高墩橋梁橋墩偏移病害分析與糾偏處理

吳宏業(yè)

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

1 研究背景

橋梁檢查是對公路橋梁構(gòu)造物進(jìn)行周期性檢查，系統(tǒng)地掌握其技術(shù)狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁缺陷和損傷的性質(zhì)、部位、嚴(yán)重程度、發(fā)展趨勢以及相關(guān)環(huán)境的變化，找出產(chǎn)生缺陷和損傷的主要原因，分析和評價(jià)其對橋梁使用功能和承載能力的影響，為橋梁維修加固設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。在例行的橋梁定期檢查中，我們發(fā)現(xiàn)部分高墩橋梁發(fā)生了如下病害(見圖1～圖4)：

(1)盆式支座超限滑移、破壞性滑移，部分四氟滑板從支座鋼盆中滑移變位甚至脫出，已無法正常使用；梁與支座正常的面接觸已變?yōu)橹ё撆鑶芜吔佑|，二者之間有一定的夾角。

(2)梁體從支座鋼板頂接近脫落甚至已經(jīng)脫落，導(dǎo)致梁體高程變化，橋面系伸縮縫處出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，給行車帶來隱患。

(3)橋墩特別是墩頂部位向縱坡升坡方向偏移，部分橋墩偏移明顯，豎直度嚴(yán)重超標(biāo)，不滿足規(guī)范要求；梁體分聯(lián)伸縮縫中心線與墩頂中心線明顯偏離。

(4)墩底附近出現(xiàn)大量環(huán)向裂縫，豎向裂縫。

圖1 四氟滑板從支座鋼盆中滑移變位脫出

圖2 蓋梁升坡方向爬移

圖3 部分梁體從支座鋼板頂接近脫落

圖4 墩底大量的環(huán)向裂縫

2 橋墩偏移病害檢查及原因分析

2.1 針對性檢查主要檢測內(nèi)容

在進(jìn)行橋梁定期檢查時(shí)，針對前述的橋梁病害情況進(jìn)行了豎直度測量檢查。具體檢測內(nèi)容如下：

(1)上、下行墩柱裂縫調(diào)查、支座病害調(diào)查，重點(diǎn)關(guān)注過渡墩病害情況；

(2)墩柱的豎直度測量，包括順橋向與橫橋向；

(3)樁位坐標(biāo)測量，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，確定樁的偏位；

(4)測量所有過渡墩蓋梁尺寸及支座墊石、支座下鋼板平面位置，測量過渡墩支座上鋼板與梁底預(yù)埋鋼板的平面尺寸，梁底預(yù)埋鋼板及支座底鋼板橫、順橋向的傾斜度；

(5)測量盆式支座尺寸、外環(huán)直徑；

(6)測量蓋梁尺寸及蓋梁橫坡；

(7)測量過渡墩墩頂T梁與過渡墩墩頂蓋梁間的位置。

2.2 橋墩偏移病害的特點(diǎn)及原因分析

經(jīng)過整理分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生此類病害的橋梁大多數(shù)有如下共性特點(diǎn)：T梁、長聯(lián)、盆支、升坡、高墩、過渡墩位置、墩底開裂。即大多數(shù)發(fā)生病害的上部結(jié)構(gòu)類型以T梁為主，橋梁上下行分幅，橋面凈寬11.25m左右，5片T梁，罕有現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力箱梁發(fā)生此類型病害；梁底采用的支座為盆式支座；多孔長聯(lián)橋梁、跨徑組成以5孔30m，4孔30m為主；坡度較大，一般縱坡坡度均大于1.5%，坡度越大，病害越嚴(yán)重；下部結(jié)構(gòu)多為樁柱式基礎(chǔ)，雙柱式橋墩，墩高較高，一般為15～35m。發(fā)生病害的橋墩多為過渡墩或者過渡墩較為嚴(yán)重，中間墩較輕，而且所有整聯(lián)與整聯(lián)之間的過渡墩在縱向均往上坡方向即爬坡的方向偏移。豎直度偏離大的即墩頂偏移嚴(yán)重的墩位處的墩底出現(xiàn)了多道半環(huán)向裂縫。

究竟是什么原因引起的此種類型病害呢？原因分析如下：最直接最主要原因是由于采用的盆式支座滑動(dòng)支撐面不水平導(dǎo)致的。

首先，T梁為預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)，預(yù)制后T梁梁底的預(yù)埋鋼板與梁體密貼，吊裝安裝時(shí)預(yù)埋鋼板與總體縱坡基本一致，如未進(jìn)行調(diào)平處理或者調(diào)平處理效果不理想，即造成支座滑動(dòng)面處于傾斜狀態(tài)。而常規(guī)現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力箱梁施工時(shí)多為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，梁底找平鋼板或者找平墊塊相對好處理，這就解釋了為什么大多數(shù)發(fā)生此類型病害的上部結(jié)構(gòu)類型以T梁為主。

其次，橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載對墩柱產(chǎn)生的壓力會(huì)對墩柱形成向上坡方向的水平分力，這個(gè)水平力作用于橋墩墩頂，橋墩向上坡方向偏移，表現(xiàn)為梁體與橋墩之間支座滑動(dòng)面的相對滑移，橋墩豎直度遠(yuǎn)超規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)。偏移值與上部結(jié)構(gòu)荷載大小、支撐面縱坡大小、橋墩直徑和高度等因素有關(guān)。上部荷載、橋墩直徑和高度一定的情況下，支撐面坡度越大，橋墩偏移值越大。當(dāng)偏移值超過了支座實(shí)際允許滑移量時(shí)，支座頂板的不銹鋼板邊緣伸入四氟滑板，呈現(xiàn)出支座超限滑移和四氟滑板被剪切破壞的病害。當(dāng)墩柱偏移到一定程度，其地面以上與偏移相反方向一定范圍內(nèi)混凝土拉應(yīng)力超過了允許值后，墩底混凝土表面可見區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

3 橋墩偏移糾偏處理

針對以上的病害，必須快速作出反應(yīng)，及時(shí)進(jìn)行糾偏處理，防止病害進(jìn)一步發(fā)展及擴(kuò)大。同時(shí)，為了能更真實(shí)、更準(zhǔn)確地進(jìn)行糾偏處理，需要對糾偏工程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，準(zhǔn)確給出縱向頂推力，測準(zhǔn)水平恢復(fù)位移值，做好彈性回彈位移記錄。具體橋墩偏移糾偏過程及內(nèi)容如圖5。

圖5 橋墩偏移糾偏過程

4 不同的糾偏施工工藝

工藝一：采用反力架形式糾偏復(fù)位橋梁墩柱。在橋梁墩帽位置安裝反力架，通過千斤頂頂升反力架與橫隔板對橋梁墩柱進(jìn)行糾偏，由墩柱基礎(chǔ)系統(tǒng)提供反力支持。根據(jù)現(xiàn)場情況，在墩蓋梁上安裝反力架，根據(jù)本次橋梁的上部荷載及安全角度考慮，確定出千斤頂?shù)牟贾梦恢?。千斤頂?shù)奈恢镁鶆驅(qū)ΨQ布置，并布置在T梁端橫隔梁下部。見圖6。

工藝二：采用摩阻反力形式糾偏復(fù)位橋梁墩柱。在橋梁縱梁梁底位置安裝反力架，其中緊貼梁底底層設(shè)置摩阻力大的摩擦面，墊石頂層設(shè)置摩阻力小四氟滑板的摩擦面，通過千斤頂水平支頂，利用頂?shù)讓拥哪ψ枇Σ顏硖峁┓戳亩鴮蛄憾罩M(jìn)行糾偏，即借助自身來提供反力支持。在墩蓋梁上無需安裝反力架。見圖7。

顯然，對于糾偏工程，工藝二不破壞結(jié)構(gòu)體本身，巧妙地利用了四氟滑板等材料的摩阻系數(shù)差，利用上部結(jié)構(gòu)作為反力系統(tǒng)約束，無需在墩蓋梁上安裝反力架等操作，簡單快捷。優(yōu)于方案一。

5 水平頂推力的確定

以某高速公路大橋橋墩偏移病害為例，給出水平頂推力的確定原則。該橋?yàn)樯?、下行，上行跨徑布置?1×30m，下行跨徑布置為10×30m。上行4道型鋼伸縮縫，下行3道型鋼伸縮縫，上行設(shè)置在0、11號臺(tái)頂，3、7號墩頂；下行設(shè)置在0、10號臺(tái)頂，5號墩頂。支座均為盆式橡膠支座，上部結(jié)構(gòu)均為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，每孔5片梁，交角均為90°，設(shè)計(jì)橋梁縱坡為2.5%～4%；下部結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土重力式臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)，鋼筋混凝土雙柱式橋墩，樁基礎(chǔ)。橋墩高度約20～30m，墩徑160cm。上行3-1號墩原始墩柱順橋向偏移量為340mm，上行3-2號墩原始墩柱順橋向偏移量為272mm。

圖8 水平頂推力示意圖

圖9 墩柱偏移病害及水平支頂變位圖

如何確定最大的水平力呢？假定墩底處承臺(tái)頂為位移零點(diǎn)，墩頂處由于病害的發(fā)生，產(chǎn)生了位移為“Δ”的水平偏位。墩頂承受的水平分力為“f”，橋墩變形形成的彈性恢復(fù)力為“P”，二者平衡使得橋墩暫時(shí)穩(wěn)定“f=P”。當(dāng)施加逐漸增大的外力“F”時(shí)，橋墩變形形成的彈性恢復(fù)力逐漸減小為0，當(dāng)“F=f”時(shí)，系統(tǒng)又重新平衡在了豎直位置，但是此時(shí)有一個(gè)外力“F”，如果撤掉外力“F”，系統(tǒng)又將重新彈性變形，甚至可以恢復(fù)到位移為“Δ”的水平偏位，因此需要繼續(xù)增大水平外力，當(dāng)“F=f+P”時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)將反向產(chǎn)生一個(gè)彈性恢復(fù)力“P′”，二者可以重新平衡，使得橋墩穩(wěn)定“f=P′”，水平頂推力即為2P，考慮樁基有一定的影響，因此最大的水平頂推力會(huì)稍大于2P。

將上行3-1號墩Δ=340mm和L=26330mm帶入計(jì)算可得P=180kN,最大的水平力F=2P=360kN。

表1 上行3號墩糾偏過程中最大頂推力變化表

由表1中數(shù)據(jù)可見，實(shí)際糾偏時(shí)最大頂推力為378kN,比360kN增大5%，符合以上規(guī)律。

通過實(shí)際工程、現(xiàn)狀調(diào)查等手段，對橋墩偏位病害進(jìn)行研究。結(jié)合實(shí)際病害重點(diǎn)分析了這些病害發(fā)生的原因，總結(jié)了支座安裝缺陷對高墩橋墩受力影響的規(guī)律，給出了幾種糾偏處理方案并進(jìn)行了說明與對比，以供工程項(xiàng)目參考。