拱桥扩建工程中老桥结构的保护

徐大为 盛志伟 张志敏

上海建工五建集团有限公司 上海 200063

城市更新是使城市保持生命力的一种调节机制。随着城市更新实践已从最初的大规模重建转向全面保护性更新及可持续发展，城市更新的方法也从外科手术式的推倒重建转向小规模渐进式、重视传统保护的改建。既有桥梁更新改造是城市更新的重要组成部分，上海地区典型案例有外白渡桥和松浦大桥改造工程。外白渡桥改造包括老桥下部结构形式改善以及上部结构锈蚀严重部位加固更换[1]；松浦大桥改造包括上层双向两车道公路桥面拓宽为双向四车道以及下层单线铁路桥面改造成宽5 m的非机动车道[2]。以上所举案例均为梁式桥改造工程，对上海地区多跨连续拱桥扩建工程有一定的借鉴意义。

1 工程背景

1.1 工程概况

上海市青浦区金商公路需从原来双车道路面拓宽为六车道路面。公路上原白石矶大桥（以下简称“老桥”）建于1986年3月，位于淀山湖与元荡交汇处，为七跨连续钢筋混凝土肋拱桥，曾获上海市优秀设计奖、上海市市政金奖，是当时上海市郊少有的大型桥梁之一，也是淀山湖风景区标志性建筑（图1）。老桥原有双车道路面成为了金商公路拓宽工程中的一大阻碍，如何改建是一大难题。经过专家与相关部门多轮探讨，确定最终方案为保留并充分利用现有老桥，紧贴老桥东侧新建一座桥型和跨径布置与老桥一致的桥梁（以下简称“新桥”）（图2）。

图1 金商公路原白石矶大桥

图2 老桥（左）与新桥（右）的位置关系

1.2 结构形式

老桥全长313 m，主桥长245 m，结构设计为七跨连续预制混凝土肋拱桥，每拱跨度33.52 m，为三段式法兰连接无铰拱，盖梁与肋拱以预制立柱连接，桥面系为预制空心桥面板，下部结构为8根φ1 000 mm钻孔灌注桩＋承台形式，桩长27 m。新桥全长410.6 m，主桥长268.16 m，跨径布置为16.76 m＋7×33.52 m＋16.76 m，为上承式多跨无铰肋拱桥，结构布置从下到上依次为：12根φ1 200 mm钻孔灌注桩（桩长41 m）、钢筋混凝土桥墩、预制拱肋及系梁、立柱及柱帽和系梁、预应力系杆及支座、钢混组合桥面板、桥面附属。

1.3 难点分析

新桥紧贴老桥建造，最近距离仅有5 cm，故新桥填土围堰、桩基桥墩、地上结构施工等工序对老桥存在较大影响。如何预判影响程度以提前采取预防措施，在施工过程中加强对老桥的监测与保护，是老桥保护的难点。

2 老桥位移沉降模拟

2.1 地质条件

水面绝对高程为1.50 m，土层顶部绝对高程为－1.00 m。老桥所处地块土层参数如表1所示。每层土视为平整土层。

表1 土层参数

2.2 土体建模与边界条件

模拟时不考虑流固耦合，计算时孔隙水压力保持不变，土体的弹塑性状态由有效应力决定。根据土层分布情况，借助FLAC3D软件以块体建立8层土层模型，老桥主桥桥墩由南到北编号依次为5—12，x轴沿南北方向，以北为正；y轴沿东西方向，以西为正；z轴沿竖直方向，以向上为正。土体选用摩尔-库仑模型，混凝土桩与承台的物理模型设为弹性模型（图3）。为能更好地模拟桩土界面的力的传递和相对位移，在桩土界面处建立接触面，接触面与土体相似，物理模型选用摩尔-库仑模型[3]。混凝土体积模量取16.7 GPa，剪切模量取12.5 GPa。接触面的法向刚度与切向刚度初始取为1×108Pa，为桩周土弹性模量的10倍。

图3 老桥、新桥桩基与土体模型

边界条件设置为：四周的四个面固定法向位移，即滑动铰支座，底面约束法向位移与水平位移，即固定铰支座，顶面为自由面。

2.3 计算路线与荷载简化

在分析新桥施工对老桥桥墩的影响时，不考虑新桥桩基混凝土浇筑的影响[4]。计算过程共分三个阶段：初始地应力生成阶段、老桥附加应力场生成阶段、新桥附加应力场生成阶段。第三阶段计算前应清空第一、二阶段产生的位移场与速度场，边界条件与第二阶段相同。

计算模型的应力边界条件为新桥、老桥的上部荷载在桥墩处产生的竖向应力及土上2.5 m水深产生的水压。新桥的上部荷载通过已有施工图及相关资料估算得到，每跨作用在一个桥墩上的荷载取22 827.91 kN，即作用在新桥桥墩上的应力取0.357 MPa。老桥每个桥墩上的荷载为新桥荷载的一半，取11 413.96 kN，应力取0.285 MPa。

2.4 模拟结果分析

y向土体位移整体趋势为老桥区域上部土体向着新桥方向、下部土体背向新桥方向（图4）。可认为新桥施工时围堰起到了地表土的卸荷作用，使上部土体朝向新桥变形。z向沉降以隆起为主（图5）；在新桥建成后，老桥桩基的竖向应力有一定程度的减小，且越靠近新桥减小幅度越大并趋于稳定。老桥桥墩y向位移与z向沉降如表2所示。

图4 老桥中心剖面y向位移

图5 老桥z向平均沉降

表2 老桥桥墩位移模拟分析

3 老桥变形应力模拟

3.1 上部结构建模

借助Ansys软件建立老桥上部结构模型。桥面板与桥体为铰接，忽略相对支座沉降桥面板的影响。老桥结构以三维实体单元进行定义，弹性模量取20 GPa、泊松比为0.2、密度为2 500 kg/m3。建模时先建中间跨的单跨模型（图6），单跨计算完成后通过相对位移构建多跨有限元模型。

图6 单跨模型

3.2 加载与求解

建模时将桥面结构与车辆荷载简化为线荷载。设定边缘桥基沉降为零的基准点并施加全方向自由度约束。对于其他基础，在线荷载加载处施加对应的x、y、z方向的位移约束。由于模型的复杂性，故采用自由网格划分形式。

3.3 结果分析

图7为单跨建模分析所得位移，可以看出拱圈呈整体扭曲变形趋势。图8、图9分别为桥体有限元模型模拟的桥墩变形数据所得的变形与应力情况。从图中可以看出，东侧拱圈变形大于西侧，而每拱的最大变形出现在东侧。即基础位移小的一侧拱圈变形大，基础位移大的一侧基础上方横梁变形大。

图7 单跨桥体模型变形分析结果

图8 多跨桥体模型变形分析结果

图9 基于模拟数据所得第一主应力

4 老桥加固与安全分析

4.1 加固措施

为减少新桥施工对老桥基础及桥墩的影响，在老桥基础与新桥基础之间设置1排长9 m的钢板桩（图10）；为减少老桥上部结构变形，在老桥拱脚处设置钢筋混凝土连梁，将各个肋拱整体连接（图11）。

图10 基础加固方案

图11 桥拱加固方案

4.2 监测数据

桥梁工程施工持续285 d，桥梁监测工作从新桥桩基施工开始一直到竣工通车，共进行了176次沉降监测和184次变形监测，累计值如表3所示。监测结果在标准规定的监控报警值范围以内（≤5 mm）。

表3 老桥实际监测数据累计值

4.3 安全分析

图12 基于监测数据所得第一主应力计算结果

5 结语

上海市青浦区金商公路白石矶大桥扩建工程施工前借助计算软件建模分析老桥桥墩可能产生的变形与沉降，以及上部结构可能产生的变形与应力集中，在此基础上制定老桥加固方案并在新桥施工前实施。施工中加强老桥结构变形监测，并通过计算强度储备比来判断结构安全状态，在保障老桥安全的前提下为工程顺利施工提供了理论依据与技术支持。在城市更新对既有建（构）筑物的处理方式从“拆改留”向“留改拆”转变的背景下，工程中所总结的相关经验亦可为类似工程提供参考。