曲線梁橋橫向爬移病害的處置措施及施工監(jiān)控

張建勛，趙諳笛

(1.鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450008；2.新疆建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

鄭州市某立交F匝道橋主要通行原G107國道從黃河大橋出發(fā)，由北向東方向繞避鄭州市中心城區(qū)的過境車輛，以客貨車為主。F匝道橋部分位于R=300 m和R=400 m的圓曲線和緩和曲線上，部分位于直線上。F匝道橋共計(jì)12聯(lián)，均采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室連續(xù)箱梁橋，橋?qū)?.5 m，聯(lián)與聯(lián)之間采用牛腿搭接。典型橫斷面見圖1。

圖1 典型橫斷面圖(單位：cm)

其中第十、十一聯(lián)出現(xiàn)橫向爬移病害比較嚴(yán)重，第10～11聯(lián)梁跨徑布置分別為：37.5 m+45.7 m+45.7 m+37.5 m和4×25 m；下部結(jié)構(gòu)采用花瓶形獨(dú)柱橋墩，設(shè)雙支座，基礎(chǔ)為雙柱(單排)或四柱(群樁)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)與墩身間采用承臺(tái)連接，橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí)，掛車-120。

2 橋梁病害狀況

2012年9月在日常維護(hù)橋梁時(shí)，巡視人員發(fā)現(xiàn)橋梁護(hù)欄嚴(yán)重錯(cuò)位、伸縮縫間隙變大，為了保證行車安全，立即對橋梁進(jìn)行了封閉管理。橋梁管養(yǎng)單位委托有相關(guān)資質(zhì)的第三方檢測機(jī)構(gòu)對橋梁展開了全面檢測。依據(jù)檢測報(bào)告F匝道橋第10～11聯(lián)梁的主要病害有：①橋墩斜向裂縫較多，其中最大裂縫寬度1.5 mm，發(fā)生在34號(hào)墩內(nèi)側(cè)，距地面約0.25 m，在小樁號(hào)側(cè)水平延伸1.2 m；②34號(hào)固定墩支座螺栓剪斷，支座無橫向位移；36號(hào)橋墩頂支座螺栓剪斷且支座橫向位移40 cm；③32墩左側(cè)伸縮縫橡膠條損壞、縫內(nèi)雜物填充較多；④第10～11聯(lián)梁體橫向爬移，其中36號(hào)墩處梁體最大位移達(dá)40 cm，病害情況見圖2～5。

圖2 34號(hào)橋墩墩底裂縫

圖3 34號(hào)墩頂支座螺栓剪斷

圖4 36號(hào)墩頂支座橫向移位

圖5 32號(hào)伸縮縫堵塞

3 橋梁病害原因

1)通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)匝道橋車流量大且超載、重載車輛較多，橋梁的實(shí)際通行荷載大于設(shè)計(jì)荷載，造成梁體所受的離心力過大。

2)橋梁聯(lián)與聯(lián)采用牛腿搭接，經(jīng)多年運(yùn)行，伸縮縫橡膠條損壞后縫內(nèi)雜物較多，因牛腿結(jié)構(gòu)特殊、不易清理；在溫度荷載作用下縱向變形受到約束，支座發(fā)生破壞。

3)橋梁位于3%的大縱坡上，支座約束破壞后車輛制動(dòng)力、自重產(chǎn)生的下滑力加速梁體移動(dòng)。

4)本橋走向?yàn)楸鞭D(zhuǎn)東南方向，在鄭州市正好符合日照產(chǎn)生較大橫向溫度梯度的不利條件，根據(jù)部分橋梁現(xiàn)場測定證明，主梁內(nèi)外側(cè)腹板溫度差值可高達(dá)10℃左右；橫向溫度梯度對彎橋橫向爬移效應(yīng)影響非常明顯。

5)橋梁各橋墩處缺少擋塊限位裝置，限位支座螺栓破壞后，梁體無約束加劇其橫向爬移。

4 病害處理方案

4.1 下部結(jié)構(gòu)處置

下部結(jié)構(gòu)采用全截面外包加固法，沿橋墩兩側(cè)橫向和縱向加厚20～30 cm混凝土并增加抗震擋塊，擋塊高70 cm、厚度40 cm，見圖6，在擋塊內(nèi)側(cè)增加橡膠墊塊。施工時(shí)原有截面需要鑿毛處理，并在橋墩表面植入U(xiǎn)型抗剪鋼筋。為完成外包混凝土的澆筑質(zhì)量，設(shè)計(jì)組采用C50自密實(shí)混凝土。外包加固法除增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎能力、滿足抗震需求外還可封閉原有橋墩裂縫，提升了結(jié)構(gòu)耐久性[1]。

圖6 橋墩混凝土加固立面圖(單位：cm)

4.2 上部結(jié)構(gòu)處置

上部結(jié)構(gòu)的主要改善措施是梁體的頂升、復(fù)位和支座的更換。首先對上部結(jié)構(gòu)頂升和復(fù)位，而后更換支座。橫向復(fù)位的總體原則是多點(diǎn)頂推和部分旋轉(zhuǎn)復(fù)位[2]；結(jié)構(gòu)最大橫向偏移40 cm與36號(hào)墩牛腿連接處結(jié)構(gòu)平面錯(cuò)位15 cm。在保證主梁結(jié)構(gòu)安全的情況下，結(jié)構(gòu)復(fù)位至連接處平面對齊即可(橫向復(fù)位15 cm)，盡可能不改變已爬移的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)復(fù)位的原則及方法如下。

1)支座橫向復(fù)位的橋墩為35號(hào)和36號(hào)墩；橫向復(fù)位的橫向力由36號(hào)墩處的臨時(shí)反力架承擔(dān)，經(jīng)計(jì)算反力架橫向承載力需70 t，在35號(hào)和36號(hào)墩墩頂設(shè)置備用水平復(fù)位千斤頂，當(dāng)橫向頂推力超出原設(shè)定臨時(shí)支架的承載力時(shí)，需啟用備用千斤頂加以輔助。

2)在36號(hào)墩橫向頂推前，需在32號(hào)～36號(hào)墩頂布設(shè)橋梁專用頂推滑塊，并解除32號(hào)及36號(hào)墩牛腿處約束；施工中所用頂推滑塊的摩擦系數(shù)可參照四氟滑板支座摩擦系數(shù)測定的辦法，準(zhǔn)確測出實(shí)際摩擦系數(shù)。

3)梁體復(fù)位以34號(hào)固定墩為旋轉(zhuǎn)軸，針對32號(hào)、33號(hào)橫向復(fù)位點(diǎn)，僅在加固后的橋墩上布置輔助千斤頂；橫向復(fù)位的頂力主要布置在35號(hào)、36號(hào)墩及36墩臨時(shí)反力架上。

4)在結(jié)構(gòu)正式頂升和橫移前需進(jìn)行試頂升，試頂升高度或橫向位移≤5 mm。在試頂升前須對原橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀線形進(jìn)行全面測量，以便后續(xù)正式頂升或頂推監(jiān)測對比參照。頂升或橫向頂推時(shí)首先加載至理論頂力的80%，再緩慢加載至根據(jù)位移傳感器確定各點(diǎn)已經(jīng)分離，再頂升或頂推至各頂達(dá)到5 mm垂直位移。停機(jī)10 min后檢查橋梁各支頂部位和支架有無變形和加載點(diǎn)有無局壓破壞。試頂合格后方可進(jìn)行正式頂升或頂推。

5)在第十聯(lián)主梁頂升后，主梁已放置在橋梁專用滑道上。首先要觀察梁體在結(jié)構(gòu)完全自由的情況下是否有自動(dòng)復(fù)位的可能性；而后施加橫向頂推力(通過計(jì)算理論頂推力為每100 t，橫向移動(dòng)80 mm)，當(dāng)頂推位移達(dá)到50 mm后撤掉橫向頂推力讓梁體自由變形；觀察梁體是否回位，若梁體回位應(yīng)繼續(xù)頂推重復(fù)該工序不少于兩次后繼續(xù)頂推，最終復(fù)位總位移為15 cm。

支座更換主要包括兩端牛腿處滑板式橡膠支座和各橋墩處的盆式橡膠支座。更換時(shí)頂升原則為：每次更換單個(gè)橋墩支座時(shí)，至少頂升相鄰的三個(gè)橋墩；比如當(dāng)更換32號(hào)墩支座時(shí)，需要頂升33號(hào)和34號(hào)橋墩；各相鄰橋墩的墩頂豎向頂升位移差控制在5 mm以內(nèi)。當(dāng)頂升某個(gè)橋墩2 cm時(shí)，相鄰橋墩需要頂升至1.5 cm，其他按跨徑線性比例以此類推。橋墩的頂升高度依據(jù)橋墩的支座更換空間需求而定；原則上單個(gè)橋墩的頂升高度≤2 cm。

5 施工監(jiān)控

為確保橋梁結(jié)構(gòu)安全和復(fù)位達(dá)到設(shè)計(jì)值，在梁體豎向頂升和橫向復(fù)位過程中進(jìn)行了全方位實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控[3]，監(jiān)控的內(nèi)容包括：第10聯(lián)梁體線形、頂升位移、橋墩沉降、主梁及橋墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力等。頂升和頂推過程以應(yīng)力為直接指標(biāo)，同時(shí)位移指標(biāo)能更準(zhǔn)確地反映頂升和頂推過程的穩(wěn)定性，因此，監(jiān)控預(yù)警以應(yīng)力和位移雙重指標(biāo)控制，只要有一項(xiàng)超標(biāo)，則進(jìn)行預(yù)警。頂推復(fù)位過程中結(jié)構(gòu)最大附加應(yīng)力≤1 MPa。橫向頂推時(shí)箱梁縱向、橫向位移實(shí)時(shí)監(jiān)測采用位移計(jì)和鋼板尺結(jié)合進(jìn)行監(jiān)測。測點(diǎn)放在橋墩墩頂位置附近。32號(hào)墩～34號(hào)墩采用位移計(jì)監(jiān)測箱梁頂推位移，35號(hào)、36號(hào)墩箱梁位移較大，采用粘貼鋼板尺法進(jìn)行監(jiān)測，現(xiàn)場派專人實(shí)時(shí)讀數(shù)并匯報(bào)。分別在第10聯(lián)的33號(hào)～34號(hào)墩頂箱梁截面兩側(cè)各1.1 m位置處安裝數(shù)碼應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測箱梁頂推施工過程中箱梁上下緣應(yīng)力。橋墩應(yīng)力監(jiān)測主要測量頂升復(fù)位過程中橋墩彎曲應(yīng)力的實(shí)時(shí)變化，將橋墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制在安全范圍之內(nèi)，防止主梁因橋墩結(jié)構(gòu)的破壞嚴(yán)重后果。分別在32號(hào)～33號(hào)墩根部布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

根據(jù)最終的線形測量結(jié)果，36號(hào)墩橫向頂推箱梁位移15.1 cm，滿足設(shè)計(jì)提出的15 cm頂推量要求；32號(hào)墩～34號(hào)墩底應(yīng)力監(jiān)測最大變化值0.31 MPa，33號(hào)墩～34號(hào)墩附近箱梁腹板應(yīng)力監(jiān)測最大變化值0.86 MPa，均滿足監(jiān)測要求。32號(hào)～36號(hào)墩基礎(chǔ)在3個(gè)月的觀測期間最大沉降值為0.8 mm，橋墩基礎(chǔ)高程無明顯變化。

6 結(jié)束語

位于縱坡較大處的曲線橋梁容易出現(xiàn)梁體爬移、支座損壞、墩柱裂縫，給橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全帶來嚴(yán)重威脅，需對此類橋梁病害進(jìn)行處治。F匝道橋出現(xiàn)橫向爬移40 cm，位移較大，加上聯(lián)與聯(lián)之間采用牛腿搭接，對其采取橫向頂推復(fù)位的方法在國內(nèi)也鮮見；該橋病害整治過程中經(jīng)多次召開專家討論會(huì)，對方案進(jìn)行反復(fù)研究和技術(shù)調(diào)整，于2015年8月改造完成，最終取得了較好的治理效果。經(jīng)多年運(yùn)營，橋梁目前使用情況良好，后增加的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)表明結(jié)構(gòu)運(yùn)營正常。

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