瓶窯互通七號(hào)橋梁體滑移原因分析與復(fù)位技術(shù)研究

蔡坤華，胡 鋒，葉 劍，張 琦

(1.浙江杭長(zhǎng)高速公路有限公司 湖州市 313300； 2.湖州市公路水運(yùn)工程監(jiān)理咨詢股份有限公司 湖州市 313000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，越來越多的橋梁相繼建成通車。一些縱坡大、展線復(fù)雜的橋梁往往會(huì)出現(xiàn)梁體縱向滑移，導(dǎo)致伸縮縫擠死，嚴(yán)重影響行車安全。導(dǎo)致梁體發(fā)生滑移病害的因素很多，包括汽車荷載作用，溫度及混凝土收縮變形，特定縱坡下自重水平分力，設(shè)計(jì)和施工不合理以及曲率半徑過大等等[1-2]。溫度變化和收縮在各種活動(dòng)支座處將引起縱橋向與橫橋向的變形,梁縫填塞嚴(yán)重，梁體不能正常伸縮會(huì)直接導(dǎo)致匝道橋與主線橋、主線橋各聯(lián)間上部結(jié)構(gòu)存在相互推擠從而發(fā)生偏位病害[3]。此外，橋梁在長(zhǎng)期超負(fù)荷工作和偏載以及特定縱坡下自重水平分力作用下，梁體也會(huì)逐漸發(fā)生偏移[4-5]。

使用Midas Civil軟件對(duì)依托工程進(jìn)行有限元建模分析，將數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)，驗(yàn)證模型正確性，并進(jìn)行參數(shù)分析，研究各類參數(shù)對(duì)梁體偏位的影響。此外，還提出了一套梁體糾偏復(fù)位方案。

1 工程背景

1.1 工程概況

瓶窯互通七號(hào)橋位于杭長(zhǎng)高速公路瓶窯互通F匝道上，上跨瓶倉(cāng)線，中心樁號(hào)為PK0+454.05。左半幅孔跨布置為：(5×25)m+(21+25+23)m+(4×17)m+(3×16)m；右半幅孔跨布置為：(5×25)m+(23+25+21)m+(4×17)m+(3×16)m，橋梁全長(zhǎng)315.7m。第2聯(lián)采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、肋板臺(tái)、柱式臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，采用盆式支座。

1.2 支座偏位情況

瓶窯互通七號(hào)橋第2聯(lián)連續(xù)箱梁橋共三跨，支座的約束形式見圖1。5#墩和8#墩最外側(cè)支座都是雙向可動(dòng)，內(nèi)側(cè)支座為縱向可動(dòng)。6#墩支座都是縱向可動(dòng)，7#墩左幅支座為固定支座，右幅為橫向可動(dòng)支座。

圖1 瓶窯互通七號(hào)橋第2聯(lián)連續(xù)箱梁橋支座約束形式

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，瓶窯七號(hào)橋第二聯(lián)梁體在縱向整體呈現(xiàn)向大樁號(hào)側(cè)滑移的趨勢(shì)，多數(shù)支座上下部連接鋼條已經(jīng)拉壞，8#墩頂部伸縮縫嚴(yán)重頂死，5#墩頂部伸縮縫嚴(yán)重拉開。此外，梁體在橫橋向又呈現(xiàn)一種圍繞固定支座逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。若不及時(shí)處理，有可能對(duì)行車安全產(chǎn)生影響，甚至直接導(dǎo)致落梁事故發(fā)生。表1、表2分別為各支座縱橋向和橫橋向上下部中心線間距。

表1 支座縱橋向偏移情況 mm

表2 支座南北偏移量 mm

1.3 橋墩偏位情況

用鉛錘鋼卷尺以及激光測(cè)距儀對(duì)7#墩左幅進(jìn)行垂度的測(cè)量，測(cè)量得到墩高6m，測(cè)量段高度3.65m，繩子固定端距離墩表面5.5cm，底部鉛錘中心線距離墩表面距離3.4cm，因此墩向大樁號(hào)方向偏移2.1cm，根據(jù)比例換算，得到墩往大樁號(hào)方向偏移3.45cm，垂直度偏差為5.7‰H。

2 機(jī)理研究

2.1 有限元建模

瓶窯七號(hào)橋第二聯(lián)地下土層依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、礫砂和中風(fēng)化凝灰?guī)r，利用土彈簧來模擬樁土相互作用。按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3363—2019)，采用m法，按Winkler假定(梁身任一點(diǎn)的土抗力和該點(diǎn)的水平位移成正比)的解法，將樁側(cè)土體離散成Winkler線性彈簧。得到的公式如下：

Cz=mz

(1)

式中：Cz為地基水平抗力系數(shù)，m為地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，z為地基土深度。因?yàn)楸緲蜃冃屋^小，仍在彈性范圍內(nèi)。所以，用m法，其中m的值根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3363—2019)中附錄表格P.0.2-1中的數(shù)值取值。

各墩采用的支座型號(hào)及個(gè)數(shù)見表3。Midas Civil中模擬盆式支座時(shí)，約束方向支座剛度設(shè)為1.0E+07，自由方向剛度設(shè)為0。

綜上所述，支座采用彈性連接模擬，支座頂與梁體采用剛性連接模擬，墩和樁固結(jié)，樁底固結(jié)。整個(gè)模型共564個(gè)單元，517個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型見圖2。

表3 各墩采用的支座型號(hào)及個(gè)數(shù)

圖2 瓶窯七號(hào)橋第二聯(lián)有限元模型

2.2 荷載及工況設(shè)置

合龍溫度按20℃算，整體升降溫按照+20℃與-30℃來考慮，參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)4.3.12規(guī)定混凝土線膨脹系數(shù)為0.00001/℃。

試驗(yàn)橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為公路I級(jí)，《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)4.3規(guī)定公路I級(jí)車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)為10.5kN/m；Pk集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)表4取360kN。汽車制動(dòng)力根據(jù)車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值在全橋長(zhǎng)度計(jì)算的總重力的10%以及公路I級(jí)汽車荷載制動(dòng)力不小于165kN兩項(xiàng)前提下取值為165kN。

表4 集中荷載Pk取值

汽車制動(dòng)力分項(xiàng)系數(shù)取1.4，溫度取1.05，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)1.2。工況及荷載組合情況見表5。

表5 工況及荷載組合

2.3 結(jié)果分析

從圖3和圖4可以看出，梁體在升溫時(shí)會(huì)向小樁號(hào)側(cè)偏移；5#側(cè)梁體向右偏移，8#側(cè)梁體向左偏移，梁體有個(gè)繞固定支座逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

圖3 主梁升溫時(shí)縱向位移

圖4 主梁升溫時(shí)橫向位移

從圖5和圖6可以看出，主梁在溫度下降的時(shí)候 ，縱向收縮變形，5#墩支座向大樁號(hào)方向變形，7#、8#支座向小樁號(hào)方向變形；此外，梁體還有逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。

圖5 主梁降溫時(shí)縱向位移

圖6 主梁降溫時(shí)橫向位移

圖7～圖9分別是工況四到工況六的縱橫向位移變形圖。可以看出，在右幅車道上，車輛制動(dòng)產(chǎn)生的剎車力，會(huì)使梁體產(chǎn)生向大樁號(hào)方向的縱向位移，小樁號(hào)側(cè)的位移相對(duì)來說比較大；同時(shí)，由于偏心荷載的左右，使得梁體產(chǎn)生逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)。汽車制動(dòng)力產(chǎn)生的總體影響比溫度要小。

圖7 工況四位移圖

圖8 工況五位移圖

圖9 工況六位移圖

圖8顯示，溫度升高和汽車制動(dòng)力同時(shí)作用時(shí)，5#、6#、7#墩梁體往小樁號(hào)方向偏移，8#往大樁號(hào)方向偏移；5#、6#墩上梁體往右偏，7#、8#墩上梁體往左偏，呈現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。在溫降和制動(dòng)力作用下，小樁號(hào)側(cè)梁體往大樁號(hào)方向偏移，偏移程度較高，靠近8#側(cè)梁體往小樁號(hào)側(cè)略微偏移；5#、6#墩上梁體往右偏，7#、8#墩上梁體往左偏，呈現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

汽車制動(dòng)力作用下，梁體有向大樁號(hào)側(cè)偏移的趨勢(shì)，此外，溫度升高時(shí)大樁號(hào)側(cè)梁體往大樁號(hào)側(cè)變形，小樁號(hào)側(cè)梁體往小樁號(hào)側(cè)變形，溫度降低時(shí)，變形趨勢(shì)相反。由于梁體存在一定坡度，當(dāng)其遭受反復(fù)的溫升溫降作用和汽車制動(dòng)力作用時(shí)，支座產(chǎn)生了不可恢復(fù)的變形，久而久之，梁體下移，致使伸縮縫破壞。

3 梁體糾偏復(fù)位

3.1 承臺(tái)施工

基礎(chǔ)承臺(tái)按照設(shè)計(jì)圖紙采用圓形截面，直徑2.7m，高度1.5m，采用C40混凝土，對(duì)樁、柱混凝土表面局部開槽并鑿毛后，將基礎(chǔ)承臺(tái)主筋與原墩柱主筋進(jìn)行焊接連接，然后澆筑承臺(tái)。開挖全部采用人工開挖，開挖過程中注意避開地面預(yù)埋管線?；A(chǔ)承臺(tái)與樁柱連接大樣見圖10。

圖10 基礎(chǔ)承臺(tái)與樁柱連接大樣圖

3.2 鋼抱箍安裝

抱箍到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)切割限位鋼板打磨焊點(diǎn)，抱箍上端有焊點(diǎn)需要全部打磨平，檢查抱箍與橋墩接觸面是否有焊渣，有焊渣清理干凈，吊墜孔開3個(gè)點(diǎn)留上端20mm孔徑50～60mm為宜。鋼抱箍加工見圖11。

圖11 鋼抱箍加工

鋼抱箍安裝時(shí)事先在墩頂用工字鋼制作吊架，然后在地面上將抱箍拼裝好將緊固件螺栓略松，采用手拉葫蘆將抱箍提拉至安裝位置。

3.3 鋼管支撐安裝

每片鋼抱箍設(shè)置一根支撐鋼管，截面尺寸為350mm×20mm圓管，一個(gè)橋墩3根，均勻布置在對(duì)應(yīng)的抱箍底部?；A(chǔ)承臺(tái)混凝土澆注前先對(duì)鋼管支撐底部連接處預(yù)埋鋼板進(jìn)行固定安裝，安裝完成用水平尺檢查預(yù)埋鋼板的水平度，對(duì)不平整處進(jìn)行調(diào)平，保證預(yù)埋鋼板水平。

3.4 糾偏裝置安裝

按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谙淞旱撞繉?duì)糾偏反力架錨栓孔位置放線，開孔前使用鋼筋探測(cè)儀對(duì)梁板鋼筋進(jìn)行探測(cè)，并在混凝土表面標(biāo)記清楚，鉆孔時(shí)對(duì)于原橋預(yù)應(yīng)力鋼絞線及縱向主筋必須全部避讓；橫向鋼筋及箍筋在無法避免的情況下可部分截?cái)唷ｃ@孔完成后利用高壓吹風(fēng)機(jī)清理孔內(nèi)灰塵，然后用工業(yè)酒精將孔內(nèi)清洗干凈，待孔內(nèi)酒精完全風(fēng)干后種植錨栓。限位裝置如圖12所示。按照設(shè)計(jì)圖紙安裝事先加工好的反力架，反力架安裝見圖13。

圖12 限位裝置

圖13 反力架安裝

3.5 箱梁豎向整體頂升、糾偏

3.5.1豎向頂升

箱梁整體頂升和糾偏采用同步頂升系統(tǒng)，千斤頂采用液壓扁形千斤頂連動(dòng)整體頂升，千斤頂放置鋼抱箍上，通過高壓電動(dòng)油泵向千斤頂供油，采用平衡分流閥、自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和百分表來控制梁體的起頂高度。

3.5.2水平糾偏

水平向頂升采用液壓扁形千斤頂，通過高壓電動(dòng)油泵向千斤頂供油，采用平衡分流閥和自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來控制梁體的糾偏量，當(dāng)梁體達(dá)到原設(shè)計(jì)位置后，在伸縮縫處打入楔形塊設(shè)置臨時(shí)支撐，保證梁體位置。糾偏時(shí)，應(yīng)進(jìn)行分級(jí)糾偏，每分級(jí)頂升量為2mm。

4 總結(jié)

汽車制動(dòng)力作用下，梁體有向大樁號(hào)側(cè)偏移的趨勢(shì)，此外，溫度升高時(shí)大樁號(hào)側(cè)梁體往大樁號(hào)側(cè)變形，小樁號(hào)側(cè)梁體往小樁號(hào)側(cè)變形，溫度降低時(shí)，變形趨勢(shì)相反。三者都會(huì)使梁體產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。

在長(zhǎng)期的制動(dòng)力荷載和循環(huán)的溫升溫降作用下，以及梁體往大樁號(hào)方向的傾斜，瓶窯七號(hào)橋第二聯(lián)梁體產(chǎn)生縱向的偏移，方向?yàn)榇髽短?hào)一側(cè)，8#墩一側(cè)靠近固定支座和縱向固定支座，溫度變形相對(duì)5#墩要小很多，并且制動(dòng)力荷載對(duì)縱向位移的影響比溫度變形的影響小很多，因此8#墩處支座上下中心線間距比5#墩處小很多，符合實(shí)測(cè)值規(guī)律。

汽車制動(dòng)力，溫升溫降都會(huì)使梁體產(chǎn)生逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，即8#墩側(cè)梁體往左偏移，5#墩側(cè)梁體往右偏移。但是汽車制動(dòng)力，即偏心水平力作用對(duì)梁體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)的貢獻(xiàn)更大，溫度影響相對(duì)較小，在長(zhǎng)期的制動(dòng)力荷載和循環(huán)的溫升溫降作用下，使得梁體總體產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。