淮北東崗樓立交橋改造設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

崔海, 馮淑珍

(1.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司, 江蘇 南京 210032; 2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

1 概述

牛腿構(gòu)造在中國漢代已經(jīng)出現(xiàn)，在古建筑中起到了裝飾和傳力的作用。中國的設(shè)計(jì)師巧妙地將牛腿構(gòu)造引用到了橋梁結(jié)構(gòu)中。在20世紀(jì)80年代中國建設(shè)的橋梁中，出現(xiàn)了較多的懸臂梁與掛梁、簡(jiǎn)支體系等含有牛腿構(gòu)造的橋梁結(jié)構(gòu)。豐富了橋梁形式，推動(dòng)了橋梁事業(yè)的發(fā)展。

梁牛腿受力及構(gòu)造復(fù)雜，是設(shè)計(jì)和施工關(guān)注的重點(diǎn)和焦點(diǎn)。然而在運(yùn)營中的另外一個(gè)問題也應(yīng)當(dāng)引起高度的重視，即梁牛腿構(gòu)造中支座和伸縮裝置的養(yǎng)護(hù)問題。一方面，主梁上下牛腿之間通常采用板式橡膠支座，主梁間隙很小，一般不足10 cm;另一方面，主梁下牛腿兩側(cè)設(shè)置抗震擋塊，導(dǎo)致梁牛腿間的垃圾難以清理，支座及伸縮裝置維護(hù)困難。

近年來，梁牛腿構(gòu)造在橋梁中應(yīng)用較少，和管理維護(hù)困難有很大關(guān)系。但是早期建設(shè)的梁牛腿構(gòu)造橋梁管養(yǎng)及維護(hù)也是管養(yǎng)單位不得不面對(duì)的問題。

2 項(xiàng)目概況

淮北市東崗樓立交橋?yàn)椴糠周俎Ｈ~加半定向匝道三層全互通立交。主線橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，聯(lián)間采用牛腿搭接構(gòu)造，主線橋立面布置如圖1所示。

主線橋第二聯(lián)的聯(lián)端均設(shè)置為上牛腿；第三聯(lián)靠近第四聯(lián)側(cè)的端部設(shè)置上牛腿。牛腿搭接部位均設(shè)置板式橡膠支座，支座高度75 mm，橫橋向布置5塊，如圖2所示。

圖1 主線橋立面布置圖(單位:m)

圖2 改造前牛腿間板式橡膠支座布置(單位:cm)

橋梁運(yùn)營多年后伸縮裝置止水帶破損，橋面垃圾在梁縫內(nèi)淤積。而橋梁管理單位為了保證行車舒適性，直接用瀝青混合料填塞梁端間隙。持續(xù)高溫作用下，主梁自由伸長(zhǎng)受阻，梁體間相互擠壓現(xiàn)象顯著。

2012年監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，主線橋固定墩根部普遍出現(xiàn)環(huán)向裂縫。其中17#橋墩開裂最為嚴(yán)重，根部受拉側(cè)最大裂縫寬度達(dá)到0.5 mm，受壓側(cè)混凝土出現(xiàn)了壓潰狀，混凝土剝落明顯，病害照片如圖3所示。

圖3 主線橋17#墩根部病害照片

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示:匝道橋及主線橋梁伴隨有梁體的偏位。主線橋第三聯(lián)、第四聯(lián)偏位明顯，如圖4所示。主線橋第三聯(lián)9#～11#墩和13#～15#墩運(yùn)動(dòng)方向相反，近似于環(huán)繞固定墩(12#墩)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。同時(shí)從位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，H1～H4測(cè)點(diǎn)位移較大，H5、H6測(cè)點(diǎn)位移較小，基本上與距12#墩的距離成正比，偏位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 主線橋第三聯(lián)、第四聯(lián)平面偏位示意圖

表1 主線橋第三聯(lián)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)位移統(tǒng)計(jì)

主線橋第四聯(lián)活動(dòng)墩有整體向一側(cè)偏移的趨勢(shì)，并且這趨勢(shì)與17#墩病害的特征基本吻合。

橋梁結(jié)構(gòu)安全受到嚴(yán)重影響，在2012年末該橋即限制通行大型車輛荷載，僅允許小型客車通行。

3 總體改造思路

改造設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)避免次生病害。目前橋梁構(gòu)件已經(jīng)呈現(xiàn)一定的損傷，首先應(yīng)分析其病害原因，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固。梁牛腿“L”接縫管養(yǎng)十分不方便，運(yùn)營多年后梁縫內(nèi)垃圾堵塞導(dǎo)致梁體自由伸長(zhǎng)受阻，在持續(xù)高溫作用下主梁發(fā)生了偏轉(zhuǎn)和推擠，最終導(dǎo)致橋墩根部開裂。因此必須對(duì)梁牛腿“L”接縫進(jìn)行改造。具體細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中涉及到橋墩、梁端橫隔板等構(gòu)件，應(yīng)保證構(gòu)件安全。

改造內(nèi)容中涉及到梁體糾偏處治方案。梁體糾偏具有施工難度大、控制嚴(yán)格、施工風(fēng)險(xiǎn)高、投資大等特點(diǎn)。目前檢測(cè)顯示主梁尚未觀測(cè)到裂縫等病害。同時(shí)，梁牛腿“L”接縫改造后，主梁間將不存在相互推擠現(xiàn)象。因此不進(jìn)行梁體糾偏處治。

針對(duì)第四聯(lián)，固定橋墩損傷嚴(yán)重，已經(jīng)不能再承擔(dān)固定墩，對(duì)其加固后作為活動(dòng)墩使用。對(duì)相鄰的活動(dòng)墩進(jìn)行增大截面加固后作為固定墩使用。

4 關(guān)鍵細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

依據(jù)梁牛腿“L”接縫改造為垂直“I”形接縫的思路，改造方案中涉及到固定墩、交界墩增大截面加固、交界墩墩頂縱橋向增設(shè)混凝土牛腿、主梁端橫隔板下方增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)橫梁以轉(zhuǎn)移支點(diǎn)位置、梁牛腿切割及修補(bǔ)等。改造設(shè)計(jì)總體布置圖如圖5所示。加固細(xì)部構(gòu)造見圖6。

圖5 東崗樓立交橋改造總體布置圖(單位：m)

圖6 加固細(xì)部構(gòu)造(單位：mm)

4.1 墩柱增大截面加固

增大截面加固主要針對(duì)每聯(lián)的固定墩和交界墩。固定墩根部已經(jīng)出現(xiàn)環(huán)向裂縫，必須加固以保證結(jié)構(gòu)安全。尤其第四聯(lián)第16#墩由原來的活動(dòng)墩改造為固定墩。經(jīng)檢算，圓形橋墩直徑由1.5 m增大至1.8 m后承載能力安全系數(shù)能提高到2.54。改造以后交界墩受力模式發(fā)生了較大改變。改造前是軸心受壓構(gòu)件，即所有的支反力均作用于墩柱中心。改造后相鄰兩聯(lián)的反力均通過后期增加的牛腿承受并轉(zhuǎn)移到墩柱。支點(diǎn)中心到墩中心的距離為1.2 m。因此在恒載和活載作用下均會(huì)造成墩柱偏心受力。僅恒載作用下，支點(diǎn)反力分別為2 801、4 029 kN；在最大偏心工況下，支點(diǎn)反力分別為2 698、5 674 kN。最大的偏心距為447 mm。改造后將墩柱直徑由1.25 m增大至1.6 m，經(jīng)檢算為小偏心受壓構(gòu)件，受力滿足要求。

4.2 墩頂增設(shè)混凝土牛腿

墩頂增設(shè)混凝土牛腿是改造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制點(diǎn)。牛腿總長(zhǎng)度3 600 mm，寬度1 600 mm，高度1 400 mm。相對(duì)于既有墩柱邊界，牛腿懸臂1 175 mm。牛腿內(nèi)配筋采用雙層鋼筋骨架，主筋直徑25 mm，通過后錨固技術(shù)植入既有墩柱內(nèi)，植入深度不小于25 mm(圖7)。

牛腿設(shè)計(jì)依據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，以裂縫寬度和配筋率控制。

4.3 梁底鋼橫梁設(shè)計(jì)

改造后箱梁的支點(diǎn)由5個(gè)減少至2個(gè)；支座間距由2 m增大至5 m。主梁端橫隔板受力發(fā)生較大改變。端部橫隔梁處雖然配筋密集，但是改造后抗彎、抗剪承載能力及裂縫寬度驗(yàn)算均不滿足規(guī)范要求?；诖嗽诙藱M隔板下方增設(shè)500 mm高鋼結(jié)構(gòu)橫梁進(jìn)行加固(圖8、9)。

圖7 墩頂牛腿骨架構(gòu)造示意圖(單位：mm)

圖8 主梁底部鋼橫梁橫斷面布置(單位：cm)

圖9 鋼桁梁橫斷面構(gòu)造圖(單位：mm)

鋼縱梁與既有混凝土箱梁之間通過植入錨栓及粘貼鋼板技術(shù)連接為整體共同受力。連接鋼板厚度20 mm，橫向設(shè)置5道腹板。

由于主梁橫隔板內(nèi)配筋密集，植入錨栓位置難以理論確定，在保證植入數(shù)量及深度的前提下根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)根據(jù)實(shí)際植入錨栓位置放樣鋼橫梁中的孔位。鋼橫梁安裝后應(yīng)保證底部水平以保證支座的安裝精度。

4.4 梁牛腿切割及修補(bǔ)

主梁上牛腿在改造基本完成后通過繩鋸切割；下牛腿則澆筑混凝土修補(bǔ)，具體布置見圖7。為了保證新舊混凝土黏結(jié)質(zhì)量，界面應(yīng)鑿毛、植筋并噴灑界面劑，同時(shí)應(yīng)采用自密實(shí)混凝土。伸縮裝置采用普通的型鋼嵌擠型，割除上牛腿一側(cè)通過植入鋼筋后錨固技術(shù)與既有主梁錨固連接。下牛腿修補(bǔ)一側(cè)則通過常規(guī)的預(yù)埋鋼筋的方式實(shí)現(xiàn)伸縮裝置的錨固。

5 結(jié)語

東崗樓立交橋于2014年6月改造完成，運(yùn)營至今狀態(tài)良好。該橋的改造設(shè)計(jì)思路清晰，在基本上不改變橋梁受力體系的前提下，通過局部的改造實(shí)現(xiàn)梁牛腿“L”形接縫的“I”形改造，徹底整治了橋梁結(jié)構(gòu)病害。同時(shí)該橋的改造施工可行性較高、施工造價(jià)低、工期短，其牛腿改造設(shè)計(jì)方案對(duì)類似改造工程具有參考價(jià)值。