新通揚運河大橋主橋改造設計

潘 軍

(蘇交科集團股份有限公司,南京 210019)

1 工程概述

江蘇省231 省道快速化改造工程路線起于江蘇省泰州市海姜大道,終于啟揚高速公路泰州北互通段,全長7.465 km。新通揚運河大橋原橋的橋梁跨徑組合為11×20 m+80 m+10×20 m,其中80 m 跨采用鋼管混凝土系桿拱,橫橋向設置3 片啞鈴形拱肋,20 m 跨采用先張法預應力混凝土空心板。原橋投入使用時間較短(不足10 年),使用狀況良好,主橋檢測評定結果為1 類橋。從降低施工影響、節約工程費用等角度出發,改造時應盡量利用原橋結構進行設計。主橋采用雙層交通體系,改造方案中僅拆除原橋主橋上部結構,改造原橋主引橋過渡墩。改造后主橋效果示意如圖1 所示。

圖1 改造后主橋效果示意

2 設計構思

(1) 完全利用原橋,兩側拓寬建新橋。該方案因引橋兩側已建成小區的距離要求,及過河后須設置互通段、層位須錯開等設計要求,無法落實。

(2) 完全利用原橋,新建上層橋梁。該方案因原橋為下承式系桿拱橋,在其上新建橋梁施工難度大、景觀效果差、工程造價高,不宜采用。

(3) 拆除原橋并新建雙層橋梁。該方案因新建橋梁基礎時不再利用原橋基礎,跨度加大、工程造價高,不推薦。

經研究分析,改造利用原橋下部結構、新建上部結構的方案較為合理,可節約工程造價,該方案實施時需要注意的內容為:①盡量利用原橋下部結構,不增加樁基,原橋的樁基承載力要滿足新的雙層橋梁受力要求,新建橋梁上部應盡量輕型化。設計時采用全鋼結構橋梁、柔性薄層鋪裝,并使用鋼護欄,做到恒載重量最小化。②原橋蓋梁改造難度大,應盡量完全利用。為滿足通航凈空的要求,新建橋梁的建筑高度應不大于原橋高度,橋面系采用封閉鋼箱梁,盡量降低新建橋梁的建筑高度。③須考慮上層引橋的下部結構空間設置,原橋為橫向三片拱肋的下承式系桿拱,每片拱肋對應一個群樁基礎,通過系梁連接。改造后中間基礎主要承擔上層引橋中間支座傳遞的荷載,邊墩基礎主要承擔主橋的主桁荷載及上層引橋外挑橫梁支座傳遞的荷載,受力合理。主橋橫斷面只能布置兩片主桁,主桁中心距雖較大,但兩片主桁受力明確,景觀效果更開闊、簡潔。

3 結構設計

3.1 總體布置

新建主橋計算跨徑同原橋,上部結構采用80 m跨簡支雙層桁架梁[1],上層布置為8 車道城市快速路;下層人行道及非機動車道布置在主桁外側,內側為雙向六車道公路。

主桁采用三角形桁架[2],主桁中心距為33 m,節間長度為10 m。橋梁橫斷面采用兩片主桁的方式,全橋除支點處設板式橋門架外,其余部分不設橫聯。主橋鋼桁架立面布置如圖2 所示。

圖2 主橋鋼桁架立面布置(單位:mm)

3.2 主桁布置

上下弦桿均采用箱形截面,主桁腹桿采用箱形截面或H 形截面。主桁節點采用焊接整體節點,節點外拼接。上弦桿高為1 890 mm,內寬為1 000 mm,上弦桿的上下水平板板厚為24 mm 或28 mm,豎板板厚同為24 mm 或28 mm;在桿件的豎板上設兩道板式加勁肋,上下水平板各設一道板式加勁肋;節段間頂板采用焊接,腹板與底板均采用栓接。

下弦桿高為1 690 mm,內寬為1 000 mm,下弦桿的上下水平板板厚為24 mm 或28 mm,豎板板厚同為24 mm 或28 mm,在桿件的豎板上設兩道板式加勁肋,上下水平板設一道板式加勁肋。

斜桿采用箱形截面和工字形截面,桿件高為700～960 mm,桿件內寬為1 000 mm,板厚為28～44 mm,梁端豎桿采用工字形,桿件翼緣寬為900 mm。節段間頂板采用焊接,底板及腹板均采用栓接。

主桁材質型號均為Q345qD。主桁典型桿件截面如圖3 所示。

圖3 主桁典型桿件截面(單位:mm)

3.3 行車道橋面系布置

上下層橋面系采用正交異性鋼箱橋面[3],每隔2.5 m 設置一道橫梁,跨中橫梁的上層橋面系高為2.197 m、下層橋面系高為1.997 m,鋼橋面頂板厚度為16 mm,底板厚度為14 mm。鋼橋面頂板采用的U 肋間距為600 mm,U 肋寬度為300 mm、高度為300 mm、厚度為8 mm;底板采用的U 肋間距為700 mm,U 肋寬度為350 mm、高度為250 mm、厚度為6 mm。鋼橋面頂板與弦桿的上蓋板焊連,橫梁腹板與主桁腹板栓接,底板與主桁桿件焊接。上下層行車道橋面系均采用封閉鋼箱梁。

3.4 下層人行道及非機動車道橋面布置

下層挑臂托架端部與主桁中心橫向距離為8 m,頂板為正交異性鋼橋面板,頂板厚16 mm,鋼橋面頂板采用的U 肋間距為600 mm,U 肋寬度為300 mm、高度為300 mm、厚度為8 mm;采用密橫梁體系[4],每隔2.5 m 設置一道橫梁,橫梁高度為0.64～1.69 m,橫梁腹板厚度為16 mm,底板寬度為460 mm、厚度為20 mm。

鋼橋面頂板與下弦桿的上蓋板焊連,橫梁腹板栓接,底板與主桁桿件焊接。下層挑臂托架斷面如圖4 所示。

圖4 下層挑臂托架斷面(單位:mm)

3.5 下部結構布置

主橋下部結構側立面如圖5 所示。

圖5 主橋下部結構側立面(單位:cm)

原橋主橋下部結構采用普通鋼筋混凝土橋墩蓋梁[5],蓋梁下接2 m×2 m 和2.5 m×2.5 m 的方形立柱,基礎采用Φ120 cm 和Φ150 cm 的群樁基礎,基礎與立柱之間采用2.5 m 厚承臺連接。

由于原橋投入使用的時間較短,使用狀況良好,故本次改造利用原橋主橋的下部結構。為放置上層橋的引橋支座,須利用原橋承臺,在原橋承臺上新建3 根墩柱,尺寸分別為1.4～1.8 m×2.5 m、1.4～1.8 m×7.5 m、1.4～1.8 m×2.5 m(墩柱柱底2 m 范圍內順橋向尺寸為1.8 m,向上通過過渡段,該尺寸過渡至1.4 m)。

主橋新建墩柱與原橋承臺采用植筋連接,植筋施工步驟為鉆孔→注膠→植入鋼筋→養護。鉆孔中若遇到鋼筋為主筋,則必須改孔。鋼筋實際施工位置應與設計位置誤差≤3 cm,并確保布置保護層。植入鋼筋前原有的和新設的受力鋼筋均應進行除銹處理,鋼筋輕砸至孔底,在鋼筋剛插入時應緩慢操作,鋼筋插到孔底后用綁絲或其他手段固定;插好固定后的鋼筋不可再擾動,待植筋膠養生期結束后再進行鋼筋綁扎及其他工作。

4 主要施工方法

結合主橋受力特點及航道現狀,航道中預留臨時通航孔,其余節點設置臨時支撐,采用浮吊自下而上依次安裝桁架。

根據現場實際狀況,結合鋼結構桿件單件重量,在該橋E1、E2、E6、E7 節點下方分別布設臨時支墩,通航孔寬度為30 m(支架樁之間凈距離)。該工程鋼桁架梁的吊裝分為兩個部分進行:①兩側近陸地區域的鋼主桁架體系擬采用500 t 浮吊進行分桿件節段安裝;②跨中節段采用500 t 浮吊整體吊裝,按E0～E8 節點方向依次吊裝,直至鋼桁架梁體系全部合龍。鋼桁架梁體系合龍后,吊裝剩余下層橋面系及上層橋面系,最后安裝下層挑臂。鋼主桁架體系全部安裝完成后,拆除下部所有臨時支墩,鋼桁架梁成橋完畢。

5 結構受力分析

采用Midas Civil 軟件建立有限元模型,有限元模型如圖6 所示。主桁桿件和下層挑臂橫梁采用梁單元模擬,上下層正交異性板以及下層挑臂頂板采用板單元模擬。設計時考慮的荷載有:鋼結構自重的一期恒載、橋面鋪裝與欄桿等二期恒載、上下層汽車活載、溫度荷載、風荷載等?；钶d等級為公路—Ⅰ級,按最不利車道數布載,下層人行道及非機動車道按滿人荷載考慮。支座反力驗算結果如表1 所示,主桁桿件驗算結果如表2 所示。

表1 支座反力驗算結果 (kN)

表2 主桁桿件驗算結果

圖6 有限元模型

各桿件強度及穩定性均能滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64—2015)的要求。通過提取支座反力對原橋下部結構進行驗算,各部件的強度、裂縫與承載力均滿足規范要求?；钶d的豎向擾度為2 cm,小于16 cm 的規范限值。

6 結語

新通揚運河大橋主橋改造工程于2018 年1 月開工,2020 年1 月橋梁建成通車。改造方案采用雙層橋梁的方式,以立面空間換取平面空間,可節約用地、減少拆遷、降低造價。受限于建筑高度,上下層橋面系均采用封閉鋼箱梁,橫向抗扭剛度大,取消了常規鋼桁架都設置的橫聯,僅在端部豎桿設置簡單的板式橋門及隅撐,適當增強抗扭剛度。該改造工程的成功實施可為類似改造項目提供借鑒。