城市高架调坡顶升设计技术

夏飞龙，王林凯，田帅帅，李 辉

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230000)

0 引 言

随着城市的发展，做好与现状高架桥的衔接设计对城市高架延伸线建设而言尤为重要，既要考虑对现状道路影响最小，又要保证整条道路改造后的快速化提升目标。

如图1所示，通常做法是对现状高架落地桥台后的挡墙段进行改造，衔接新建高架起点，这种做法会造成桥下空间无法利用，需在外侧设置地面辅道，桥下道路线形较差，两侧征地拆迁量大，经济社会综合效益不佳。

图1 现状桥梁挡墙段改造

如图2所示，对现状高架终点段进行调坡顶升，并与新建高架顺接，可在桥下设置辅道，最大限度的利用桥下空间，提高线路平顺度和通行能力，降低征地拆迁量。但桥梁顶升工程难度大，施工风险性较大，需要专项研究、论证。

图2 顶升改造方案

桥梁顶升分为整体顶升和调坡顶升。整体顶升的各个位置顶升高度一致，如航道升级时桥梁整体抬高。调坡顶升各个位置顶升高度不同，梁体除整体抬高外还有转动，如城市高架终点抬高顺接新桥。调坡顶升分各墩同步顶升、分步到位和角速度一致的等比例顶升两种方法。各墩同步顶升、分步到位是按照每联顶升墩的高度依此排序，各墩先整体同步顶升到最低墩的高度，然后各墩(此时最低墩已顶升到位，不再继续顶升)同步顶升到顶升高度倒数第二高的位置，依此按上述步骤直至最高墩顶升到位。角速度一致的等比例顶升是根据各墩顶升的高度，计算出每个行程各个墩的顶升高度，每个行程顶升时按照各点高度的比例进行顶升。如表1所示，角速度一致的等比例顶升是最为常用的调坡顶升方法。

1 工程概况

万家丽高架现状终点三联桥跨为(40+60+40)m变截面预应力混凝土连续箱梁+3 m×30 m等截面预应力混凝土连续箱梁+2 m×30 m等截面预应力混凝土连续箱梁，平曲线半径为2 000 m，桥宽为25 m，桥面铺装厚度为0.18 m，桥墩采用花瓶墩，桥台采用重力式U台，桩基采用钻孔灌注桩。

表1 国内顶升方案

考虑到(40+60+40)m变截面预应力混凝土连续箱梁为路口大跨桥，顶升对路口交通影响大，最终确定对终点两联桥梁进行调坡顶升，与新建高架衔接，调整顶升高度为0～3987 mm，顶升面积为3 750 m2，顶升总重量为10 000 t。

2.1 概述

由于原桩帽平面尺寸有限，顶升钢支撑不能全部布置在原承台范围内，需对原承台进行加宽补强加固，通过预埋螺栓把顶升钢支撑固定在加固后的承台上。在钢支撑与箱梁底之间安装顶升千斤顶，设置跟随保护千斤顶防止梁体意外坠落，跟随保护千斤顶安装在原支座拆除后的相应位置处，通过PLC电脑同步控制系统，采用角速度一致等比例顶升的方法来实现抬高桥梁标高的目的，顶升完成后拆除随动支撑体系，对原墩台进行改造处理，然后安装支座，完成垫石浇筑，待垫石强度达到设计强度后整体落梁，最后对上部结构铺装改造。总体流程如图3所示。

图3 调坡顶升施工流程图

2.2 桥梁顶升

(1)顶升前的准备工作

全面了解桥梁的现有状况，重点了解桥梁的各类损伤状况及其对结构的影响；实测桥梁各组成部分的实际尺寸，为桥梁顶升施工前提供基础数据；根据桥梁的检查结果分析，提出保障桥梁顶升施工的安全技术措施与建议。检查内容包括：结构尺寸检查、裂缝检测、伸缩缝检测等。

(2)基础承台拓宽做为支撑平台

利用原墩台承台作为顶升基础。由于承台尺寸的不足，采用钢筋混凝土垫梁外伸悬挑的方式进行补足，通过植筋方式与原承台连接。

桥台与箱梁底部净空的不足，采用对桥台进行局部凿除的创造净空。

(3)支撑墩及顶升系统布设

桥墩顶升托换支架体系主要采用Φ609 mm钢管进行支撑，壁厚16 mm。为了增强整体稳定性，钢管支撑通过植筋的方法与承台连接固定，钢管间用14L角钢连接。钢管节间采用法兰连接，Φ609 mm钢管与Φ500 mm工具式钢管垫块之间采用转换垫块过渡。桥台位置处钢管支撑呈“一”字形布置，不能形成空间格构柱形式，不利于整体稳定。故在其外侧额外布置几根钢管柱，与原有钢支撑形成三角形格构柱。

支撑系统还包括部分工具式垫块。工具式垫块主体为Φ500 mm的精加工钢管支撑垫块，其壁厚为12 mm。高度模数分为5 cm、10 cm、20 cm、50 cm、100 cm五种。对于小于5 cm的空间采用不同厚度规格的圆形钢板填充。Φ500 mm钢管支撑垫块的安装高度一般不超过2 m，当超过2 m时应采用Φ609 mm钢管进行替换。

随动支撑下部的钢箱垫块随着顶升高度的增加会越来越高，钢箱垫块最高可堆积4 m。为保证其钢箱垫块的稳定性，在原墩柱顶面钢箱垫块四周植入直径为Φ20的钢筋，然后与钢箱垫块外部的钢板焊接，使墩柱与堆积的钢箱垫块形成稳定的整体。布置跟随保护千斤顶时必须左右对称布置，以保证上部箱梁受力均匀，防止上部混凝土具部受力产生裂缝。

千斤顶的顶升部位必须布置在箱梁的实心横隔梁处。千斤顶支撑与新墩柱之间应预留足够空间，不得妨碍墩柱改造施工。安全储备系数为1.8倍以上。

配置7台液压泵站，采用一套14点同步控制系统，以满足整体同步顶升调坡施工及控制。当梁体顶升至设计高度后，将上部结构荷载全部由液压千斤顶承担并拧紧液压千斤顶机械饱压环。然后拆除随动千斤顶及其支撑结构，为墩柱改造提供施工空间。

(4)限位挡的设计

在墩柱侧立面植筋设置两对混凝土限位挡，在箱梁底通过植筋的方式设置两根钢结构限位柱，每根钢结构限位柱夹在一对混凝土限位档中间，限位挡和限位柱之间预留有10 mm的间隙，形成抽拉式限位装置。

在桥台设置钢筋混土限位柱，箱梁端部设置混凝土牛腿。起到桥台横纵限位的功能。混凝土立柱截面尺寸为500 mm×500 mm。

2.3 下部结构改造

顶升到设计高程后，凿除原下部结构桥墩渐变段，接长钢筋，浇筑混凝土。

图4 桥墩改造

凿除桥台承台以上部分，在周围施工六根同直径桩基，并在原承台下再设置新承台形成阶梯型承台，最后浇筑分联墩。

图5 桥台改造

2.4 支座安装

原墩柱凿除完成后接高改造前应先进行新支座的安装。安装支座前先在箱梁底面加装楔形钢板以恢复支座安装面的水平度。待墩柱改造施工完后，采用高强灌浆料浇筑垫石，垫石顶面与支座底面预留3～5 mm缝隙，采用高强灌浆料压浆灌实。

2.5 上部结构改造

上部结构顶升完成后，在分联位置会形成折角，为保证行车安全需对铺装层改造以实现设计线形，铺装层最厚需加铺22 cm，改造范围为第三跨范围。

墩柱改造、支座安装、垫石浇筑完成后，进行液压千斤顶及其支撑结构的拆除。

为降低加铺增加的二期恒载对桥梁结构的影响，采用方案一：加铺厚度8～22 cm采用轻质混凝土并埋设空心钢管的加铺方案，加铺厚度5～8 cm采用轻质混凝土的加铺方案，加铺厚度小于5 cm采用沥青的加铺方案。方案二：全部采用轻质混凝土的加铺方案。

3 结构计算

改造后二期恒载增加，采用有限元软件对两种加铺方案的上部结构受力进行复核计算，并与老桥原方案进行对比。

全桥共建立180个梁单元，单元长度为0.5 m，铺装及护栏均以线荷载的形式施加。方案一结构的铺装荷载为23.5×(0.1×26+0.08×24)=106.22 KN/m，方案二前两跨按106.22 KN/m添加铺装荷载；第三跨按三角形荷载添加铺装荷载，根据统计无缝钢管重量与轻质混凝土重量，确定终点位置荷载集度为136.0 KN/m，起点位置为110.0 KN/m；方案三前两跨按106.22 KN/m添加铺装荷载；第三跨按三角形荷载添加铺装荷载，根据统计轻质混凝土重量，确定终点位置荷载集度为202.0 KN/m，起点位置为110.0 KN/m。

图6 有限元模型

根据规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)第5.2.2～5.2.5条的规定，需进行使用阶段正截面抗弯承载能力验算，由图7可知，方案一与方案二均满足截面抗弯承载能力验算要求。方案二截面内力较大，但是两种方案计算结果相差小于1%。

图7 结构使用阶段正截面抗弯计算结果

根据规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362-2018)第6.3.1条的规定，应对预应力混凝土受弯构件正截面抗裂进行验算，对A类预应力混凝土构件，在作用(或荷载)短期效应组合下：σst-σpc≤0.7ftk=0.7×2.65=1.86 MPa。由计算结果可知，方案一与方案二均满足规范要求，其中方案二结构应力储备较小，相比原结构铺装方案，方案一结构短期应力储备最大降低了4%，方案二最大降低了10%；方案一结构长期应力储备最大降低了16%，方案二最大降低了20%。

图8 截面抗裂计算结果

根据规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)第6.3.1-2和6.3.3条的规定，应对预应力混凝土受弯构件斜截面混凝土的主拉应力进行验算，由计算结果可知方案一与方案二混凝土截面主应力均满足规范限值要求。方案一主应力储备相比原方案最大减少3%，方案二主应力储备相比原方案最大减少9.8%。

图9 斜截面抗裂计算结果

根据规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)第7.1.3、7.1.4和7.1.5条的规定，应对使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土的压应力进行验算；根据规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)第7.1.6条的规定，应对使用阶段斜截面主压应力进行验算。由计算结果可知，方案一、方案二截面正应力均小于0.5fcd=16.2 MPa；斜截面主应力均小于0.6fcd=19.44 MPa。方案一相比原方案截面正应力最大增加了0.6%，斜截面主应力最大增加了0.6%；方案二相比原方案截面正应力最大增加了1.6%，斜截面主应力最大增加了1.7%。

图10 使用阶段截面应力验算结果

5 结 语

桥梁顶升工程难度大，设置跟随保护千斤顶和限位挡可有效降低施工风险。

顶升完成后需要对桥面铺装进行加铺改造，通过对两种加铺方案的比较可得：

(1)方案一与方案二的截面抗弯承载能力计算均满足规范要求。方案二截面内力较大，但是两种方案计算结果相差小于1%。

(2)方案一与方案二均满足规范要求，其中方案二结构应力储备较小，相比原结构铺装方案，方案一结构短期应力储备最大降低了4%，方案二最大降低了10%；方案一结构长期应力储备最大降低了16%，方案二最大降低了20%。

(3)方案一与方案二混凝土截面主应力均满足规范限值要求。方案一主应力储备相比原方案最大减少3%，方案二主应力储备相比原方案最大减少9.8%。

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

通过对现状高架终点段进行调坡顶升，实现了与新建高架的顺接和桥下辅道设置，提高线路平顺度和通行能力，降低征地拆迁量。