空心板梁橋支座更換的施工監(jiān)控及控制指標(biāo)分析

馬駿　高巖淵

摘 要：文章通過(guò)對(duì)廣靖錫澄高速公路全線空心板梁橋支座病害的調(diào)查描述，提出了對(duì)病害支座進(jìn)行更換的處治方案，并論述了在支座更換施工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的重要性和必要性，同時(shí)進(jìn)行理論計(jì)算分析得到各項(xiàng)控制指標(biāo)的量值，用以指導(dǎo)空心板梁橋支座的更換及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的實(shí)施，保證橋梁結(jié)構(gòu)的受力安全及支座更換后達(dá)到預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：空心板梁；支座更換；施工監(jiān)控；控制指標(biāo)

在我國(guó)當(dāng)前的各類混凝梁（板）橋中，裝配式空心板梁橋應(yīng)用最為普遍。由于該橋型具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、建筑高度低、用材經(jīng)濟(jì)、預(yù)制方便，易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和施工，便于運(yùn)輸、吊裝等優(yōu)點(diǎn)，成為以前和當(dāng)前國(guó)內(nèi)公路橋梁20m以下跨徑橋梁的首選橋型。而隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，大噸位車(chē)輛和交通量不斷增加，公路橋梁所負(fù)載的運(yùn)量和負(fù)荷不斷的增長(zhǎng)，橋梁支座受到的影響越來(lái)越大，而且施工單位不同，施工質(zhì)量不一，導(dǎo)致橋梁支座出現(xiàn)不同程度的損傷和損毀。

早期修建的空心板梁橋的板式橡膠支座是直接放置在橋臺(tái)或蓋梁上，支座處未設(shè)置墊石，只采用3～5cm階梯型的砂漿調(diào)平層來(lái)保證支座安裝。從而導(dǎo)致梁體底面與蓋梁頂面凈空非常小，一般只有6～8cm，有時(shí)僅有3.5～5cm，這對(duì)于支座的檢查非常不利，由于這種特殊性，以往對(duì)空心板梁橋支座的使用情況不太重視，也未有合適的檢查儀器對(duì)此類凈空小的板式橡膠支座進(jìn)行大量的全面檢查。

由于對(duì)空心板梁橋支座使用狀況認(rèn)識(shí)不足，而且檢查難以到達(dá)，即使可以接近，由于板梁底面和墩、臺(tái)帽之間空間很小和支座遠(yuǎn)離墩臺(tái)帽邊緣，眼睛也難以直接看清，需要特殊的檢查技術(shù)和設(shè)備；加之一座空心板梁橋支座數(shù)量眾多，檢查工作量較大，以前橋梁檢查不夠細(xì)化和深入，所以有些管養(yǎng)部門(mén)甚至專門(mén)撥款進(jìn)行了專項(xiàng)檢查。隨著橋梁養(yǎng)護(hù)檢查的日益重視和深入，在已進(jìn)行的檢查中確實(shí)已發(fā)現(xiàn)了一定數(shù)量的空心板梁橋支座出現(xiàn)了很多病害，有些是相當(dāng)嚴(yán)重的，對(duì)橋梁的安全使用產(chǎn)生了不利的影響。

我國(guó)當(dāng)前的空心板梁橋基本都采用板式橡膠支座，而由于橡膠支座本身存在許多不足，特別是在抗老化性能和耐低溫性能等方面較差，而且一些支座材料質(zhì)量性能差劣，大大降低了橡膠支座的使用壽命。同時(shí)由于一塊空心板梁有四個(gè)支座，在安裝時(shí)很難保證四個(gè)支座在一個(gè)受力平面上，橋梁存在縱橫坡度情況時(shí)，在初期曾采用球冠型橡膠支座來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但是效果不好，最后還是采用平板式橡膠支座。而采用板式橡膠支座由于施工工藝不高和施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，導(dǎo)致一些板梁支座在安裝之初就出現(xiàn)脫空、受力不均等情況，從而使支座出現(xiàn)局部不均勻受壓、支座壓塌、漲裂、鋼板銹蝕、剪切變形嚴(yán)重、移位等病害現(xiàn)象，嚴(yán)重的已造成支座損壞，不能滿足設(shè)計(jì)要求，由于支座病害也可能導(dǎo)致鉸縫損壞、滲水，橫向傳力性能降低，單塊板梁受力過(guò)大，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。所以對(duì)這些病害支座進(jìn)行適當(dāng)處治迫在眉睫，以保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)，也是滿足當(dāng)前橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的精神的。

1 工程概況

廣靖錫澄高速公路是連接滬寧高速公路、寧通高速公路和寧靖鹽高速公路的重要道路，是京滬高速公路的組成部分，是連接江南江北的重要通道。廣靖高速公路從泰興市廣陵鎮(zhèn)木行村起點(diǎn)到靖江市靖誠(chéng)鎮(zhèn)十圩村結(jié)束，全長(zhǎng)17.224千米；錫澄高速公路從江陰市要塞鎮(zhèn)起點(diǎn)到錫山市東北塘鎮(zhèn)結(jié)束，全長(zhǎng)34.988千米，廣靖錫澄全線共38座空心板梁橋，其中小橋12座、中橋21座、大橋5座，板式橡膠支座總數(shù)18656個(gè)。38座空心板梁橋中有四種不同跨徑，分別是10m、13m、16m和20m，橫橋向有8片板梁、12片板梁和16片板梁三種斷面形式，8片和12片板梁為無(wú)錫互通匝道橋，主線空心板梁橋均為橫橋向16片板梁。

板梁支座專項(xiàng)檢查發(fā)現(xiàn)全線空心板梁橋支座有不同程度和類型的病害，具體支座病害有以下幾種類型，描述如下：

1.1 剪切變形過(guò)大

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)大部分支座出現(xiàn)了不同程度的剪切變形，多數(shù)支座剪切變形超過(guò)規(guī)范限值。

1.2 支座老化開(kāi)裂

經(jīng)檢查部分支座的橡膠已經(jīng)出現(xiàn)了老化開(kāi)裂的現(xiàn)象，支座橡膠體出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的老化開(kāi)裂、側(cè)面鼓脹等。

1.3 支座周?chē)?/p>

部分支座被固結(jié)的水泥等包裹，可能是因?yàn)樵谑┕r(shí)混凝土和垃圾落到臺(tái)帽和橋墩蓋梁上支座附近，嚴(yán)重的已經(jīng)完全遮擋了支座，限制了支座的正常變形。

1.4 支座脫空

一些支座存在脫空現(xiàn)象，而存在脫空現(xiàn)象的支座大部分只是局部脫空，只有很少部分局部脫空較為嚴(yán)重。

1.5 出現(xiàn)支座壓塌和支座上鋼板銹蝕等病害的支座也較多，甚至還有個(gè)別橋梁出現(xiàn)支座缺失現(xiàn)象。支座病害如圖1-圖4所示。

2 支座病害處治

支座是連接橋梁上下部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，其主要功能是將上部結(jié)構(gòu)承受的各種荷載和變形可靠地傳遞給墩臺(tái)，并能適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)因荷載、溫度變化、混凝土收縮等原因產(chǎn)生的變形，從而使結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況與計(jì)算的理論圖式相符合。橋梁支座作用重大，其使用性能會(huì)直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。由于支座的老化、重車(chē)的長(zhǎng)期作用、施工時(shí)支座墊石澆筑質(zhì)量沒(méi)有得到保證，再加上支座本身質(zhì)量和安裝也存在問(wèn)題，造成支座受力不均，使支座發(fā)生不同程度的剪切變形、局部脫空甚至完全脫空。施工時(shí)部分混凝土和垃圾從鉸縫處落到橋臺(tái)蓋梁和支座附近，嚴(yán)重的已經(jīng)完全蓋住了支座，無(wú)法判斷支座的病害情況。

支座的缺失及脫空病害達(dá)不到原設(shè)計(jì)支座的正常傳力性能，使臨近支座反力增大，不利于支座及梁體的受力，直接影響結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性。支座剪切變形、鼓脹開(kāi)裂使支座本身變形能力降低甚至失去了進(jìn)一步的變形能力，使支座受力分配不均，并會(huì)直接或間接地影響主梁的正常工作性能，對(duì)于橋面連續(xù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支板梁橋，容易造成橋面板開(kāi)裂現(xiàn)象。對(duì)于部分支座被混凝土和垃圾遮擋，可能在一定程度上限制了支座的變形，不利于支座的受力。

對(duì)于板式橡膠支座壓塌、支座剪切變形過(guò)大、支座老化開(kāi)裂、支座脫空和支座缺失等支座病害，需要對(duì)病害支座進(jìn)行更換處治。支座是保證橋梁正常運(yùn)用的關(guān)鍵部件，當(dāng)其發(fā)生不能繼續(xù)正常服役時(shí)，需要進(jìn)行更換。對(duì)正在運(yùn)營(yíng)的橋梁進(jìn)行支座的更換，需要采用一些更換的方法，在上世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初，少數(shù)空心板梁橋的部分支座出現(xiàn)上述病害，在支座更換過(guò)程中沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，支座更換效果沒(méi)能達(dá)到預(yù)想的要求，并且在更換過(guò)程中對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一些不利的影響。所以，在空心板梁橋支座更換的過(guò)程中需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的施工監(jiān)控來(lái)監(jiān)督施工，以達(dá)到進(jìn)行支座更換的預(yù)期效果，同時(shí)監(jiān)控支座更換過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)的受力安全。

3 控制指標(biāo)分析

根據(jù)空心板梁橋結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與實(shí)際施工工序，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立了上部結(jié)構(gòu)的空間有限元模型，對(duì)支座更換全過(guò)程進(jìn)行仿真分析。由于全線空心板梁橋均為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支、橋面連續(xù)構(gòu)造，在支座更換過(guò)程中要保證橋梁結(jié)構(gòu)的受力安全，主要是要事先確定好梁體的頂升量值、不同步差異的允許量值及千斤頂頂升噸位的參考值，然后在施工過(guò)程中嚴(yán)格按照上述確定的指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，達(dá)到指導(dǎo)支座更換施工的目的。

空間有限元模型采用solid45實(shí)體單元，板梁、鉸縫、整體化混凝土層分別設(shè)置不同的材料屬性。因?yàn)闃蛄簩挾鹊牟煌?，空心板梁橫橋向有不同數(shù)量的板梁，采用整體頂升時(shí)，結(jié)構(gòu)受力情況與橫橋向板梁數(shù)量關(guān)系不大，所以模型采用橫橋向12片板梁形式計(jì)算分析。全線空心板梁橋有四種不同跨徑，10m、13m、16m和20m，而頂升只對(duì)頂升截面，即橋梁墩、臺(tái)附近影響較大，對(duì)距離較遠(yuǎn)處影響非常小，故模型僅計(jì)算分析跨徑為16m的情況。模型為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支、橋面連續(xù)的空心板梁橋，橫橋向12片板梁，跨徑為16m，整體化混凝土厚度10cm。梁體、鉸縫、混凝土層三者采用共節(jié)點(diǎn)建立模型，支座采用節(jié)點(diǎn)約束。頂升梁體時(shí)，先解除要頂升的梁體約束，然后在千斤頂位置施加強(qiáng)迫位移，其它不需要頂升的板梁不改變其約束情況。

在橋臺(tái)位置施加1mm的強(qiáng)迫位移，分析橋臺(tái)附近鉸縫橫向受力情況，橋梁橫向應(yīng)力情況如圖5所示。

在橋墩處同時(shí)給予相鄰兩跨梁體1mm的強(qiáng)迫位移，分析橋墩附近橋面連續(xù)處及鉸縫的受力情況，應(yīng)力情況如圖6～7所示。

由以上應(yīng)力云圖分析可知，橋臺(tái)處鉸縫橫向應(yīng)力最大值為0.09Mpa，使鉸縫出現(xiàn)附加應(yīng)力，但是由于量值較小，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小。即橋臺(tái)位置處的整體頂升理論上對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響非常小。而在橋墩位置頂升時(shí)，橋面連續(xù)處縱向應(yīng)力最大值為0.98Mpa，鉸縫橫向彎拉應(yīng)力最大值為0.19Mpa。在橋面連續(xù)處出現(xiàn)了較大的附加應(yīng)力，在頂升時(shí)需要高度重視和控制。

空心板梁橋橫橋向具有多片板梁，而每片板梁上各頂升點(diǎn)處的頂升力會(huì)有所不同，同時(shí)由于頂升設(shè)備自身精度等因素，在頂升過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)橫橋向不同步的情況，而此時(shí)兩片板梁間鉸縫的受力最為不利，則兩片板梁間橫橋向不同步允許量值指標(biāo)的確定非常重要，故分別假定橫橋向頂升出現(xiàn)1mm的差異和縱橋向頂升出現(xiàn)1mm的差異這兩種工況，單獨(dú)分析鉸縫位置或橋面連續(xù)處的受力情況，如圖8～9所示。

由分析結(jié)果可知，在頂升量高差為1mm時(shí)，梁體頂升的不同步對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大。橫橋向的不同步會(huì)在頂升點(diǎn)附近的鉸縫處產(chǎn)生較大的橫向附加拉應(yīng)力，縱向不同步會(huì)在頂升點(diǎn)附近的橋面連續(xù)處產(chǎn)生很大的縱向附加拉應(yīng)力，故在頂升過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制橫、縱向最大頂升高差。

通過(guò)理論計(jì)算分析及考慮施工上的要求，確定橋墩處的最大容許頂升高度為5mm；橋臺(tái)處由于是伸縮縫情況，可以適當(dāng)提高頂升量，但是考慮空心板梁支座更換一般不封閉橋面交通，頂升量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛在橋臺(tái)處跳車(chē)現(xiàn)象，綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)安全和施工過(guò)程操作性和行車(chē)安全及舒適性，確定橋臺(tái)處最大容許頂升高度亦為5mm。并且確定橋臺(tái)、橋墩處橫橋向頂升相鄰板梁間最大高差與橋墩處縱向兩排支座的最大頂升高差均不得超過(guò)0.5mm，以確保頂升過(guò)程中的結(jié)構(gòu)受力安全。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控

施工監(jiān)控是在施工過(guò)程中保障結(jié)構(gòu)受力安全、保證施工作業(yè)設(shè)備與人員的安全、從監(jiān)控角度監(jiān)督施工工藝流程與質(zhì)量、促使施工完成后的實(shí)際構(gòu)造和結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)符合改造設(shè)計(jì)要求的必不可少的措施。監(jiān)控單位指導(dǎo)和監(jiān)督施工，輔助業(yè)主，配合解決施工質(zhì)量控制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，是質(zhì)量保障體系中不可缺少的一環(huán)，在施工過(guò)程中提供相關(guān)技術(shù)服務(wù)咨詢，在結(jié)構(gòu)處于不利狀態(tài)時(shí)及時(shí)預(yù)警，確保結(jié)構(gòu)受力安全。

對(duì)同一墩處各片板梁一端進(jìn)行位移同步頂升是一種較為理想、安全的頂升方案或者說(shuō)僅是設(shè)計(jì)上提出的一種理想化的要求，而在實(shí)際頂升過(guò)程中，往往由于板梁重量分布不均、支反力與理論值差異較大等原因，導(dǎo)致同步頂升過(guò)程演化為不斷頂升、不斷調(diào)整實(shí)現(xiàn)同步的過(guò)程。因此，頂升過(guò)程中必然會(huì)遇到多次調(diào)整頂升位移、頂升力的情況。由于施工單位頂升設(shè)備的差異，頂升施工中如位移不同步的誤差過(guò)大或調(diào)整不當(dāng)，則容易導(dǎo)致裂縫病害，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步頂升。

因此，在同步頂升過(guò)程中需進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控，豎向頂升以位移控制為主，監(jiān)控單位與施工單位所測(cè)得數(shù)據(jù)相互校核，共同保證頂升施工結(jié)構(gòu)的安全。采用先進(jìn)的頂升設(shè)備以及同步控制系統(tǒng)，通過(guò)施工過(guò)程中的自動(dòng)調(diào)整，使得頂升過(guò)程中以及頂升完成后各頂升點(diǎn)的位移基本同步。

根據(jù)對(duì)空心板梁橋支座更換特點(diǎn)的分析，要對(duì)支座更換全過(guò)程進(jìn)行施工監(jiān)控，它包括對(duì)板梁的頂升、持荷、落梁監(jiān)控工作，監(jiān)控過(guò)程周期長(zhǎng)、工作量大、難度高，在頂升、持荷、落梁的各個(gè)階段，都對(duì)板梁的頂升點(diǎn)位移、混凝土應(yīng)變等進(jìn)行了全方位的監(jiān)測(cè)。施工監(jiān)控工作既保證了結(jié)構(gòu)安全，又促使施工依照設(shè)計(jì)意圖執(zhí)行。施工監(jiān)控的主要內(nèi)容有：（1）板梁豎向位移監(jiān)控；（2）板梁橋面連續(xù)處應(yīng)力監(jiān)控；（3）板梁鉸縫處的監(jiān)控。

空心板梁橋支座更換一般針對(duì)已運(yùn)營(yíng)多年的橋梁，橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況和受力情況已經(jīng)不能很好保證，考慮在頂升過(guò)程中橋面連續(xù)處以及鉸縫處可能會(huì)因各片板梁頂升位移或者橫向不同步量值過(guò)大而開(kāi)裂，故頂升高度不宜太高，能夠滿足舊支座順利取出和新支座安裝即可。

在施工過(guò)程中，要求頂升系統(tǒng)裝置具備稱重的能力，施工單位應(yīng)具備良好的頂升設(shè)備和豐富的橋梁頂升施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在支座更換頂升施工前就要進(jìn)行施工前準(zhǔn)備，在各墩、臺(tái)頂升點(diǎn)附近設(shè)置電測(cè)位移計(jì)和百分表，實(shí)行頂升和落梁過(guò)程中對(duì)頂升位移進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。通過(guò)電測(cè)位移計(jì)和百分表的雙重測(cè)量，監(jiān)測(cè)頂升、落梁過(guò)程中板梁的豎向位移情況，嚴(yán)格控制每塊板梁豎向位移以及各板梁之間的相對(duì)頂升位移高差，電測(cè)位移計(jì)及百分表的安裝如圖10所示。

橋面連續(xù)處的應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用應(yīng)變傳感器對(duì)橋面連續(xù)混凝土縱向應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為了真實(shí)監(jiān)測(cè)橋面連續(xù)處的應(yīng)力狀況，應(yīng)變傳感器安裝時(shí)，要在測(cè)點(diǎn)處挖除瀝青混凝土橋面鋪裝，大小一般約為25cm（縱橋向）×10cm（橫橋向），露出橋面連續(xù)處的澆層混凝土。

其中對(duì)某小橋左幅2#墩進(jìn)行頂升的時(shí)候，在板梁頂升至3mm時(shí)，監(jiān)控發(fā)現(xiàn)左幅2#墩第三跨第15片梁處的一個(gè)千斤頂油頂與梁體未接觸，監(jiān)控人員及時(shí)發(fā)出預(yù)警，停止頂升，并通知施工單位檢查設(shè)備。檢查后發(fā)現(xiàn)該處千斤頂?shù)膯蜗蜷y沒(méi)有開(kāi)啟，油管無(wú)油壓，導(dǎo)致該處的千斤頂無(wú)位移，從而引起旁邊千斤頂受力不均。施工單位及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，然后重新進(jìn)行頂升更換支座，最終達(dá)到預(yù)期的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

近幾年，隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，大噸位車(chē)輛和交通量的不斷增加，公路橋梁所負(fù)載的運(yùn)量和負(fù)荷不斷的增長(zhǎng)，橋梁支座受到的影響越來(lái)越大，由于一些自身的原因和外界因素的綜合作用，導(dǎo)致橋梁支座出現(xiàn)不同程度的損傷和損毀。本文主要針對(duì)空心板梁橋支座出現(xiàn)病害后，需要進(jìn)行更換處理，在對(duì)空心板梁支座進(jìn)行頂升更換過(guò)程中提出施工監(jiān)控，用以保證橋梁結(jié)構(gòu)的受力安全和督促施工，從而達(dá)到支座更換的預(yù)期效果。其中要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，需要事先確定要各項(xiàng)控制指標(biāo)，以指導(dǎo)頂升施工。最后，通過(guò)實(shí)例工程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，表明空心板梁橋支座更換施工監(jiān)控的重要性和必要性。

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