预应力混凝土连续梁桥托梁换柱改造设计

朱 琳

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

0 引言

伴随交通基础设施建设的飞速发展，新建道路穿越既有线位，以及新建桥梁预留下穿线位是建设过程的常规形式。预留条件往往依据同期的规划预测结果，体现了近远期规划及区域整体规划的协同发展。但面对交通压力的激增，远期饱和度往往在几年内就形成量级的提高，新建交通设施必然相应增加规模以适应需求，从而引发预留桥孔无法满足新建道路路幅宽度的现象。如因为上述情况导致重要道路节段功能的下降，对新建工程的整体经济性将形成严重的折损。因此，应结合安全有效的设计理念及技术手段，对个别节点的控制性既有桥墩进行改造，并保证既有桥梁的结构安全。现结合具体工程，给出新建城市主干路面对既有墩柱位于标准路幅的改造设计样例，为今后面对类似工程制约点的处理方法提供一定思路。

1 工程概况

某新建城市主干路设计车速60 km/h，按双向6车道标准设计，标准段路基总宽32 m，线位于地平通过该城市火车西站西侧，道路穿越位置现有车站循环道桥梁，为客运车站主要进出通道。循环道桥梁设计时，墩位布置以双向4 车道下穿条件预留道路宽度，根据现阶段交通量分析，该项目交通量远期饱和度较高，如火车西站区段按预留条件采用4 车道布设，将形成瓶颈路段，影响道路功能；如要实现该区段道路标准双向6 车道断面布设，路幅布置与车站循环道墩位基础矛盾。

现况西站循环道桥梁涉及线位下穿的跨径布置为17 m+26 m+17 m 及19 m+30 m+19 m 两种，共计四联，沿循环道对称中线布设，东侧中墩全部位于设计道路机动车道范围，西侧中墩全部位于人行道范围，如图1 所示。

图1 新建道路与现况桥梁平面关系图

2 桥梁设计资料

该工程下穿位置桥梁上部结构采用预应力混凝土连续箱梁形式，均为三跨设置形式，具体跨径尺寸如上节所述，桥面全宽：0.5 m（防撞护栏）+10.1 m（行车道）+0.5 m（防撞护栏）=11.1 m，梁高1.7 m。

桥梁下部结构中墩采用独柱盖梁形式，盖梁顶面设置双支座，基础形式为桩接柱；下部结构边墩采用重力式桥台或独柱盖梁形式，边横梁设置双支座；中边墩支座间距均为4.8m。桥梁平面位于道路平曲线段，各墩支座连线与新建道路中线均有夹角。

图2 为现况桥梁立面设计图。

图2 现况桥梁立面设计图（单位：m）

3 墩柱改造方案

为保证该项目道路功能不因现况桥梁墩位产生影响，在保证桥梁结构安全的前提下，对墩柱换位改造的可行性进行分析，采用两种方案进行对比，实施目标为三跨预应力连续箱梁桥东侧中墩，共涉及四联桥梁。根据车站管理单位要求，桥梁改造全过程必须尽量减小对车站客运集散的交通影响。

3.1 设计原则

（1）不降低桥梁原使用功能及承载能力。

（2）不改变原桥结构受力体系。

（3）保证桥梁改造全程及后期运营安全。

（4）减小对车站进出交通的影响。

3.2 主动托换方案

该方案内容为于改造中墩处设置新盖梁门架，门架垂直新建道路中线设置。新基础位于道路中央分隔带及人行步道位置。原桥各支座对应单独门架，不改变支座支撑位置。上部荷载转移方式为主梁整体顶升，在新门架原支座位置处安装同规格支座，整体回落主梁后，传载于新基础，每联桥梁共设置2 座新门架。该方案施工步骤如图3、图4 所示。

图3 主动托换方案立面步骤示意图

图4 主动托换方案平面步骤示意图

（1）步骤一：施作新基础挖孔桩，预压后、浇筑混凝土承台，并安装钢墩柱；顺桥向加宽原基础盖梁，盖梁顶处外包钢板、内灌混凝土。

（2）步骤二：焊接钢门架角隅结构，灌注墩柱混凝土；桥梁各横梁支点布设千斤顶，其中改造基础于支点柱顶布设主千斤顶，盖梁加宽处布设备用千斤顶；新旧盖梁两侧主梁底设置备用支架，以增加安全储备。

（3）步骤三：临时限制车辆沿桥梁中线单车道通行，无需中断交通；整联同步顶升（位移+ 顶力双控）；切割原盖梁悬臂，焊接合拢钢门架。

（4）步骤四：原支承位置安装门架支座，主梁回落归位，恢复交通，单车道限行时间共约24～48 h；切割原基础墩柱，门架间设置系梁；撤除备用支架，施作路面结构。

该方案的优点是：基础改造过程受力状态可控性好，配合调高支座的使用，可保证桥梁基础无改造引发的差异沉降，主梁受力状态良好。该方案的缺点是：需临时中断交通，但可根据客运特点，选择工作日高铁客流量较小的时间区段施做，配合循环线区域交通导行，保证乘客集散需求。

3.3 被动托换方案

方案内容为保留原桥盖梁结构及支座，新建门架与原桥盖梁浇筑为一个整体，如图5 所示。门架垂直新建道路中线设置，新基础同样位于道路中央分隔带及人行步道位置。门架高度在原盖梁基础上高增厚0.5 m，以增设预应力钢束，顺道路结构宽度为10 m。改造全程不改变支座支撑位置，全程只对下部结构进行操作，当预应力钢束张拉完成并切断原桥墩柱时，即完成上部荷载转移至新结构基础，每联桥梁共设置1 座新门架。

图5 被动托换方案三维效果图

该方案施工步骤如图6 所示。

图6 被动托换方案立面步骤示意图

（1）步骤一：原桥盖梁设置临时支架；新建门架桩基，预压后、浇筑混凝土承台。

（2）步骤二：凿除原盖梁混凝土保护层，清理表面后，在原盖梁结构上植筋。

（3）步骤三：搭设支架，钢筋绑扎，整体浇筑门架钢筋混凝土。

（4）步骤四：张拉门架预应力钢束，截断原桥墩柱，完成荷载转移。

该方案的优点是：基础改造全过程无需对上部结构进行操作，因此无需交通断行。该方案的缺点是：新旧混凝土结合效果及预应力钢束的张拉效果未知，墩柱切断后即完成荷载转移，后期如发生基础沉降或门架变形，位移无法调整，对上部结构产生的影响无法准确把握。

3.4 方案对比

结合以上两种方案具体内容，针对托换方式、沉降控制、主梁受力、工艺难度、新基础承载效果、景观效果、交通影响等项特点进行综合对比，如表1 所列。

表1 方案对比表

涉及改造的桥梁上部结构为预应力混凝土连续箱梁。根据其超静定结构对差异沉降敏感的结构特点，改造方案应全程控制各墩差异沉降数值，并配合采用各种方式消除可能产生的差异沉降，以减少主梁次内力，保留结构承载的安全储备。因此该工程最终选用顶升方式的主动托换方案，实施桥梁的托梁换柱改造。对于其需短暂断行的方案劣势，经与车站管理单位的沟通协商，可通过选择车站少客时段进行桥上交通分级管控及导行，配合改造施工。

4 结论

（1）新建道路的断面布设应结合建设条件进行设计，对于控制性建筑的避让，应结合新建道路功能和建筑物属性整体分析，并分析控制物改移的可行性。

（2）桥梁结构属于百年结构，墩位布设时应充分考虑下穿道路的预留条件，当桥梁基础因其他构筑物建设形成安全威胁，或成为其他重要工程的建设障碍时，应考虑实施基础托换改造。

（3）主动托换一般采用顶升形式，对基础改造全程位移可控，且荷载转移简单明确，推荐用于对位移敏感的结构形式及荷载墩位较大的托换工程。被动托换工艺简单，但对托换过程无法对位移形成指控和调整，一般适用于对位移不敏感的结构形式及荷载较小的托换工程。

（4）托换改造应选择全程对原结构较小的影响，并考虑各种措施减小新建基础的位移，例如：新建桩基预压、桩底注浆消除沉降；新建墩柱或门架尽量采用补偿收缩混凝土，减少新建结构的收缩徐变影响；设置调高支座，在上部荷载完成转移后仍可对位移进行调整。

（5）托换改造工程首先要保证桥梁施工及运营安全，任何其他因素都不应超越此项要求。而减小对现况交通的影响， 应结合社会综合效益，在充分调查交通分布规律的基础上，采用分级管控配合局部导行的形式，为改造工程争取工期条件。