军扬互通立交匝道桥框架墩托换改造分析
李杰，陈淮，孙增寿
（郑州大学土木工程学院，河南郑州450001）
[摘要]采用有限元软件MIDAS/Cvil建立军扬互通立交B C匝道桥有限元计算模型，计算既有结构在不利荷载组合下的变形、内力和应力，依据B，C座道桥4个支承传递最大支反力，采用有限元软件AIGOR建立新建框架墩 实体有限元计算模型，对框架墩的变形和应力进行数值分析，参照理论分析结果对框架墩托换改造进行施工监控.分析计算结果表明，既有匝道桥支承截面顶板拉应力超限，但满足极限承载能力要求，裂缝宽度满足正常使用极限状态要求；预应力混凝土框架墩的横梁在最不利荷载组合下的变形较小，压应力储备充裕.施工监控实测数据表明，该框架墩在施工中的变形、应力稳定，实测值与理论值较吻合.
[关键词]桥梁工程；匝道桥；框架增；托换改造；监控
[中图分类号]U443.22 [文献标识码]A
[文章编号]1002-8498（2014）11-40036-04
AnalysisofReformation and Replacement Construction ofFrame Piers for JunyangInterchange Ramp Bridges
Li Jie Chen Huai Sun Zengshou(Shool of Ciril Engineeing Zhemgzfos U/sinersity Zhengzhor Be nes 450001 Chine )
Abstract : Building finite element model of Junyang interchange B and C ramp bridge calculating existingstructural displacement intemal force and stress under unfavorable load bination according to themaximum reaction force from B and C ramp bridge building new frame piers block model frame piers′monitoring and control are carried out during reformation and replacement of frame piers It is draw that displacement and stress are analyzed. According to the results of theoretical analysis constructionexisting ramp’ s supporting section roof tensile stress has been over the limit through analysis but itaq po squauanbau aq spaam ppm xpeo st! pue Xjoede fuueaq aqeun aq po suatuanbau aq sqpaunormal limit states. PC frame piers cross girder′ s displacement is small and pressive stress reserve isframe piers are stable in construetion which coincides with theory results. enough. The construction control and monitoring measured data show that the displacement and stress of
Key words bridges ;ramp bridges ;frame piers; reformation and replacement ; monitoring
梁桥，桥宽8.5m，下部结构为桩柱式，共用墩及C4武西高速公路与郑州西南绕城高速公路在军号墩为双柱，Φl.5m桩接1.2m柱，其余各墩为单号和B22号墩，原C匝道桥C3号和C4号墩与新建号和B24号墩设置双向滑动支座，B21号墩设置固定）；原C匝道桥第1联C0号墩和C7号墩设置双向滑动支座，C4号墩设置单向滑动支座（顺桥向固B21号和B22号墩，原C匝道桥C3号和C4号墩，按照原设计规范及技术标准执行，新建结构按新规 利用新建的4个框架墩代替拆除的桥墩，既有结构
1工程概况
扬互通立交相对接，军扬互通立交原B匝道桥B21柱，Φ1.8m桩接d1.4m柱.原B匝道桥第5联B18道路冲突（见图1），为了利用既有结构，对原B匝道定支座，其余各墩设置单向滑动支座（横桥向固桥第5联和C匣道桥第1联进行改造.原B匝道10m，下部结构为桩柱式，共用墩为双柱，Φ1.5m桩定），其余各墩设置单向滑动支座（横桥向固定）. 桥第5联为6-20m钢筋混凝土连续梁桥，桥宽接Φ1.2m柱，其余各墩为单柱，Φ1.8m桩接Φ1.4m其改造方案为：拆除原有下部结构，即原B匝道桥柱：原C匝道桥第1联为7-20m钢筋混凝土连续1
架下部结构为Φ1.8m基桩接1.5m立柱.
图1改造前匝道桥
Fig. 1 Ramp bridge structure before reformation
2托换改造工艺及既有匝道桥顶升检算
2.1托换改造工艺
B C匝道桥改造的主要施工工序和关键技术包括：基桩施工、立柱施工、原桥顶升、拆除原有支座、破除原立柱柱头、横梁施工、垫石施工、支座安装和落梁.总体施工方案为：先完成基桩、立柱以及临时支撑墩后，对原箱梁进行顶升，并将原箱梁 支撑于临时墩之上，然后拆除原有桥梁支座，破除原立柱柱头，搭设满堂支架施工横梁及垫石，对原箱梁进行落梁和复位.主要施工工序为原B，C匝道桥箱梁的顶升和支墩体系转换.根据现场情况，对B匝道桥B21，B22号墩柱，C匝道桥C3，C4号墩 柱对应的箱梁进行顶升，对墩柱柱头进行截除，待新浇筑的框架墩柱强度达到设计要求后进行新支座的安装和落梁，完成受力转换.
升，因此顶升前首先进行预顶升.预顶升（以梁体 可以看出，框架墩托换改造施工的关键在于顶顶起5mm为准）的主要目的是消除全套顶升系统可能出现的问题，如气压、油路接头漏油、油泵压力不够等，同时消除顶升过程中可能出现的非弹性变形：预顶升以千斤顶顶至设计荷载为控制荷载，并 应持荷5min以上卸载；卸载后，应认真检查千斤顶上、下钢板有无变形现象，必要时可调整钢板的厚度以满足顶升要求，并认真检查千斤顶放置位置下的结构物有无区别于顶升前的现象，如存在，应认真查出原因后方可正式顶升.在预顶升过程完全 无遗留问题时使可进行正式顶升，正式顶升时采用能够严格控制顶升压力及顶升位移的同步控制，各千斤顶的位移差不能超过2mm，同时在顶升过程中以能拆除支座为宜，且总体顶升高度控制在10mm 注意系统各部位的检查，一次顶升到位，顶升高度内，如达到10mm仍不能拆除支座时，则需重新制订顶升方案.正式顶升完成后对临时支撑系统观测
范及技术标准执行，B，C匝道改造桥分别设置4道3d无异常情况后可拆除原有立柱及支座.
采用有限元软件MIDAS/Civil和ALGOR进行顶升施工过程分析，在原B，C匝道桥结构分析基础上，按预顶升高度5mm计算各关键截面和部位的变形、应力等.对于预应力钢筋混凝土框架墩，依据形，为了避免新建框架墩后期变形引起的支座沉 上部结构传递下来的最不利荷载，计算受力和变降，分析各种荷载组合下框架墩的下沉变形量，并以该变形量作为支座下垫板预拾量.B，C匝道桥线和竖曲线，主梁采用空间梁单元模拟，连续梁各 全桥整体计算模型如图2所示，该模型考虑了平曲支承点按照支座的径向和法向进行局部坐标变换.4个框架墩的局部计算模型如图3所示，横梁、墩和桩均采用实体单元模拟，并以杆单元精确模拟预应力束，通过杆单元降温法模拟预应力.为了真实模 拟结构基础受到的约束，也采用实体单元模拟地基.
图2B，C匝道桥整体计算模型Fig. 2 Integral analytieal models ofB and C ramp bridges
对既有匝道桥的检算工况为：CS1为一期恒载二期恒载；CS2为一期恒载二期恒载活载沉降；CS3为一期恒载二期恒载活载沉降 整体升温温度梯度；CS4为一期恒载二期恒载活载沉降整体降温温度梯度；CS5为一期恒载二期恒载顶升5mm（B匝道桥B21号墩支承顶升或C匝道桥C3号墩支承顶升）：CS6为一期恒载二期恒载顶升5mm（B匝道桥B22号墩支 承顶升或C匝道桥C4号墩支承顶升）.对于新建框架墩，根据原B匝道桥B21和S22号墩，原C匝道桥C3和C4号计算得到的最大支座反力施加于对应框架墩支座垫石上，检算框架墩结构的受力和 变形.B，C匝道桥计算部分结果如表1，2所示.
从表1可以看出，支承截面的混凝土顶板应力超限，仅说明该部位应力超过C30混凝土设计值，受拉区钢筋应力按照混凝土应力推算，如B匝道桥B21号墩，支承顶升5mm时，现场监控的顶板钢筋 应变片应力为工况CS6和CSI的差值，即顶升B匝道桥框架B21号后，B21号支承部位顶板应变片对
根据整体有限元模型计算得到的各荷载组合的局部实体模型中进行框架墩检算，框架墩计算结 下的最大支反力，分别施加于预应力混凝土框架墩果如表3所示.由表3可以看出，在最不利荷载组合下，新建框架墩支承垫石处变形较小，这些变形据；框架墩的横梁处于受压状态，压应力储备较大： 可作为框架墩托换施工横梁预拱度设置的理论依框架墩的墩柱主拉应力虽较大，但对于普通钢筋混凝土结构是允许的，此外考虑到荷载组合以及混凝土收缩徐变长期效应，墩柱中主拉应力水平会降道桥框架墩托换改造方案可行. 低.通过以上理论分析可以看出，军扬互通立交匝
应的钢筋应力为23.3MPa：顶升B框架B22号后，B22 号支承部位顶板应变片对应的钢筋应力为26.6MIPa.
表2中C4号墩两个支座反力，分别为曲线梁外侧和内侧支反力.从表2可得，支承截面的混凝土顶板应力超限，仅说明该部位应力超过C30混藏土设计值，受拉区钢筋应力按照混凝土应力推算，对于顶升5mm时，现场监控的顶板钢筋应变片应力 为工况CS6和CS1的差值，即顶升C框架C3号后，C3号支承部位顶板应变片对应的钢筋应力为33.3MPa；顶升C框架C4号后，C4号支承部位顶板应变片对应的钢筋应力为30.0MPa.表1，2中支承 截面顶板应力均超过C30抗压设计强度，截面可能开裂，但各支承截面均满足极限承载力检算要求，此外按照规范计算截面的裂缝宽度最大值为0.16mm<0.25mm，满足规范正常使用极限状态对裂缝宽度的要求.考虑到钢筋混凝土桥梁开裂后 会影响结构运营安全及耐久性，已采取措施对B，C匝道桥加固. 3托换改造的施工监控 根据上述计算与分析，在框架墩托换改造施工监控中采取如下监控措施：在梁体顶升过程中顶升墩处主梁截面上缘将产生较大拉应力，为此在顶升 墩支座截面处箱梁顶板纵向钢筋上布置2个应力监测点，采用CM-1A-10静态电阻应变仅进行观测和 图34个框架增局部计算模型 Fig.3 Local analysis models of the four frame piers 表1既有B匝道桥部分计算结果 Table 1 Part analytical results of existing B ramp bridge 最大位移/mm 弯矩M，/（kNm） 最大支座反力/kN B21号墩支承藏面应力/MP：B22号墩支承截面应力/MP工& x B21号墩支B22号墩支 承藏面 承截面 截面板 抗矩 B21号墩 B22 号墩 顶板 混凝土 底板 受控区 钢筋 板 凝土 底板 受拉区 钢筋CS1 0.2 0.7 7.8 5 960.7 5 747. 5 3 900. 4 3 746.5 超限 3.8 126. 6 超限 3.5 116. 6CS2 S) 0- 3.4 1.1 - 13.1 14. 6 19. 6 13 471. 4 8 319. 6 8 026. 2 3 985. 7 28 199.1 5 328.6 5 225.9 5 161.7 4 611.0 超限 超限 3.2 7.2 239.8 106.6 超限 超限 3.1 1. 9 103. 3 63.3CS4 GS5 -4.1 0.2 18.7 13. 9 19 523.0 0.7 -7.7 7 425. 0 11 346. 2 4 838. 0 5 432.9 4 137.3 5 810.6 3 571.9 超限 超限 4.5 5.5 183.2 149.9 超限 超限 -4.1 2.9 136.6 96.6CS6 0.3 0.6 8.6 4 996. 0 7 210.2 3 726.7 3 983.9 超限 3.0 99.9 超限 4. 3 143. 2 表2既有C匝道桥部分计算结果 Table 2 Part analytieal results of existing C ramp bridge 最大位移/mm （N）/W 最大支座反力/kN ③3号墩支承藏面应力/MPa C4号墩支承截面应力/MPa工况 C3号墩支C4号墩支截面抵 C3号墩 混土 受控区 土 受拉区CSI 0.4 x 0.8 y 7.2 5 088.1 承截面 5 101. 2 承截面 抗矩 3 167.6 1 495.5/1 684.5 顶板 超限 底板 3.9 钢筋 129. 9 顶板 超限 底板 3.8 126 6 钢筋082 -0.4 -1.3 -3.1 13. 1 -22.7 4 768.3 5 222. 6 7 404.7 7 617.4 4 509.8 4 587.1 2 385. 3/2 598.7 1 546. 1/3 371.9 超限 超限 -34 113.2 168. 9 超降 超 3.2 7.3 106.6083 CS4 3.3 3.3 -2.4 10.8 9 247.0 9 169. 8 23 685. 9 4 668.7 3 406. 1/1 647.7 超限 1.2 5.1 40.0 比B 0.7 243. 2 23. 3C88 95) 0.4 0.4 0.8 0.8 7.2 7.0 4 415.3 4 345.8 886Z 9- 6 344.7 3 367.2 3 036.3 1 410.0/1 617. 1 1 583. 3/1 785.9 超限 超限 4.9 3. 3 163.2 109:9 超降 3.3 4.7 109. 9 156. 6 注：C4号墩为双支座墩 表3新建预应力混凝土框架增分析结果 Table 3Analytical results of new PC frame piers 框架墩 支承垫石处变形/mm 主应力/MPa 正应力/MPa编号 x y 最大 横梁 量小 最大 增性 最小 最大 横梁 最小 最大 量小B1 B2 0.8 0.1 0.5 0.4 12.9 16.9 1.2 7. 6 5. 4 6.5 3.7 15.6 15.8 1.2 6.7 4.7C1 1.4 1.2 0.0 0.0 1.0 1.9 0.3 0.3 16.4 2.0 2.5 6.1 -3.2 15.3 0.2 1.5 5.12 2.2 10. 1 5.8/ -4. 1 0.3 17.4 3.1 8. 3 4. 8 15.8 1.2 6.8 监控；此外在C匝道桥C3，C4号墩支座截面箱梁腹板的顶部布置了4个高程监控测点，分别进行原箱 梁的高程观测，同一截面两个高程控制点测量的数据相互校核，确保测量数据的准确性，高程基准点分别设在C匝道桥台处和C匝道桥另一联的端部；在桥面铺装层的纵向钢筋上布置了4个应变测点；在B匝道桥B21，B22号墩支座截面箱梁腹板的顶部布置了4个高程测点，在桥面铺装层的纵向钢筋 上也布置了4个应变测点，高程基准点分别设在B匝道桥台处和B匝道桥另一联端部.在顶升作业前，对各监测点进行高程测量，并做好详细记录.3h，然后每天观测1次，一直到匝道桥改造工程结 在完成落梁后，每隔30min观测1次，连续观测2-束，并及时对原箱梁高程变化情况进行分析，如桥梁高程变化超过2mm，采取在支座下填塞钢板的方法进行调整，以保证原箱梁维持施工前的状态. 裂缝削弱了箱梁的刚度. 4结语 通过对框架墩托换改造过程进行数值分析和现场施工监控可以看出，该框架墩托换改造成功，已于2012年6月1日开放交通.通过框架墩托换改造理论分析和现场监控可以得出以下结论. 且框架墩的施工周期短，节省资金，在小角度跨越 1）框架墩的方式布置灵活、跨越能力较强，而下方道路优越性尤为突出. 2）采用框架墩对B匝道桥B21，B22号墩和C匝道桥C3，C4号墩托换改造后，结构变形稳定. 形和应力状态与原匝道桥状态相差不大，表明经过 3）B，C匝道桥支座顶升改造后，箱梁高程、变复杂的支座顶升、框架墩更换和落梁施工，对B，C匝道桥箱梁的变形和应力影响较小，满足设计要求. 期间变形稳定，保证了匝道桥箱梁均匀、平缓落至 4）临时支撑结构满足规范要求，在顶升至落梁框架支墩；支座顶升和落梁施工过程缓慢、平稳，未发生侧向位移和扭转，顶升和落梁阶段位移实测值与理论计算值基本吻合，施工监控为顶升和落梁施工过程的控制起到指导性作用. 所示，C匝道桥C3号墩在落梁之后经过25d连续观 B C匝道桥支座顶升更换位移监控结果如表4测，新框架墩变形稳定，桥面比顶升前高1.68mm；C匝道桥C4号墩在落梁之后经过50d连续观测，新框架墩变形稳定，内侧桥面比顶升前高3.15mm，外侧桥面比顶升前高2.40mm；B匝道桥B21号墩在 落梁之后经过15d连续观测，新框架墩变形稳定，桥面比顶升前高2.90mm B厘道桥B22号墩在落梁之后，新框架墩变形稳定，桥面比顶升前高3.00mm.以上变形均满足设计要求.此外，在支座顶升过程中，实测支座截面箱梁顶板钢筋最大应力 增量为20.4MPa，小于计算结果，说明原匝道桥结构 参考文献： [1]王伟，冯建明.门式框架瞰在高速公路的应用[J].中国公[2]金振山.大跨度钢混组合框架墩设计与施工关继技术[J]. 路 2008 (22) :78-79.中国铁路，2010(6）;42-45.[3]张明欣，大跨径框架墩在跨线桥中的应用[J].公路，2009 (7) ;99-101.[4]余江，郭剑.高速公路大跨径框架墩的设计研究[J]公路交[5]万明.刚度在框架墩计算中的影响[J]铁道期察 2010（5）： 通科技：应用技术版 2011(6);203-205.88-89.[6]吴向军，下坞蓟运河特大桥跨律山铁路施工方案设计[J]. 世界桥梁 2010(2) ;9-12.[7]募润，李方韬，陈桂芳，城市跨线桥门式桥墩的改造[J].[8]] 中外公路，2011(6）;163-166. 万志勇，兰南，框架墩的计算与应用[J].城市道桥与防洪，2006 ( 1) ;56-58 172.[9]郑州大学土本工程学院，军扬互通立交B、C匝道框架墩改 造施工监控总报告[R].郑州：郑州大学 2012. 表4B，C匝道桥支座顶升更换位移监控结果 Table 4 Displacement monitoring results of framepiers reformation and replacement construction for B and C ramp bridges最位 顶升时间 落梁时间 支座项升位移量 mmC瓯道C3号墩 2012-02-20 2012-04-13 1. 68C原道C4号墩外侧 C原道C4号增内侧 2012-02-21 2012-02-21 2012-04-19 2012-04-19 3.15 2. 40B原道B22号墩 B瓯道 B21号墩 2012-04-27 2012-02-28 2012-05-15 2012-05-28 2.90 3.00
