既有分幅桥梁上方预制拼装高架桥梁支架体系和施工方案分析

孙 辉， 姜新华， 张军锋， 郭增科， 李 杰， 李 伟， 张承实

(1.中铁二十一局集团第一工程有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011；2.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001；3.中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004)

0 引 言

随着城市路网升级扩容，高架和立交不断涌现，甚至需要在既有桥梁上架设新桥，也即“桥上架桥”[1-4]。受新旧桥梁空间交叉布置、各自结构形式、场地条件、施工方案等因素的制约，新建桥梁往往需要借助既有桥梁搭设支架体系，这就需要综合考虑既有桥梁承载能力以及支架体系自身的承载和变形，给支架体系的设计带来了诸多困难。尽管相关工程案例不断涌现，但各案例具体情况差异较大，支架体系的设计难以简单重复借鉴[4]。并且，既有的“桥上架桥”案例多为新旧桥梁正交或者斜交，鲜有见新旧桥梁平行的形式。同时，节段预制拼装技术在高架桥梁中的应用越来越多[5-8]，桥上架桥时，大尺寸的节段运输和架设对既有桥梁的承载能力也是巨大挑战。

本文就以郑州市四环一段恰平行通过既有跨河桥梁正上方的高架桥为例，针对其现浇大尺寸零号块，设计了一种利用新建承台和既有桥面搭设协作支架体系的方案，既满足了支架体系的承载和变形要求，也确保了既有桥梁受力安全；同时，在零号块拆模后，该支架体系还可辅助用于1号块的架设和湿接缝现浇；后续节段采用架桥机架设以减小桥面荷载。该方案的成功应用为今后类似工程提供了参考。

1 工程背景

1.1 工程简介

郑州市东四环-南四环立交工程共有4条匝道，其中C匝道高架道路位于华夏大道正上方，两者同时跨越城市内河潮河[图1(a)]，新建高架与既有桥梁桥位完全重合。既有华夏大道潮河桥为上下幅分离桥梁，与潮河斜交30°，单幅桥宽0.5+20+0.5=21 m，为7×25 m的先简支后连续小箱梁桥，由7片小箱梁组成，梁高1.4 m。上下幅桥之间有7 m宽净距，新建高架的P17～P20桥墩即设在此间隙内。既有桥的桥面内侧标高顺桥向实测为96.9～97.2 m，新建高架桥面顺桥向设计标高为106.5～104 m，上下层桥面基本平行[图1(b)]。

图1 既有和新建桥梁空间位置示意图

新建高架在桩号P15～P23的跨径布置为(2×35.5+3×25+3×40)m的三联桥。其中3×25 m结构形式为双柱墩等截面连续刚构桥，上下幅整体桥面，桥面宽13+0.5+13=26.5 m；梁高2.2 m，墩顶横梁高2.7～2.2 m；该联的P17～P20这4个桥墩亦与既有桥梁的墩位一致，P18和P19采用固结墩，两侧的P17和P20采用支座墩，4个桥墩下的承台尺寸均为7.8 m(横桥向)×8.2 m(顺桥向)。

该高架上部结构总体采用节段预制拼装的施工方法，但零号块依然现浇施工。其固结墩墩顶零号块横向总长26.5 m，高2.7～2.2 m，顺桥向宽0.85(空心箱室段)+2.8(实心横梁段)+0.85(空心箱室段)=4.5 m，其中横梁的横桥向长度为4.4(高2.7～2.2 m)+7.4(高2.7 m)+4.4(高2.7～2.2 m)=16.2 m；预制节段宽13 m，节段长2.4～2.9 m，节段重量为500～700 kN，横向2个节段之间有0.5 m的纵缝，待全联拼装完成后现浇混凝土湿接(图2)。

图2 固结墩和零号块结构示意图(单位：mm)

1.2 施工方案难点与初步分析

显然，既有桥梁的存在给新建桥梁现浇零号块和拼接1号块的支架设计以及后续节段的架设等工序造成了很大困难。一般来说，对于现场浇筑的大尺寸零号块，其支架体系可采用钢管柱+纵横梁(工字梁或贝雷梁)的形式或密布满堂支架的形式[9]。但不管采用哪种方案，因零号块下方为既有桥梁，部分支架需落在既有桥面上，支架的方案设计既要考虑支架体系自身的受力和变形，又必须考虑既有桥梁的承载能力，两者兼顾也就成为整个支架体系设计的难点。后续各节段采用预制拼装的施工方法，但1号块与零号块之间设计有15 cm宽湿接缝，1号块的定位拼装亦需要支架体系，且同样须在桥面搭设支架，依然面临既有桥梁承载的问题。后续节段的施工一般可采用汽车吊、龙门吊、架桥机和桥面吊等方案[6-8]，但桥面吊设备成本较高，而汽车吊荷载较大且工作半径较大又无法在既有桥面使用，考虑现场其他工区已有架桥机施工方案且技术成熟，且该高架在本工区近乎为直线，最终确定采用架桥机方案。可见施工方案的关键在于现浇零号块和拼接1号块的支架设计。

由于桥墩位于既有桥梁的夹缝中，空间有限，难以采用密布满堂支架。钢管柱+纵横梁的形式所需构件数量相对较少，布置更为灵活，较为适宜。从该高架桥和既有桥梁的平面位置可知，该高架桥在本区段的道路中线和既有华夏大道的道路中线基本重合，横向偏差不足0.15 m，为便于计算分析，下文认为两者重合。从两者横断面可知，该高架的桥面会覆盖既有桥宽(26.5-7)/2=9.75 m，也即既有桥宽21 m的将近一半。

零号块现浇施工时，下部须搭设支架。为了确保既有桥梁的安全性，首先充分利用新建高架的承台，在承台上搭钢管柱+纵横梁支撑，与桥墩一起承担零号块横向中部区域的自重。故可认为两个桥墩横向范围之内(宽度2×3.3=6.6 m)的自重和施工荷载由承台支架和桥墩一起承担，单幅桥面上的支架需承担的宽度范围为26.5/2-3.3=9.95 m，也即整个支架体系将由承台支架和两个桥面支架组成。另外，桥面支架在桥面的布置不可能紧邻新建桥墩，必然有一定距离，考虑施工空间和既有桥面栏杆，取桥面支架距离新建桥墩至少1.5 m。需要说明的是，将此支架体系区分为承台支架和两个桥面支架只是便于表述，三者实际上是一体的，由横向水平工字钢相连。

2 零号块支架体系方案比选

2.1 承台钢管柱+贝雷梁双悬臂方案

根据前文分析，首先尝试不在既有桥面搭设支架的方案(图3)：每个桥墩位置顺桥向左右两侧各设置2根φ500×6 mm钢管柱，柱高约为13 m，顶部顺桥向铺设双拼I45工字钢纵梁，再搭设横桥向贝雷梁，贝雷梁上再密铺I28a纵梁以提供支模平台。这实际上将钢管柱与贝雷梁类似新建桥墩与横梁的形式搭建并承担其荷载。(文中所述支架体系的纵梁均为顺桥向，横梁均为横桥向，下同)

图3 单跨伸臂贝雷梁示意图

该方案形式简单，且完全不借助既有桥面承载，所有荷载均经由贝雷梁和钢管柱传至承台，贝雷梁的受力模式为两端伸臂简支梁(10.75 m+2×2.5 m+10.75 m)，其主要控制因素将是贝雷梁的受力和下挠，验算如下。对于该体系，贝雷梁中跨简支段与两侧伸臂段的荷载分别为：

中间5 m简支段，仅有横梁和桥面顶板，荷载q=(2.8×2.7+0.85×2×0.45)×26.5×1.2=265 kN/m，其中的系数1.2为考虑模板体系和施工荷载的放大系数，下同。两侧0～5.6 m的伸臂段，包含横梁和空心箱室，宽度为2.8+0.85×2=4.5 m，高度为2.7～2.2 m，将其近似等效为3.4 m(宽)×2.5 m(高)的实心矩形，则荷载q=3.4×2.45×26.5×1.2=265 kN/m。两侧5.6～8.5 m的伸臂段，仅有空心箱室，根据面积相等等效为1 m厚实心矩形板，则荷载q=1.0×4.5×26.5×1.2=143 kN/m。两侧8.5～10.75 m的伸臂段，仅有外挑翼缘板，高度为0.375 m，荷载q=4.5×0.375×26.5×1.2=54 kN/m。

根据横梁的宽度，桥墩左右两侧各布置10片，合计共20片321型贝雷梁，单片贝雷梁截面参数为[10]：抗弯惯性矩I=2.50×10-3m4，抗弯抵抗矩W=3.578 5×10-3m3。根据荷载和支架形式在MIDAS Civil中建模计算所得特征结果分别为：贝雷梁在跨中、钢管柱和悬臂端的下挠分别-1.8 mm、0.47 mm和40.3 mm；支点位置贝雷梁上下缘应力为46 MPa；钢管柱压应力为1.0 MPa。钢管柱自身压应力极小的原因是考虑新建桥墩也完全参与受力，承担了大部分的压力，这也使钢管柱位置贝雷梁下挠极小。

从结果可知，这一支架体系两侧悬臂端的下挠已远超《公路工程质量检验评定标准》[10]对支架体系变形L/400的要求和现浇结构高程20 mm偏差的要求，即使通过对模板和垫梁进行预抛高，仍不易纠正；并且上述计算考虑新建桥墩完全参与受力，实际情况下桥墩仅能有限程度参与受力，则贝雷梁整体将下挠更大。另外，此时的贝雷梁片数已经较多，难以再通过增加贝雷梁来减小挠度；考虑多个桥墩同时施工以及零号块施工周期，对贝雷梁的需求亦不经济。因此，该方案不可行。

2.2 (承台+桥面)钢管柱+工字梁方案

为降低支架体系中横梁的挠度，最简单的办法就是在桥面也搭设钢管柱以增加支点减小横梁跨径，并且可将横梁由贝雷梁改为工字梁以节省造价，由此得到承台和桥面协作形式的支架体系，其布置形式如图4所示。支架体系从梁底向下依次为：模板、密铺I28a工字钢纵梁、双拼I40a工字钢横梁、钢管柱以及柱间支撑。工字钢横梁共3道，其中2道分别位于桥墩前后侧，沿零号块横向通长布置，每道下方设9根钢管柱支撑，承台和两侧既有桥面各有3根；中间1道仅位于桥墩之间，由2根落于承台的钢管柱支撑，对该局部区域进行加强。考虑落于承台钢管柱长度更长且承台上方荷载更大，为协调承台和桥面钢管柱的抗压刚度和变形，经试算优化分析，对承台和桥面钢管柱分别选用φ800×12 mm和φ500×6 mm型号。另外，落于承台的钢管柱底部需预埋地脚螺栓；钢管柱落于既有桥面时需用粗砂找平后布置7I40a工字钢垫梁以分散荷载；钢管柱之间还设有柱间支撑(角钢L75×5)。另外，为使既有桥梁受力合理，桥面钢管柱布置在箱梁腹板位置，并在横桥向铺设垫梁(7拼I40a工字钢)以分散荷载。

图4 承台和桥面组合支架体系示意图

根据前述荷载以及钢管柱横向布置，同样在MIDAS Civil中建模计算，并且偏保守不考虑桥墩参与承载，但根据3道横梁的布置，考虑中间1组横梁分担中部6 m区域1/4的荷载，其余2道通长横梁在该区域承担的荷载由原265 kN/m调整为200 kN/m。由此得到组合支架体系的关键结果，见表1，其中通长横梁的变形如图5所示。另外，表1和图5中还给出了对承台上钢管柱同样选用φ500×6 mm型号的结果以对比。

图5 图4所示支架体系横梁的变形

表1 图4所示支架体系关键结果

从表1中可以看出，钢管柱和横梁受力均远小于材料强度，横梁挠度亦较小，可满足施工要求。另外，通过加强承台上的钢管柱以协调中部和两侧柱体的刚度，承台位置横梁的挠度也大大缓解，有利于模板预抛高设置，并且桥面钢管柱分担的荷载也有所下降，更利于减轻既有桥梁的受力。

对于单幅既有桥面，每跨均承担有3组钢管柱传下的压力，但各组压力的幅值和作用位置相差较大：外侧压力小而内侧压力大，且因既有桥梁为斜交桥而使外侧压力靠近跨中而内侧压力靠近支座。考虑垫梁的作用，可认为所有压力由该范围内的3片箱梁均匀承担：各片梁承受顺桥向相距3.5 m的2个262 kN的集中力。而在桥梁的检测中，往往采用350 kN的车辆加载，且对于此宽21 m跨径25 m的先简支后连续小箱梁桥，则需在顺桥向布置2辆车，在横向也需要布置3列车，这种荷载水平与钢管柱的荷载水平相当，但其作用位置更靠跨中，荷载效应更加显著。因此，通过简单对比可知钢管柱传下的荷载对既有桥梁来说是安全的。

另外，通过在MIDAS Civil中建模分析，并专门添加虚拟横梁以考虑垫梁的横向分布作用(图6)，所得实际压力荷载下各片梁的弯矩效应亦小于设计车道荷载下的弯矩效应，说明钢管柱压力荷载作用下既有桥梁抗弯承载力安全；实际压力荷载下的各片梁的剪力在部分截面超过设计车道荷载下的剪力效应[11]，但自重与钢管柱压力共同作用下(分项系数均取1.0)的截面剪力仍小于规范[12]计算所得箱梁截面的抗剪承载力，亦说明既有桥梁抗剪安全。

图6 既有桥梁承载计算模型

3 考虑1号块拼接的完整支架体系

精确定位的要求以及湿接缝的存在使得1号块也需要支架体系，且位于桥面。正常可以在每个节段下设置4根钢管柱，并在顶部搭设纵横梁作为支架。但考虑到零号块拆模较晚，零号块支架体系的存在使得无法在1号块后端也即与零号块相连处布置钢管柱。因此，考虑取消后端的钢管柱，将后端的横梁直接置于零号块支架体系的密铺I28a工字钢纵梁之上，并且后端的横梁可采用较小的双拼I28a而非前端的双拼I40a。而且，这样还可以将零号块和1号块的支架体系同时搭设，最终的支架体系如图7所示。钢管柱依然采用φ500×6 mm型号且在桥面横向铺设垫梁。

图7 考虑1号块拼接的完整支架体系

尽管零号块和1号块的支架体系同时搭设，但受力却是随施工过程分阶段的：零号块施工时，仅零号块的支架体系受力；零号块施工完成后，虽未拆除支架，但可略调整其桥面钢管柱顶部的砂箱使桥面支架略卸载，再进行1号块的拼接施工。1号块自重700 kN，考虑支架体系自重和施工荷载100 kN，则前端每根钢管柱传递荷载200 kN，并且2根钢管柱分别落于2片梁的腹板位置，后端荷载400 kN则仍由原现浇零号块的3根桥面钢管柱承担。由于此时后端的桥面钢管柱已经卸载大部分零号块荷载，1号块传递的荷载对于既有桥梁依然是安全的。

图8 现场施工照片

4 结束语

本文以一平行于既有桥梁正上方的新建节段预制拼装高架桥为例，对其施工方案和支架体系进行了介绍。在总体采用架桥机拼装的情况下，对其现浇大尺寸零号块和拼装1号块，设计了一种利用新建承台和既有桥面搭设协作支架体系的方案，既满足了支架体系的承载和变形要求，也确保了既有桥梁受力安全；同时，在零号块拆模后，该支架体系还可辅助用于1号块的架设和湿接缝现浇，该方案的成功应用为今后类似工程提供了参考。