠性,開展了《長聯(lián)超大幅度橋梁頂升關(guān)鍵技術(shù)研究》科研項(xiàng)目,2010年獲得了專家評(píng)審?fù)ㄟ^,更具有施工操作可行性,大大降低了頂升風(fēng)險(xiǎn)。
受航道和鐵路標(biāo)高控制,改建后橋梁標(biāo)高比老橋標(biāo)高增加最大7.399 m,改建后橋墩立柱高度最大達(dá)17.649 m,若采用頂升方案,則頂升高度和頂升支撐高度均過高,頂升風(fēng)險(xiǎn)和難度過大,故對(duì)不受鐵路影響、抬升高度大的老橋部分選用吊開空心板梁接高橋墩方案進(jìn)行改建,即先將老橋空心板梁吊開、拆除老橋蓋梁,對(duì)老橋基礎(chǔ)補(bǔ)打鉆孔灌注樁、對(duì)承臺(tái)進(jìn)行幫寬加厚,對(duì)立柱進(jìn)行加粗接高,再新建蓋梁,最后將經(jīng)檢驗(yàn)合格的老橋板梁重新吊裝,涉及板梁利用率問題經(jīng)上海市建交委科技委專題會(huì)議確定為60%。
頂升和吊開接高兩種方案,與老橋下部結(jié)構(gòu)改造方法類似,均需按靜力和抗震計(jì)算結(jié)果,對(duì)老橋基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)、對(duì)承臺(tái)拼寬加厚并對(duì)立柱加粗接高?;A(chǔ)補(bǔ)強(qiáng)采用鉆孔灌注樁,以盡量減小樁基施工對(duì)老橋結(jié)構(gòu)的影響。承臺(tái)加寬加厚部分通過植筋與老承臺(tái)進(jìn)行連接。頂升方案一般選擇在柱底位置切斷老橋立柱,將立柱上端和蓋梁及上部結(jié)構(gòu)一起頂升,老橋蓋梁直接利用;吊開利用方案則選擇在柱頂切斷立柱將老蓋梁拆除,立柱接高加粗后再按新規(guī)范新建蓋梁。立柱切斷后通過機(jī)械連接將原立柱內(nèi)鋼筋接長,通過植筋將立柱底部加粗,如圖6所示。頂升方案需在下部結(jié)構(gòu)改建完成后進(jìn)行二次頂升更換老橋支座,吊開方案利用新建蓋梁直接換用新支座。
老橋頂升采用頂蓋梁方案,即將老橋立柱在柱底一定高度截?cái)啵靡簤呵Ы镯斖巾斏蠘蛏w梁到設(shè)計(jì)標(biāo)高。液壓千斤頂分兩組布置在每個(gè)老橋立柱周圍,其中一組作為工作頂起抬升作用,另一組作為跟隨頂在頂升時(shí)同步跟隨蓋梁抬升,起到安全保證的作用。整個(gè)液壓千斤頂系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)保證頂升的同步性。
頂升支撐體系是頂升施工安全的關(guān)鍵所在。該工程頂升支撐體系高度較高,采用常規(guī)鋼管支撐風(fēng)險(xiǎn)很大,設(shè)計(jì)采用了先搭設(shè)固定的混凝土頂升平臺(tái)、再在平臺(tái)上安裝可接高的鋼管體系組成的支撐體系;同時(shí)混凝土頂升平臺(tái)能約束截?cái)嗬蠘蛄⒅?,起到頂升時(shí)的限位作用。
滬杭高速公路老橋?yàn)榉蛛x式兩幅橋,單幅橋?qū)?5.75 m;改建工程按遠(yuǎn)期雙向8車道(不設(shè)應(yīng)急停車帶,車道寬3.75 m)一次辟筑,單幅橋?qū)?8.25 m,每幅橋外側(cè)需拼寬2.5 m。為了與S32高速公路預(yù)留的兩條匝道相接,分合流口拼寬寬度為6.5 m。
拼寬部分位于老橋外側(cè),采用與老橋一致的橋跨布置??紤]到拼寬部分與老橋結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)盡量一致,標(biāo)準(zhǔn)段拼寬部分上部結(jié)構(gòu)與老橋相同,采用20 m~22 m簡支空心板梁;跨老滬昆鐵路老橋?yàn)?5 m簡支T梁,拼寬寬度僅2.5 m,若采用T梁拼寬則自身穩(wěn)定性較差,故采用35 m跨簡支小箱梁拼寬;S32匝道分合流口拼寬部分為變寬異型結(jié)構(gòu),采用簡支現(xiàn)澆箱梁以適應(yīng)復(fù)雜的平面線形變化。拼寬2.5 m部分下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱墩,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)接承臺(tái);變寬部分下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩、鉆孔灌注樁接承臺(tái)。
圖6 老橋立柱改造方案(單位:mm)
老橋拼寬的關(guān)鍵在于新老結(jié)構(gòu)的連接,經(jīng)多方案比選,該工程采用“上連下不連”的連接方式(見圖7)。老橋外側(cè)防撞欄拆除后,鑿除老橋邊梁部分懸臂,露出原板梁內(nèi)鋼筋與拼寬板梁預(yù)留鋼筋一一對(duì)應(yīng)焊接,最后澆筑微膨脹碳纖維混凝土將新老梁體連接成一體,同時(shí)在拼縫位置設(shè)一凹槽并嵌入防水密封膠以釋放不均勻沉降可能造成的拉應(yīng)力。
圖7 拼寬結(jié)構(gòu)連接示意圖(單位:mm)
老橋基礎(chǔ)采用預(yù)制方樁,拼接下部結(jié)構(gòu)為減小樁基施工對(duì)老橋的影響,采用鉆孔灌注樁。設(shè)計(jì)選用較小樁徑、較多樁數(shù)、適當(dāng)樁長,輔以樁底后壓漿技術(shù)來控制沉降,在上部結(jié)構(gòu)施工前還要求基礎(chǔ)預(yù)壓進(jìn)一步減少工后沉降。由于拼寬獨(dú)柱墩高度較大(最大18.628 m),橫向穩(wěn)定性較差,設(shè)計(jì)采用可限制橫向位移但允許豎向位移的裝置將新老蓋梁進(jìn)行“弱連接”,以改善獨(dú)柱墩的橫向穩(wěn)定性(見圖8)。該裝置有錨栓和預(yù)埋鋼板組成,其螺栓孔呈長圓端形,可允許螺栓豎向位移但不可橫向位移,達(dá)到對(duì)拼寬蓋梁橫向限位同時(shí)允許其豎向沉降的目的。
圖8 新老蓋梁弱連接示意圖
該工程設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)及技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn):
(1)改建工程充分利用老橋結(jié)構(gòu),通過頂升、板梁利用及拼寬等措施,最大限度地利用了既有資源,避免了完全拆除重建造成的大量廢棄物,節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境,體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)思路;利用分幅施工、分幅維持交通的方案,避免了臨時(shí)交通便橋工程,降低了工程造價(jià)。
(2)設(shè)計(jì)方案保證了交通暢通,通過分幅實(shí)施保證滬杭高速公路不中斷、利用頂升充分利用鐵路運(yùn)行間隙施工減小對(duì)滬昆鐵路的影響、主橋鋼結(jié)構(gòu)采用大節(jié)段吊裝可維持杭申線航道現(xiàn)有通航狀態(tài)。
(3)主橋采用連續(xù)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁,并進(jìn)行了精細(xì)化分析和施工方案優(yōu)化,其22.25 m橋?qū)挻髴冶劢孛嫘翁岣吡虽摿豪眯?、通過頂升回落等施工手段進(jìn)一步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)受力,充分利用了組合結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)受拉、混凝土受壓的結(jié)構(gòu)特性,實(shí)現(xiàn)了較好的全壽命經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo);同時(shí),組合結(jié)構(gòu)橋梁的混凝土橋面板直接承受車輪荷載的作用,且橋面板處于橋梁結(jié)構(gòu)的頂層,各種有害物質(zhì)通過裂縫對(duì)橋面板中鋼筋產(chǎn)生侵蝕作用,降低橋面板的工作性能和承載能力,因此混凝土橋面板因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)不當(dāng)或不到位,引起的損害問題不容忽視。混凝土橋面板產(chǎn)生裂縫幾乎是不可避免的,如果要求混凝土橋面板設(shè)計(jì)壽命與鋼結(jié)構(gòu)相同,有可能大大提高橋梁建造成本。因此,從橋梁全壽命經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)觀點(diǎn)出發(fā),該橋混凝土橋面板設(shè)計(jì)為可更換結(jié)構(gòu),結(jié)合九堡大橋的有益設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)提出了混凝土橋面板更換修補(bǔ)預(yù)案。
(4)大規(guī)模采用頂升工藝進(jìn)行老橋改造,具有頂升高度大、支撐體系高度大、頂升長度長等特點(diǎn);設(shè)計(jì)采用的混凝土平臺(tái)加常規(guī)鋼管的頂升支撐體系具有整體性好、體系剛度大、可有效限位等優(yōu)點(diǎn),很好地解決了施工難度、降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。
(5)老橋板梁吊開,既充分利用了老橋結(jié)構(gòu)、又避免了過大高度的頂升風(fēng)險(xiǎn),是高墩老橋改建的一種較好方案;承臺(tái)拼寬加厚、立柱接高加粗充分利用了植筋、新老混凝土連接等技術(shù),體現(xiàn)了老橋改造的新技術(shù)。
(6)老橋拼寬結(jié)構(gòu)合理選型,保證了新老橋梁總體剛度一致;采用“上連下不連”的連接方式,減小了拼寬對(duì)老橋結(jié)構(gòu)的不利影響;蓋梁弱連接構(gòu)造有效地限制了拼寬獨(dú)柱墩橫向位移,保證了橋墩橫向穩(wěn)定;采取樁底后壓漿和預(yù)壓工藝,有效控制了拼寬結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降。
滬杭高速公路橋改建工程集合了近年來迅猛發(fā)展的內(nèi)河航道整治跨航道橋梁改建、高速公路橋梁拓寬改建和跨鐵路橋梁改建等多種類型工程的特點(diǎn),綜合采用了大跨徑鋼-混凝土連續(xù)組合梁橋、橋梁頂升、橋梁拼寬等手段,很好地解決了該工程的實(shí)際問題。隨著內(nèi)河航道整治工程的迅猛發(fā)展、高速公路改建工程的大量涌現(xiàn),以及鐵路建設(shè)日新月異導(dǎo)致涉鐵工程顯著增多,將有更多類似工程出現(xiàn)。該工程的解決思路和設(shè)計(jì)方案可作為類似工程的參考。
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