新通扬运河大桥主桥改造设计.pdf

第 4 期潘 军.新通扬运河大桥主桥改造设计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)采用日期:2021 11 26第一作者:潘军(1982),男,高级工程师,主要从事桥梁的设计咨询工作。摘 要:新通扬运河大桥主桥改造设计将原桥上部 80 m 跨钢管混凝土系杆拱拆除,利用其下部结构进行改造,新建80 m 跨简支双层钢桁梁,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。设计方案采用双层桥梁的形式,以立面空间换取平面空间,可节约用地、减少拆迁、降低造价。该改造工程的成功实施为老桥改造提供了一条新途径,可为类似改造项目提供借鉴。关键词:双层公路桥;正交异性板整体钢桥面;封闭钢箱梁;密横梁体系;结构设计;施工方案中图分类号:U442 5 文献标识码:A 文章编号:1672 9889(2023)04 0043 04Reconstruction Design of the Main Bridge of the New Tongyang Canal BridgePAN Jun(JSTI Group Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China)Abstract:The reconstruction design of the main bridge of the New Tongyang Canal Bridge will demolish the 80 m span steelpipe concrete tied arch of the original bridge,and use its lower structure to construct a new 80 m span simply supported doub-le layer steel truss beam.The upper layer is arranged as an 8-lane urban expressway,and the lower layer sidewalksand non motorized vehicle lanes are arranged on the outer side of the main truss,while the inner side is a two-way 6-lane high-way.The design scheme adopts the form of a double-layer bridge,exchanging facade space for plane space,which can saveland,reduce demolition,and reduce costs.The successful implementation of this renovation project provides a new approachfor the renovation of old bridges and can provide reference for similar renovation projects.Key words:double deck highway bridge;orthotropic plate integral steel bridge deck;enclosed steel box girder;dense crossbeam system;structural design;construction scheme1 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 1120 m+80 m+1020 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。第 20 卷 第 4 期2023 年 8 月现 代 交 通 技 术Modern Transportation TechnologyVol 20 No 4Aug.2023现 代 交 通 技 术2023 年(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: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。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。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700960 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。(a)上弦(b)下弦(c)工字形腹杆(d)箱形腹杆图 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44第 4 期潘 军.新通扬运河大桥主桥改造设计度为 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 0 641 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 m2 m 和 2 5 m2 5 m 的方形立柱,基础采用 120 cm 和 150 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 41 8 m2 5 m、1 4 1 8 m7 5 m、1 4 1 8 m2 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54现 代 交 通 技 术2023 年支墩,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: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;跨中节段采用 500 t 浮吊整体吊装,按 E0E8 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。图 6 有限元模型表 1 支座反力验算结果(kN)墩号支座位置恒载反力最大活载反力最小活载反力标准组合最大反力标准组合最小反力68左侧15 050 95 347 8-188 120 517 814 749 4右侧15 050 95 347 8-188 120 517 814 749 469左侧15 053 45 312 5-166 720 478 114 777 6右侧15 053 45 312 5-166 720 478 114 777 6表 2 主桁杆件验算结果杆件类别验算部位轴力/kN面内弯矩/(kNm)面外弯矩/(kNm)应力/MPa上弦杆A0A13 164 22 954 5494 751 7A4A514 886 95 283 0117 0122 1下弦杆E0E17 528 03 575 3798 788 9E3E411 275 54 260 9156 1108 2腹杆E0A02 776 5735 63 141 7132 8 E0A119 281 02 595 03 119 6153 1A4E42 739 378 11 886 7105 0 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 D642015)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。参考文献 1 邹敏勇,郑亚鹏.道庆洲大桥曲线变宽双层钢桁梁设计J.世界桥梁,2020,48(3):7 11.2 赵廷衡.桥梁钢结构细节设计M.成都:西南交通大学出版社,2011.3 徐君兰,孙淑红.钢桥M.2 版.北京:人民交通出版社,2011.4 胡辉跃,刘俊峰,宁伯伟.三门峡黄河公铁两用大桥主桥钢桁结合梁设计J.桥梁建设,2018,48(2):83 88.5 周强,金广谦,曹明旭.既有高架桥盖梁改造技术J.现代交通技术,2012,9(4):41 45.(责任编辑 董雅芸)64