既有立交橋搶險(xiǎn)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

莊泳浩

廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 510060

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量迅猛增加，一些年代久遠(yuǎn)的橋梁，在沉重交通荷載及繁重交通量的作用下，橋墩會(huì)受到不同程度的影響，發(fā)生各種病害，有的已經(jīng)威脅著過往人車的安全，迫切需要加固與維修；有些橋墩受到車輛的撞擊而損壞，急需搶險(xiǎn)加固［1］。而加固維修這些存在病害的橋墩或搶險(xiǎn)加固受撞擊的橋墩，從立項(xiàng)、檢測、設(shè)計(jì)到施工完成消除病害的威脅，通常需要經(jīng)歷一段較長的時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)需繼續(xù)保持橋上交通時(shí)，如何通過設(shè)置臨時(shí)支撐進(jìn)行搶險(xiǎn)，確保交通運(yùn)輸及行人的安全是目前和今后面臨的重要課題。采用鋼管柱作為臨時(shí)支撐一般運(yùn)用于橋梁上部箱梁現(xiàn)澆施工［2］，或者用于既有橋梁的頂升改造［3］及上部結(jié)構(gòu)頂升糾偏［4］，或者用于既有橋梁支座更換［5］，而用于搶險(xiǎn)或加固維修的工程案例較少。

本文通過客村立交搶險(xiǎn)工程，探索在不中斷交通的基礎(chǔ)上設(shè)置臨時(shí)支撐進(jìn)行支頂?shù)膿岆U(xiǎn)方案，以防止病害橋墩突然失效引發(fā)上部結(jié)構(gòu)的垮塌，確?？痛辶⒔画h(huán)形轉(zhuǎn)盤橋正常使用。

1 工程背景

1.1 工程概況

客村立交位于廣州大道和新港中路相交處，是廣州大道通向海珠區(qū)和琶洲地區(qū)轉(zhuǎn)換的重要節(jié)點(diǎn)，工程建成于1989 年。客村立交形式為環(huán)形，共四層，頂層（第四層）為新港中路東西方向高架橋；第三層（轉(zhuǎn)向?qū)樱殚]合型連續(xù)環(huán)道橋及匝道連續(xù)剛構(gòu)；第二層為斜腿剛構(gòu)橋，供行人和非機(jī)動(dòng)車使用；第一層為廣州大道下穿道路。

2015年7 月病害普查時(shí)發(fā)現(xiàn)第三層環(huán)形轉(zhuǎn)盤橋部分橋墩出現(xiàn)不同程度病害，存在較為嚴(yán)重的安全隱患。第三層橋梁上部結(jié)構(gòu)為環(huán)形鋼筋混凝土現(xiàn)澆變截面連續(xù)板結(jié)構(gòu)，橋?qū)?8m，內(nèi)弧半徑30m，外弧半徑48m，橋梁共分18 跨，中心線處的跨徑組合為（17.02 ＋11.91 ＋6 ×13.61 ＋12.59＋17.02 ＋11.23 ＋6 ×13.61 ＋11.91）m。梁體采用C35 混凝土，跨中梁高0.65m，墩頂梁高0.8m；下部結(jié)構(gòu)橋墩為雙柱墩，采用φ80 的柱接φ120 的樁，橋墩采用C25 混凝土，柱頂設(shè)盆式橡膠支座，設(shè)置沿徑向的單向活動(dòng)支座。結(jié)構(gòu)平面及橫斷面見圖1。

圖1 客村立交第三層環(huán)形轉(zhuǎn)盤橋平、橫斷面（單位：cm）Fig.1 Plan and cross section of circular turntable bridge on the third floor of Kecun interchange（unit：cm）

1.2 病害情況

病害主要表現(xiàn)在8、9、12、13 號橋墩底部混凝土剝落、開裂，鋼筋銹蝕，經(jīng)判斷為受力裂縫。病害情況如圖2 所示（以8 號軸為例）。

圖2 橋梁病害情況Fig.2 Disease of the bridge

2 臨時(shí)支撐的目的和原則

2.1 目的

本工程應(yīng)急搶險(xiǎn)，目的是在不中斷交通的基礎(chǔ)上，確保客村立交第三層環(huán)形轉(zhuǎn)盤橋正常使用，消除安全隱患，避免發(fā)生突然性的垮塌，為制定、實(shí)施詳細(xì)的加固維修爭取時(shí)間，并在加固維修完成后拆除臨時(shí)支撐墩。

2.2 原則

1.當(dāng)既有橋墩發(fā)生失效破壞時(shí)，臨時(shí)墩能充當(dāng)新的支撐結(jié)構(gòu)，且臨時(shí)墩的位置選擇滿足既有上部結(jié)構(gòu)縱梁及橫梁的受力要求。

2.在8、9、12、13 號墩軸間布設(shè)的臨時(shí)支撐位置滿足既有結(jié)構(gòu)受力要求，頂升過程不會(huì)破壞既有上部結(jié)構(gòu)，臨時(shí)支撐樁基礎(chǔ)不影響既有樁基礎(chǔ)。

3.通過計(jì)算得出臨時(shí)墩的理論支反力，使得既有梁體在消除臨時(shí)墩基礎(chǔ)變形后，保持一定的頂升位移，既能保證臨時(shí)墩充分受力，又能保證既有立交橋上部結(jié)構(gòu)的受力安全。

3 計(jì)算分析

3.1 建模計(jì)算

建立客村立交第三層橋梁整體模型，采用8個(gè)臨時(shí)墩支撐替換原8 根橋墩支撐，計(jì)算得出增加臨時(shí)支撐后的上部結(jié)構(gòu)縱梁及橫梁的受力情況。采用橋梁有限元軟件Midas程序的桿系單元進(jìn)行建模，如圖3 所示。汽車荷載為三車道加載，邊界條件為：墩頂支座采用沿著橋徑向可滑動(dòng)，豎向及切向采用較大剛度彈性連接，墩底處剛接。計(jì)算得出基本組合下的剪力及彎矩滿足受力要求，見圖4。

圖3 模型構(gòu)造Fig.3 Model construction diagram

圖4 基本組合下的剪力及彎矩Fig.4 Shear and bending moment under basic combination

3.2 分析過程

1.臨時(shí)墩位置選擇

（1）為了不改變既有橋梁上部結(jié)構(gòu)縱向跨度及其受力，臨時(shí)墩縱橋向位置選在既有圓柱墩同一軸線上。

（2）臨時(shí)墩橫橋向位置的選擇則復(fù)雜得多。既有圓柱墩外側(cè)為翼緣，高度較小，無法作為支頂位置，因此，臨時(shí)墩只可設(shè)置于兩個(gè)圓柱墩之間。同時(shí)，臨時(shí)墩位置應(yīng)盡量離開既有圓柱墩一定距離，不僅有利于臨時(shí)墩基礎(chǔ)的設(shè)置，且可保證既有基礎(chǔ)的安全；但距離太遠(yuǎn)則會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)橫梁懸臂太大而不滿足橫梁受力要求。通過計(jì)算，臨時(shí)墩與既有圓柱墩中心距離取1.2m 時(shí)，上部結(jié)構(gòu)橫梁受力能滿足要求，結(jié)果見表1。

溫泉水電站壩址河谷呈V形，河流縱坡6.9‰。谷底高程870 m左右，兩岸山頂高程1 182～1 600 m，右岸自然坡角多在70°～80°之間，局部近于直立。壩址分布下石炭統(tǒng)東圖精河組和第四系地層，巖體呈厚層狀—塊狀。壩址基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚2～5 m，弱風(fēng)化層厚10～15 m。左岸卸荷帶水平寬度 3～15 m，順河長 95 m，垂直深度約65 m；右岸卸荷帶水平寬度2～5 m。壩址區(qū)地震基本烈度Ⅷ度，大壩抗震設(shè)防烈度Ⅷ度。

表1 設(shè)置臨時(shí)墩后橫梁承載力驗(yàn)算Tab 1 Checking for bearing capacity of beam after setting temporary pier

2.頂升位移計(jì)算

本技術(shù)的關(guān)鍵是施工千斤頂進(jìn)行頂升，保證臨時(shí)墩承受上部結(jié)構(gòu)部分荷載，一旦既有病害墩柱發(fā)生意外倒塌后由臨時(shí)墩完全受力。因此，如何得出臨時(shí)墩頂升控制位移就顯得尤為重要。如果不產(chǎn)生頂升位移或頂升位移值太小，則臨時(shí)墩不發(fā)揮作用或基礎(chǔ)沉降不充分導(dǎo)致后期受力時(shí)發(fā)生二次不均勻沉降使支撐結(jié)構(gòu)失效；如果頂升位移值過大，則會(huì)對既有上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超過其承受能力的附加應(yīng)力，影響既有結(jié)構(gòu)受力甚至破壞既有結(jié)構(gòu)。通過計(jì)算并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，得出頂升控制位移為4mm時(shí)，上部結(jié)構(gòu)受力既能滿足要求，臨時(shí)墩也能承受一定的反力且基礎(chǔ)充分沉降，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.臨時(shí)墩支反力計(jì)算

通過計(jì)算得出各臨時(shí)墩支點(diǎn)理論支反力的具體結(jié)果見表2。

表2 臨時(shí)墩支點(diǎn)理論反力Tab 2 Theoretical reaction of temporary pier fulcrum

4 方案設(shè)計(jì)

4.1 總體思路

為防止病害橋墩突然失效引發(fā)上部結(jié)構(gòu)的垮塌，在8、9、12、13號墩軸之間設(shè)置臨時(shí)墩進(jìn)行支頂，共設(shè)置8 個(gè)臨時(shí)墩，臨時(shí)墩平面位置見圖5。

圖5 臨時(shí)墩布置Fig.5 Temporary pier layout

4.2 臨時(shí)墩設(shè)計(jì)

每軸橫向布置兩個(gè)臨時(shí)支頂墩，單個(gè)支頂墩沿順橋向（法線方向）設(shè)置3 根φ600 ×14mm的鋼管柱，柱頂、柱底各采用20mm厚鋼板將三根鋼管柱連成一個(gè)整體，頂部在鋼板上焊接I25b 工字鋼，在其上布置2 個(gè)千斤頂，并在兩個(gè)千斤頂?shù)闹虚g部位布設(shè)臨時(shí)支承，千斤頂頂升卸載后由臨時(shí)支承受力，見圖6。

圖6 臨時(shí)墩構(gòu)造Fig.6 Temporary pier structure

臨時(shí)墩基礎(chǔ)采用微型鋼管樁＋承臺(tái)的方式。標(biāo)準(zhǔn)承臺(tái)尺寸為4.1m×2.3m，微型鋼管樁（φ168×6mm）樁長12m，樁端位于亞黏土層，樁底標(biāo)高約為2.65m處，每個(gè)臨時(shí)墩布置28 根，見圖7。9 軸共兩個(gè)臨時(shí)墩需避讓管線，調(diào)整樁位后需加大微型鋼管樁尺寸，選擇φ180 × 6mm，樁長15m，樁端位于強(qiáng)風(fēng)化層，樁底標(biāo)高約為－0.35m處，每個(gè)臨時(shí)墩共布置21 根或23 根，承臺(tái)根據(jù)微型鋼管樁及管線位置設(shè)計(jì)成異形結(jié)構(gòu)。微型鋼管樁應(yīng)與既有立交樁基礎(chǔ)保持一定距離，避免影響其受力。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)微型鋼管樁及承臺(tái)平面Fig.7 Plan of standard mini steel pipe pile and bearing platform

5 頂升施工要點(diǎn)

5.1 頂升控制位移與理論支反力

結(jié)合上述計(jì)算分析得出臨時(shí)墩的頂升位移控制值及理論支反力，通過千斤頂使得既有梁體頂升，在消除臨時(shí)墩基礎(chǔ)變形后保持某一數(shù)值的穩(wěn)定位移，從而確保既有病害橋墩失效時(shí)臨時(shí)墩能有效支撐。

5.2 頂升的順序

5.3 頂升的工藝流程

1.千斤頂安裝并試頂。搭設(shè)工作平臺(tái)并安裝千斤頂，待臨時(shí)墩基礎(chǔ)滿足要求后，即開始試頂。試頂主要為了消除支撐本身的非彈性變形或沉降，在主梁還沒有正式頂起時(shí)即可停止，并停放2h進(jìn)行觀察無任何變化后才能開始整體頂升，千斤頂受力方向一定要與梁底面垂直。

2.頂升現(xiàn)澆板梁。試頂完畢后，在專業(yè)人員統(tǒng)一指揮下均衡地對板梁施加頂升力，達(dá)到控制位移后，用臨時(shí)支撐塊塞入梁底形成臨時(shí)支撐點(diǎn)，使上部板梁與臨時(shí)墩臨時(shí)支撐塊密貼。

5.4 頂升監(jiān)控點(diǎn)的布置

本工程為單軸整體頂升，應(yīng)布置位移傳感器監(jiān)控梁體位移，合理布置梁體監(jiān)測點(diǎn)，密切配合頂升作業(yè)。

5.5 頂升注意事項(xiàng)

1.千斤頂應(yīng)帶自鎖功能，梁體位移應(yīng)在控制值內(nèi)，防止超頂。

2.頂升采用逐級加載的方式。

3.正式頂升按操作程序進(jìn)行并作好記錄。

4.頂升過程中要實(shí)時(shí)觀測基礎(chǔ)沉降、頂升系統(tǒng)垂直度等。頂升每完成一輪，就對電腦顯示的千斤頂壓力及各油缸位移數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并分析資料；如有異常，立即解決。完成頂升并固定后，對各標(biāo)高觀測點(diǎn)進(jìn)行測量，計(jì)算各頂升觀測點(diǎn)的頂升高度。

5.注意千斤頂?shù)目刂七^程應(yīng)嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行，進(jìn)油和回油應(yīng)做到慢而穩(wěn)，直到全部工作結(jié)束千斤頂才能卸載，確保橋梁整體安全。

6.臨時(shí)墩參與受力后，注意監(jiān)控臨時(shí)墩墩頂?shù)某两担缬谐两?，宜按此前工藝再次頂升，確保臨時(shí)墩參與受力。

6 本方案的優(yōu)勢

1.安全快捷。臨時(shí)墩頂升施工存在可能破壞既有橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、影響橋上行車安全等安全隱患。本方案通過受力計(jì)算及分析，得出頂升后保持穩(wěn)定的梁體控制位移取4mm 時(shí)，既能保證臨時(shí)墩充分受力，又能保證上部結(jié)構(gòu)的受力安全。并通過全過程的位移控制，快速、自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)整個(gè)臨時(shí)墩頂升的施工。

2.適用于低凈空施工條件。既有環(huán)形轉(zhuǎn)盤橋橋下實(shí)際凈空小于2m，施工混凝土灌注樁或常規(guī)鋼管樁的機(jī)械均較高，無法進(jìn)場施工。本設(shè)計(jì)采用微型鋼管樁，并通過改造施工鉆機(jī)設(shè)備使其滿足橋下低凈空的施工要求。

3.保護(hù)既有地下管線。城市中往往既有地下管線眾多，如均進(jìn)行遷改，不但造價(jià)昂貴，且工期較長，發(fā)揮不出應(yīng)急搶險(xiǎn)、快速施工的效果。針對本工程臨時(shí)墩位置既有管線眾多、復(fù)雜的情況，為減少管線遷改，采取調(diào)整微型鋼管樁位置并設(shè)置異形承臺(tái)的方案避讓既有管線，不僅極大地縮短了工期，而且節(jié)約了工程造價(jià)，具有一定的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

4.施工周期短。本工程樁基礎(chǔ)采用微型鋼管樁，施工快速、噪音少，環(huán)境影響??；臨時(shí)墩采用預(yù)制結(jié)構(gòu)（包含微型鋼管樁），在工廠制作，現(xiàn)場安裝，裝配化程度高，極大地縮短了工期，最大限度地減少對既有橋上交通的影響，達(dá)到應(yīng)急搶險(xiǎn)的目的。

7 結(jié)語

對于設(shè)置臨時(shí)支撐的搶險(xiǎn)工程來說，施工快速便捷是最基本的要求，應(yīng)充分考慮方案的可行性，且因該臨時(shí)設(shè)施后期需拆除，還需考慮方案的經(jīng)濟(jì)性。

客村立交搶險(xiǎn)工程中既有客村立交第三層環(huán)形轉(zhuǎn)盤橋橋下凈空較低、橋下管線較復(fù)雜是該工程的重難點(diǎn)。樁基礎(chǔ)采用微型鋼管樁，既解決了既有立交橋橋下凈空較低的技術(shù)難題，還無需遷改橋下管線節(jié)省大量的工程造價(jià)。結(jié)合墩柱采用鋼管柱，整個(gè)項(xiàng)目施工快速、工期短，對周邊環(huán)境、居民生活及交通影響較小，該技術(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。該工程施工完成后，既有橋梁使用情況良好，未出現(xiàn)墩柱病害繼續(xù)惡化的情況，臨時(shí)搶險(xiǎn)支撐保障了既有立交橋的通行安全，為全面開展加固維修爭取了時(shí)間。