公路橋梁墩柱偏位典型病害特征分析及維修處置措施研究

馬寧

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

在公路橋梁建設(shè)中，墩柱在橋梁上部結(jié)構(gòu)與梁基礎(chǔ)連接中發(fā)揮著重要作用，作為橋梁關(guān)鍵構(gòu)件，其病害的解決有助于提升橋梁的整體安全性。但是受各種因素的共同影響，在施工與運(yùn)營(yíng)階段，墩柱經(jīng)常會(huì)發(fā)生病害，墩柱偏位便是其中較為常見(jiàn)的典型病害之一。由于此病害的產(chǎn)生會(huì)直接威脅到整座橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，因此需加強(qiáng)對(duì)此類典型病害特征的分析，重視相關(guān)維修處置研究工作的開(kāi)展。

1 工程概況

1.1 墩柱偏位典型病害介紹

本文選取了山西省陽(yáng)城縣內(nèi)某山區(qū)公路橋梁作為研究對(duì)象，由于周邊地理環(huán)境較為復(fù)雜，橋梁極易受到多種不利因素的影響，管養(yǎng)單位在定期維護(hù)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)該橋梁存在墩柱偏位等病害。該橋梁詳細(xì)信息如表1 所示。

在對(duì)橋梁進(jìn)行定期維護(hù)檢查中發(fā)現(xiàn)梁端中心線出現(xiàn)偏離簡(jiǎn)支墩蓋梁中心線的情況，墩柱與蓋梁偏斜方向?yàn)樯掀路较?，同時(shí)墩柱底部已經(jīng)存在最大寬度為0.4mm 的多道橫向裂縫，呈小樁號(hào)側(cè)底部均勻分布，為此對(duì)該橋梁展開(kāi)專項(xiàng)檢測(cè)，具體檢測(cè)結(jié)果如表2 和表3 所示。

表2 橋墩縱橋向墩柱豎直度測(cè)量結(jié)果表

表3 簡(jiǎn)支墩梁底預(yù)埋鋼板坡度測(cè)量結(jié)果表

1.2 橋梁墩柱偏位成因分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)病害的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是5 號(hào)柱頂還是9 號(hào)柱頂?shù)纳炜s縫均未見(jiàn)異常，開(kāi)口較為勻稱，且只有5 號(hào)柱與9 號(hào)柱存在著偏移，其他橋墩以及兩側(cè)橋臺(tái)并沒(méi)有檢測(cè)到位移情況的發(fā)生，從而表明整座橋的上部結(jié)構(gòu)并未發(fā)生縱向整體位移?；谠摌蛄憾罩惶攸c(diǎn)進(jìn)行綜合分析，可將此墩柱偏位的典型特征總結(jié)為如下方面。

第一，受支座上鋼板傾角、主梁重量以及橋梁運(yùn)營(yíng)荷載等因素的影響，導(dǎo)致蓋梁產(chǎn)生水平分力，致使墩柱底部出現(xiàn)受彎情況，從而產(chǎn)生縱向偏位。

第二，由于支座上方鋼板未能保持水平，造成了支座難以正?；瑒?dòng)復(fù)位，從而阻礙大縱坡梁體的伸縮變形運(yùn)動(dòng)，增大水平推力，具體受力情況如圖1 所示，即在附加水平推力的作用下，致使墩柱逐步發(fā)生偏位。

圖1 墩柱與梁體之間受力圖

第三，現(xiàn)場(chǎng)分析結(jié)果表明，由于該橋梁所在線路縱坡坡度較大，并且橋面縱坡由橋梁上部結(jié)構(gòu)形成，導(dǎo)致梁底面隨梁體產(chǎn)生縱向傾斜面，而為了將支座頂?shù)卒摪逯蚊孀鳛樗矫妫谑┕て陂g就需要在梁底支撐位置對(duì)支座調(diào)平鋼板進(jìn)行預(yù)埋[1]。同時(shí)，由于該橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制裝配式，所以一旦在施工中存在控制不到位的情況，就有可能造成梁底預(yù)埋鋼板和楔形找平鋼板難以與梁底傾斜面保持一致，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)落梁時(shí)支座頂鋼板支撐面為水平面的要求。在該橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)，受上部結(jié)構(gòu)自身重量、來(lái)往車輛荷載的影響，會(huì)在支撐面形成沿橋梁縱坡的水平分力，并對(duì)橋墩與蓋梁頂部產(chǎn)生作用，進(jìn)而導(dǎo)致墩柱出現(xiàn)變形或偏位的現(xiàn)象，即主要原因是梁底支撐面未能保持水平。

第四，在該橋梁中，墩柱選用了較高的柔性墩，這種墩柱在受到同等縱向水平分力作用的情況下，其整體的抗彎能力較弱，因此也更加容易發(fā)生縱向偏位，墩底也極易產(chǎn)生橫向裂縫。

第五，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生偏位的5 號(hào)柱與9號(hào)柱均屬于簡(jiǎn)支柱。此類柱體在溫度的影響下，很容易在支座鋼板處發(fā)生“年輪”現(xiàn)象，即受外界溫度變化的影響，會(huì)使柱體兩側(cè)出現(xiàn)梁體伸縮現(xiàn)象，從而導(dǎo)致柱頂或蓋梁頂產(chǎn)生水平分力的差值，由于水平分力合力所指方向?yàn)樯掀孪?，從而加劇橋墩出現(xiàn)上坡方向變形偏位[2]。而柱頂與蓋梁受到自重的影響，就會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余位移，而逐年累積的位移在支座鋼板上留下的痕跡即為“年輪”現(xiàn)象。

2 墩柱偏位維修處置措施及施工

2.1 墩柱糾偏復(fù)位處置措施

通過(guò)對(duì)產(chǎn)生偏位的橋梁墩柱進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其豎直度均超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)限值，因此最為有效的處置措施便是將墩柱進(jìn)行反方向糾正，直至其豎直度保持在規(guī)定范圍內(nèi)，唯此方可確保該橋梁安全運(yùn)營(yíng)。為此，需借助臨時(shí)設(shè)置的支座，利用滑動(dòng)摩擦系數(shù)差原理，制定墩柱雙控糾偏方案，其間使用了數(shù)控同步多點(diǎn)頂推施工方法，在使墩柱豎直度得以修正的前提下，保證其水平頂推力控制在較小范圍內(nèi)。

在進(jìn)行糾偏時(shí)，需將主梁整體進(jìn)行抬升，拆除原有支座，然后安裝臨時(shí)支座，并專門設(shè)置滑動(dòng)面，最后完成落梁。在糾偏期間，還需對(duì)梁體與墩柱異常情況進(jìn)行觀察，確保在一切正常的情況下開(kāi)展水平頂推施工，同時(shí)對(duì)豎直度恢復(fù)量與頂推位移量進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，直到水平頂推施工完成后，再對(duì)墩柱豎直度變化進(jìn)行檢測(cè)[3]。通過(guò)采取上述措施，雖然能將墩柱豎直度有效恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但是難以從根本上解決該橋梁墩柱偏位的誘因。詳細(xì)的施工過(guò)程如圖2、圖3所示。

圖2 墩柱糾偏臨時(shí) 支座安裝

圖3 糾偏施工過(guò)程中 數(shù)值監(jiān)控

2.2 更換新型球型支座

為達(dá)成對(duì)墩柱偏位誘因的根本解決，需從該橋梁典型病害特征著手，基于支座位置支撐面難以保持水平這一現(xiàn)象，專門設(shè)計(jì)新型球型支座。在上文糾偏復(fù)位處置措施開(kāi)展后，需對(duì)原有支座與臨時(shí)安裝的支座統(tǒng)一進(jìn)行拆除，并替換為新型球型支座[4]。此新型支座能充分借助中間位置的球型鋼襯板與球面聚四氟乙烯板的滑動(dòng)完成支座的順利轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅具備豎向轉(zhuǎn)動(dòng)角度大的優(yōu)勢(shì)，而且球面聚四氟乙烯板還能實(shí)現(xiàn)對(duì)球型鋼襯板的包裹，以確保在糾偏施工落梁后，使支座頂板鋼盆能與傾斜的梁底面相適應(yīng)，還能實(shí)現(xiàn)支座頂?shù)撞恐蚊娴淖詣?dòng)調(diào)整，從而完成對(duì)墩柱偏位根本誘因的解決。實(shí)物如圖4、圖5 所示。

圖4 新型球型支座頂 鋼盆及球型鋼襯板

圖5 新型球型支座球面 鋼襯板及下底板

2.3 墩柱加固處置措施

針對(duì)5 號(hào)墩與9 號(hào)墩均出現(xiàn)偏位較為嚴(yán)重的問(wèn)題，且底部也發(fā)生了橫向裂縫病害，為此還需對(duì)墩柱采取加固處置措施。其間針對(duì)裂縫寬度不大于0.15mm 的墩柱展開(kāi)維修處置時(shí)，首先需對(duì)裂縫采取封閉處理，然后再通過(guò)粘貼碳纖維布完成加固處置。在對(duì)裂縫寬度大于0.15mm 的墩柱展開(kāi)維修處置時(shí)，則選擇了增加截面的方法進(jìn)行維修，即在原墩柱底部外包混凝土進(jìn)行加固[5]。

3 墩柱偏位維修后監(jiān)測(cè)與處置效果

對(duì)于該橋梁發(fā)生的墩柱偏位病害，在采取糾偏復(fù)位、更換新型球型支座以及加固處置等措施后，為了對(duì)偏位維修處置效果進(jìn)行確認(rèn)，針對(duì)5 號(hào)墩柱、9 號(hào)墩柱進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)三年的跟蹤監(jiān)測(cè)。詳細(xì)測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 墩柱偏位綜合處置豎直度跟蹤測(cè)量結(jié)果

從圖6 可以看出，在經(jīng)過(guò)三年跟蹤監(jiān)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，本文采取的墩柱偏位綜合處置措施產(chǎn)生了十分可觀的效果，能夠?qū)σ蛄旱字蚊娌凰揭l(fā)的墩柱偏位等衍生病害實(shí)現(xiàn)有效處置，在經(jīng)過(guò)綜合處置的三年后，5號(hào)墩、9 號(hào)墩的豎直度沒(méi)有發(fā)生明顯變化，并且在有自然環(huán)境因素影響的情況下，5 號(hào)墩、9 號(hào)墩并未再次發(fā)生墩柱偏位等病害，充分說(shuō)明了本文處置方案的有效性。

4 結(jié)論

山區(qū)公路橋梁通常有著橋墩較高、坡橋較大以及曲線半徑較小的特點(diǎn)，加之周圍地形、環(huán)境較為復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，因此很容易導(dǎo)致橋墩偏位等病害的發(fā)生。本文通過(guò)檢測(cè)分析得出梁底支撐面不水平是該橋梁墩柱偏位病害發(fā)生的主要誘因，然后開(kāi)展了一系列綜合維修處置措施，使該橋梁在短期內(nèi)重新投入正常使用，并通過(guò)三年的跟蹤監(jiān)測(cè)得出該方案對(duì)因梁底支撐面不水平引發(fā)的墩柱偏位等衍生病害能實(shí)現(xiàn)有效解決。

綜合此類橋梁病害特征與綜合處置效果，可得出如下結(jié)論。

第一，針對(duì)坡度較大的橋梁，施工時(shí)需重視對(duì)精度的控制，尤其是支座上下支撐面的施工，并確保梁底支撐面的水平。

第二，如果橋梁梁底傾斜面未達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范，可以通過(guò)在梁底設(shè)置調(diào)平楔形鋼板實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐面的調(diào)平，從而避免支撐面不水平的現(xiàn)象發(fā)生。

第三，如果墩柱底部并未出現(xiàn)明顯的橫向裂縫，且偏位對(duì)墩柱底部附加的作用力小于整體承載能力，則只需對(duì)墩柱加以糾偏復(fù)位，并更換新型球型支座，而無(wú)須對(duì)其進(jìn)行維修加固。