新通扬运河大桥主桥改造设计

潘 军

(苏交科集团股份有限公司,南京 210019)

1 工程概述

江苏省231 省道快速化改造工程路线起于江苏省泰州市海姜大道,终于启扬高速公路泰州北互通段,全长7.465 km。新通扬运河大桥原桥的桥梁跨径组合为11×20 m+80 m+10×20 m,其中80 m 跨采用钢管混凝土系杆拱,横桥向设置3 片哑铃形拱肋,20 m 跨采用先张法预应力混凝土空心板。原桥投入使用时间较短(不足10 年),使用状况良好,主桥检测评定结果为1 类桥。从降低施工影响、节约工程费用等角度出发,改造时应尽量利用原桥结构进行设计。主桥采用双层交通体系,改造方案中仅拆除原桥主桥上部结构,改造原桥主引桥过渡墩。改造后主桥效果示意如图1 所示。

图1 改造后主桥效果示意

2 设计构思

(1) 完全利用原桥,两侧拓宽建新桥。该方案因引桥两侧已建成小区的距离要求,及过河后须设置互通段、层位须错开等设计要求,无法落实。

(2) 完全利用原桥,新建上层桥梁。该方案因原桥为下承式系杆拱桥,在其上新建桥梁施工难度大、景观效果差、工程造价高,不宜采用。

(3) 拆除原桥并新建双层桥梁。该方案因新建桥梁基础时不再利用原桥基础,跨度加大、工程造价高,不推荐。

经研究分析,改造利用原桥下部结构、新建上部结构的方案较为合理,可节约工程造价,该方案实施时需要注意的内容为:①尽量利用原桥下部结构,不增加桩基,原桥的桩基承载力要满足新的双层桥梁受力要求,新建桥梁上部应尽量轻型化。设计时采用全钢结构桥梁、柔性薄层铺装,并使用钢护栏,做到恒载重量最小化。②原桥盖梁改造难度大,应尽量完全利用。为满足通航净空的要求,新建桥梁的建筑高度应不大于原桥高度,桥面系采用封闭钢箱梁,尽量降低新建桥梁的建筑高度。③须考虑上层引桥的下部结构空间设置,原桥为横向三片拱肋的下承式系杆拱,每片拱肋对应一个群桩基础,通过系梁连接。改造后中间基础主要承担上层引桥中间支座传递的荷载,边墩基础主要承担主桥的主桁荷载及上层引桥外挑横梁支座传递的荷载,受力合理。主桥横断面只能布置两片主桁,主桁中心距虽较大,但两片主桁受力明确,景观效果更开阔、简洁。

3 结构设计

3.1 总体布置

新建主桥计算跨径同原桥,上部结构采用80 m跨简支双层桁架梁[1],上层布置为8 车道城市快速路;下层人行道及非机动车道布置在主桁外侧,内侧为双向六车道公路。

主桁采用三角形桁架[2],主桁中心距为33 m,节间长度为10 m。桥梁横断面采用两片主桁的方式,全桥除支点处设板式桥门架外,其余部分不设横联。主桥钢桁架立面布置如图2 所示。

图2 主桥钢桁架立面布置(单位:mm)

3.2 主桁布置

上下弦杆均采用箱形截面,主桁腹杆采用箱形截面或H 形截面。主桁节点采用焊接整体节点,节点外拼接。上弦杆高为1 890 mm,内宽为1 000 mm,上弦杆的上下水平板板厚为24 mm 或28 mm,竖板板厚同为24 mm 或28 mm;在杆件的竖板上设两道板式加劲肋,上下水平板各设一道板式加劲肋;节段间顶板采用焊接,腹板与底板均采用栓接。

下弦杆高为1 690 mm,内宽为1 000 mm,下弦杆的上下水平板板厚为24 mm 或28 mm,竖板板厚同为24 mm 或28 mm,在杆件的竖板上设两道板式加劲肋,上下水平板设一道板式加劲肋。

斜杆采用箱形截面和工字形截面,杆件高为700～960 mm,杆件内宽为1 000 mm,板厚为28～44 mm,梁端竖杆采用工字形,杆件翼缘宽为900 mm。节段间顶板采用焊接,底板及腹板均采用栓接。

主桁材质型号均为Q345qD。主桁典型杆件截面如图3 所示。

图3 主桁典型杆件截面(单位:mm)

3.3 行车道桥面系布置

上下层桥面系采用正交异性钢箱桥面[3],每隔2.5 m 设置一道横梁,跨中横梁的上层桥面系高为2.197 m、下层桥面系高为1.997 m,钢桥面顶板厚度为16 mm,底板厚度为14 mm。钢桥面顶板采用的U 肋间距为600 mm,U 肋宽度为300 mm、高度为300 mm、厚度为8 mm;底板采用的U 肋间距为700 mm,U 肋宽度为350 mm、高度为250 mm、厚度为6 mm。钢桥面顶板与弦杆的上盖板焊连,横梁腹板与主桁腹板栓接,底板与主桁杆件焊接。上下层行车道桥面系均采用封闭钢箱梁。

3.4 下层人行道及非机动车道桥面布置

下层挑臂托架端部与主桁中心横向距离为8 m,顶板为正交异性钢桥面板,顶板厚16 mm,钢桥面顶板采用的U 肋间距为600 mm,U 肋宽度为300 mm、高度为300 mm、厚度为8 mm;采用密横梁体系[4],每隔2.5 m 设置一道横梁,横梁高度为0.64～1.69 m,横梁腹板厚度为16 mm,底板宽度为460 mm、厚度为20 mm。

钢桥面顶板与下弦杆的上盖板焊连,横梁腹板栓接,底板与主桁杆件焊接。下层挑臂托架断面如图4 所示。

图4 下层挑臂托架断面(单位:mm)

3.5 下部结构布置

主桥下部结构侧立面如图5 所示。

图5 主桥下部结构侧立面(单位:cm)

原桥主桥下部结构采用普通钢筋混凝土桥墩盖梁[5],盖梁下接2 m×2 m 和2.5 m×2.5 m 的方形立柱,基础采用Φ120 cm 和Φ150 cm 的群桩基础,基础与立柱之间采用2.5 m 厚承台连接。

由于原桥投入使用的时间较短,使用状况良好,故本次改造利用原桥主桥的下部结构。为放置上层桥的引桥支座,须利用原桥承台,在原桥承台上新建3 根墩柱,尺寸分别为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 范围内顺桥向尺寸为1.8 m,向上通过过渡段,该尺寸过渡至1.4 m)。

主桥新建墩柱与原桥承台采用植筋连接,植筋施工步骤为钻孔→注胶→植入钢筋→养护。钻孔中若遇到钢筋为主筋,则必须改孔。钢筋实际施工位置应与设计位置误差≤3 cm,并确保布置保护层。植入钢筋前原有的和新设的受力钢筋均应进行除锈处理,钢筋轻砸至孔底,在钢筋刚插入时应缓慢操作,钢筋插到孔底后用绑丝或其他手段固定;插好固定后的钢筋不可再扰动,待植筋胶养生期结束后再进行钢筋绑扎及其他工作。

4 主要施工方法

结合主桥受力特点及航道现状,航道中预留临时通航孔,其余节点设置临时支撑,采用浮吊自下而上依次安装桁架。

根据现场实际状况,结合钢结构杆件单件重量,在该桥E1、E2、E6、E7 节点下方分别布设临时支墩,通航孔宽度为30 m(支架桩之间净距离)。该工程钢桁架梁的吊装分为两个部分进行:①两侧近陆地区域的钢主桁架体系拟采用500 t 浮吊进行分杆件节段安装;②跨中节段采用500 t 浮吊整体吊装,按E0～E8 节点方向依次吊装,直至钢桁架梁体系全部合龙。钢桁架梁体系合龙后,吊装剩余下层桥面系及上层桥面系,最后安装下层挑臂。钢主桁架体系全部安装完成后,拆除下部所有临时支墩,钢桁架梁成桥完毕。

5 结构受力分析

采用Midas Civil 软件建立有限元模型,有限元模型如图6 所示。主桁杆件和下层挑臂横梁采用梁单元模拟,上下层正交异性板以及下层挑臂顶板采用板单元模拟。设计时考虑的荷载有:钢结构自重的一期恒载、桥面铺装与栏杆等二期恒载、上下层汽车活载、温度荷载、风荷载等。活载等级为公路—Ⅰ级,按最不利车道数布载,下层人行道及非机动车道按满人荷载考虑。支座反力验算结果如表1 所示,主桁杆件验算结果如表2 所示。

表1 支座反力验算结果 (kN)

表2 主桁杆件验算结果

图6 有限元模型

各杆件强度及稳定性均能满足《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)的要求。通过提取支座反力对原桥下部结构进行验算,各部件的强度、裂缝与承载力均满足规范要求。活载的竖向扰度为2 cm,小于16 cm 的规范限值。

6 结语

新通扬运河大桥主桥改造工程于2018 年1 月开工,2020 年1 月桥梁建成通车。改造方案采用双层桥梁的方式,以立面空间换取平面空间,可节约用地、减少拆迁、降低造价。受限于建筑高度,上下层桥面系均采用封闭钢箱梁,横向抗扭刚度大,取消了常规钢桁架都设置的横联,仅在端部竖杆设置简单的板式桥门及隅撑,适当增强抗扭刚度。该改造工程的成功实施可为类似改造项目提供借鉴。