一種小跨徑橋梁快速改造新技術(shù)

陳　松， 卓　靜， 朱雪源

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶　400067)

?

一種小跨徑橋梁快速改造新技術(shù)

陳松， 卓靜， 朱雪源

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶400067)

[摘要]依托芭蕉灣橋梁改造工程，對(duì)該橋病害及成因進(jìn)行了分析，結(jié)合大交通流量的實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)多種方案的甄選，提出了先整體現(xiàn)澆梁板，再進(jìn)行整體水平移動(dòng)更換病害空心板的快速改造技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)行走系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并利用ABAQUS有限元對(duì)移動(dòng)反力架進(jìn)行了分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)安全可靠，最后對(duì)頂推行走速度進(jìn)行了探討。實(shí)踐表明：整體頂推技術(shù)在小跨徑橋梁改造中具有安全、快速的優(yōu)勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]橋梁改造； 單板受力； 頂推施工； 移動(dòng)反力架

1概述

空心板梁以其工藝簡(jiǎn)單、施工方便在中小跨徑橋梁建設(shè)中廣為運(yùn)用，高速公路小橋、涵洞、通道大多采用此類結(jié)構(gòu)。但是，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和運(yùn)輸行業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，車輛超重，荷載渠化[1]使得空心板產(chǎn)生了鉸縫脫落、橋面反射裂縫、板梁縱向、橫向裂縫等病害，以致產(chǎn)生單板受力[2]，給橋梁安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了嚴(yán)重影響。

針對(duì)橋梁的耐久性病害處治得到了足夠的重視，其加固措施已屢見(jiàn)不鮮。但針對(duì)主梁出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性病害，特別是以城市橋梁、高速公路橋梁為代表的大交通流量橋梁改造措施還需不斷地探索。本文提出了一種現(xiàn)澆板梁整體頂推替換原病害空心板的改造措施，可顯著減少道路中斷時(shí)間，降低交通組織措施費(fèi)，改善梁板整體性。

2工程概況

2.1橋梁信息

芭蕉灣橋梁位于渝遂高青段，是內(nèi)環(huán)高速與外環(huán)高速連接的重要通道，也是渝遂高速的咽喉，據(jù)調(diào)查高峰時(shí)期交通量約為每小時(shí)5 000～6 000輛。

該橋梁為分離式雙幅簡(jiǎn)支空心板梁橋，單幅橋面全寬12.5 m，右幅橋上部結(jié)構(gòu)為1×10 m普通鋼筋混凝土空心板，與路線交角為20°，采用30號(hào)鋼筋混凝土，空心板高度為52 cm，標(biāo)準(zhǔn)板寬99 cm，共采用12塊空心板。單向三車道，橫向布置為：0.5+11.5+0.5 m，橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)；原橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為“城—A級(jí)”。

2.2橋梁病害及原因分析

該橋右幅主要病害為鉸縫破損，并由此衍生的橋梁板底橫向裂縫，見(jiàn)圖1(a)，板底橫向裂縫多位于四分之一跨至跨中位置，最大裂縫寬度為0.14 mm；橋面3#與4#、6#與7#、9#與10#板之間出現(xiàn)了橋面反射裂縫見(jiàn)圖1(b)；重載車輛通過(guò)橋面時(shí)，6#～9#出現(xiàn)明顯的下?lián)?，并形成了路面坑槽。檢測(cè)結(jié)論技術(shù)狀況均評(píng)定為D級(jí)，為不合格狀態(tài)。

(a) 板底橫向裂縫(b) 橋面反射裂縫

Figure 1Plate bottom transverse cracks and deck reflective cracking

如圖2所示，外側(cè)車道為緊急停車道，按行車規(guī)律，車輛主要作用于3#～10#板導(dǎo)致梁間鉸縫出現(xiàn)失效；原橋空心板采用淺鉸縫設(shè)計(jì)，鉸縫高度為15 cm，鉸縫混凝土上緣寬8 cm、下緣及板間縫僅1 cm寬，填縫料細(xì)粒石混凝土質(zhì)量難以保證；橋面現(xiàn)澆層厚8 cm，一旦鉸縫出現(xiàn)病害，薄弱的橋面鋪裝將很難發(fā)揮橫向傳遞荷載的功能；橋面破損使雨水下滲，并通過(guò)鉸縫流出，雨水的滲入與超重荷載作用等不利因素共同作用，使鉸縫鋼筋處于惡劣的工作環(huán)境，加劇了病害的發(fā)展；同時(shí)，斜橋按比擬Z字型連續(xù)梁的受力與正橋存在差異，鈍角、銳角不均勻受力較為明顯。

圖2　車道布置示意Figure 2　Lane arrangement schematic

3加固方案研究

3.1改道施工處治法

封閉右幅橋面交通，將交通轉(zhuǎn)換至左幅橋，實(shí)現(xiàn)單道雙向通行；拆除右幅原橋上部結(jié)構(gòu)；利用原橋橋臺(tái)，搭設(shè)支架，澆注整體板混凝土，并進(jìn)行欄桿、橋面鋪裝等施工；待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后恢復(fù)右幅橋面交通。

雖梁體結(jié)構(gòu)處治為常規(guī)施工，但按《城市道路施工作業(yè)交通組織規(guī)范》占道施工警示區(qū)、緩沖區(qū)和終止區(qū)總長(zhǎng)較長(zhǎng)，對(duì)交通組織工作量大，費(fèi)用高；受混凝土齡期影響，斷道施工至恢復(fù)交通周期長(zhǎng)，社會(huì)影響大。

3.2鉸縫加固法

針對(duì)病害采用在梁底粘貼鋼板，鉸縫破損位置灌注環(huán)氧膠的處治工藝，恢復(fù)鉸縫橫向傳力的功能，并重新鋪裝橋面層。

雖然對(duì)交通影響小，但其鉸縫灌注膠仍需18 h完成固化[3]，且鉸縫加固效果難以評(píng)估，一旦環(huán)氧膠老化硬脆，將影響其整體性，對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向整體性未起到實(shí)質(zhì)性的改變。

4整體頂推加固方案的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)點(diǎn)

4.1托架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體式加固方案布置圖如圖3、圖4所示，采用Ф500 mm壁厚10 mm鋼管柱作為支撐結(jié)構(gòu)，其下端錨固在混凝土基礎(chǔ)上，上端放置支撐梁，支撐梁上焊接“π”形開(kāi)孔滑導(dǎo)梁，支架距橋臺(tái)1.5 m。

圖3　橋梁平移平面布置圖Figure 3　Layout planof bridge translation

圖4　橋梁平移立面布置圖Figure 4　Facade plan of bridge translation

4.2行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

行走系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)是整體平移方案的核心，其主要包括水平頂推系統(tǒng)和垂直頂升系統(tǒng)。

圖5　行走系統(tǒng)構(gòu)造Figure 5　Structural diagram oftravel system

水平頂推系統(tǒng)包括：頂推梁、水平千斤頂、移動(dòng)反力架。頂推梁與支撐梁之間為滑動(dòng)摩擦，減小其摩阻力有利于降低動(dòng)力需求及反力架設(shè)備尺寸，表1中羅列了鋼與其他材料之間的摩擦系數(shù)，可以看出采用鋼—四氟乙烯板的接觸模式可以減小水平阻力。

表1 接觸材料摩擦系數(shù)對(duì)比Table1 Contrastoffrictionindifferentcontactmaterials材料鋼木材混凝土四氟乙烯鋼0.08～0.120.15～0.250.2～0.60.04～0.08 注:受接觸表面粗糙程度摩阻系數(shù)略有差異。

采用Midas/civil有限元整體分析結(jié)果，其支反力和為1 644 kN，滑導(dǎo)梁自重19.7 kN，摩阻力可按F=μG確定，其值為133 kN，由于斜交角為20°，為避免頂推過(guò)程搖擺[4]，大樁號(hào)側(cè)、小樁號(hào)側(cè)分別設(shè)置10 T(最大行程300 mm)千斤頂實(shí)施同步頂推。

以水平頂推系統(tǒng)為隔離體分析，當(dāng)勻速頂推時(shí)，銷栓所受剪力與摩擦力平衡，體系不受水平外力，可省去常規(guī)頂推中固定的反力臺(tái)座。

移動(dòng)反力架構(gòu)造見(jiàn)圖6，材料采用Q345鋼材，采用2根Ф16銷栓作為臨時(shí)固定構(gòu)件。頂推過(guò)程千斤頂動(dòng)作桿伸長(zhǎng)，依靠反力架支承推動(dòng)頂推梁前進(jìn)，到達(dá)最大行程位置，泄壓并將反力架往前移動(dòng)，同時(shí)固定銷栓再次實(shí)施頂推，如此循環(huán)作業(yè)。

圖6　反力架構(gòu)造圖Figure 6　Structural diagram of reaction frame

利用ABAQUS建立反力架有限元分析模型，材料參數(shù)彈性模量E=206×103MPa，泊松比ν=0.25，剪切模量G=79×103MPa。通過(guò)在模型中定義切向罰函數(shù)，模擬移動(dòng)反力架與滑導(dǎo)梁之間接觸關(guān)系，采用C3D4單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分劃分見(jiàn)圖7，特別對(duì)千斤頂作用位置，單元?jiǎng)澐志植考用?，通過(guò)接觸非線性分析，反力架受力分析如圖8所示，最大應(yīng)力為73.58 MPa，反力架受力安全。

圖7　反力架網(wǎng)格劃分Figure 7　Reaction frame meshing

圖8　反力架受力分析Figure 8　Analysis of reaction frame

垂直頂升系統(tǒng)[5]包括：同步液壓系統(tǒng)、千斤頂，位移監(jiān)控系統(tǒng)。采用同步液壓系統(tǒng)對(duì)頂升及降落過(guò)程進(jìn)行精確控制，并依靠位移監(jiān)測(cè)在頂升(降落)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各頂升點(diǎn)位移，以動(dòng)態(tài)提供液壓指令。

4.3行走速度探討

常見(jiàn)頂推施工主要運(yùn)用于新建橋梁中，受交通影響較少，芭蕉灣橋梁位于交通咽喉要道，在頂推作業(yè)中應(yīng)重點(diǎn)考慮施工對(duì)交通的影響。交通管制時(shí)間為22：00—5：00，因此頂推作業(yè)時(shí)間相當(dāng)有限。表2中列舉了同類工程中的頂推方法。

結(jié)合表中部分橋梁頂推實(shí)施方案，本工程中橋梁總頂推力為133 kN較類似工程中頂推力小，為縮短頂推施工時(shí)間，兩側(cè)采用千斤頂同步頂推，頂推速度為10 m/h。

表2 部分橋梁頂推施工數(shù)據(jù)[6,7]Table1 Pushingconstructiondataofbridge項(xiàng)目跨武廣線橋跨滬昆鐵路橋福州某北引橋潁河特大橋橋梁跨度/m48.630+48+3013+12+13128豎向重量/kN9720 24596430022000頂推力/kN1360 27056452684頂推速度/(m·h-1)63～485

4.4方案優(yōu)勢(shì)

對(duì)交通影響小，僅在頂推就位過(guò)程需對(duì)交通進(jìn)行臨時(shí)改道，頂推完成即可施工橋面瀝青混凝土鋪裝，開(kāi)放交通；采用整體現(xiàn)澆板，對(duì)原橋病害都起到了根除的效果；整個(gè)橋跨結(jié)構(gòu)均在原橋旁澆筑成型，避免了傳統(tǒng)占到施工車輛撞擊的風(fēng)險(xiǎn)；移動(dòng)反力架的運(yùn)用提高了頂推效率。

本橋地處交通要道，交通組織應(yīng)作為主要考慮因數(shù)，而該橋鉸縫病害嚴(yán)重根治鉸縫病害提升結(jié)構(gòu)承載能力是橋梁安全運(yùn)營(yíng)的重要基礎(chǔ)，采用整體平移現(xiàn)澆梁具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

5結(jié)語(yǔ)

① 采用整體平移現(xiàn)澆板更換裝配式空心板的方法能夠根治鉸縫病害，可為同類中小跨徑橋梁病害處治提供參考。

② 先臨橋整體澆筑梁板，再以整體頂推完成梁體更換，能夠減少斷道施工時(shí)間，降低對(duì)交通的影響。

③ 采用低摩擦值的接觸面處理可顯著減小頂推力，可拆卸反力架的設(shè)計(jì)提高了頂推過(guò)程效率，減少了材料設(shè)備的投入。

[參考文獻(xiàn)]

[1]秦祿生.重載條件下小跨徑簡(jiǎn)支板橋的橫向鉸接能力分析[J].公路，2010(10)：14-16.

[2]趙曼.板梁橋“單板受力”的數(shù)值分析[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2004(11)：25-29.

[3]魏洋，胡勝飛，張敏，等.環(huán)氧樹(shù)脂在簡(jiǎn)支板梁橋鉸縫加固中的應(yīng)用研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2006(4)：78-81.

[4]陳恒山，吳靜，陳湘林.頂推法施工在橋梁工程中的應(yīng)用[J].中外公路，2006(3)：178-180.

[5]蔣巖峰，林其荃.PLC液壓整體同步頂升技術(shù)在橋梁改造中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2007(5)：106.

[6]蘇國(guó)明.跨武廣客運(yùn)專線頂推施工48 m曲線預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(6)：31-33.

[7]梁輝.頂推法架設(shè)128 m雙線簡(jiǎn)支鋼桁梁施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(6)：54-58.

A Small-span Bridge Quickly Renovate New Technology

CHEN Song， ZHUO Jing， ZHU Xueyuan

(China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co.Ltd.， Chongqing 400067， China)

[Abstract]Relying on renovation of Ba Jiao Wan bridge，analyzed the diseases and causes of the bridge，Combined with the situation of a large traffic flow，Through a variety of programs selection，Put forward a plan by casting plate and pushing it to replace disease hollow slab，F(xiàn)ocus on overall travel systemstudy.Using ABAQUS FEM analyzedreaction frame，The results show that it is safe and reliable，F(xiàn)inally，discussed the speed of Pushing construction，Practice shows：Overall Pushing Construction has an advantage of Safe，quick in the renovation of small span bridges.

[Key words]bridge renovation； single plate bearing； pushing construction； mobile reaction frame

[中圖分類號(hào)]U 445.6

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0081-04

[作者簡(jiǎn)介]陳松(1987-)，重慶人，工學(xué)碩士，主要從事橋梁加固維護(hù)技術(shù)研究。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金(51078370)

[收稿日期]2014-11-18