某橋墩身重新澆筑修復施工方案探討

■陳燕蘭

（1.福建省交通科學技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運工程重點試驗室，福州350004）

某橋墩身重新澆筑修復施工方案探討

■陳燕蘭1,2

（1.福建省交通科學技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運工程重點試驗室，福州350004）

本文針對我省某橋墩柱頂部數(shù)米范圍內(nèi)混凝土強度不足問題，提出在蓋梁兩側(cè)采用鋼管柱搭設雙排支架，將橋梁上部結(jié)構(gòu)整跨頂起，將墩柱混凝土強度不足部位全部鑿除后重新澆注的修復施工方案。實踐證明該橋墩修復方案是一個快速、簡便、經(jīng)濟的修復方案，安全度高，施工方便可行。

橋梁墩柱混凝土強度修復施工

1 工程概況

福建省海峽西岸經(jīng)濟區(qū)高速公路多以橋梁為主，某橋左幅上部結(jié)構(gòu)為（5×25+6×25+6×25+4×25m）m預應力混凝土連續(xù)T梁，橋面寬度為0.50m（防撞欄）+11.00m（行車道）+0.50m（防撞欄），橫截面由5片T梁組成。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、樁基礎。預制梁、橋面鋪裝均為C50混凝土，墩帽、墩身均為C30混凝土。設計荷載：公路-I級。

在交工檢測過程中發(fā)現(xiàn)，該橋跨14-1#墩距蓋梁頂部2.6m范圍內(nèi)混凝土強度不足，達不到設計要求[1]。經(jīng)分析成因大致如下：澆筑該區(qū)域時泵送混凝土粗骨料含量較低導致混凝土級配達不到設計要求，最終降低了該區(qū)域混凝土強度。

對此，該橋墩已嚴重影響橋跨結(jié)構(gòu)的安全性[2]，結(jié)構(gòu)上需棄用該橋墩或?qū)ζ溥M行結(jié)構(gòu)補強加固處理。經(jīng)過專家組對多種方案比選，最后采納保留原墩柱結(jié)構(gòu)，將原墩柱混凝土強度不足部位全部鑿除后重新澆注的修復施工方案。

2 修復方案

根據(jù)設計要求及現(xiàn)場實際情況，采用修復施工方案[3]為：在14#墩蓋梁兩側(cè)采用鋼管柱搭設雙排支架，用千斤頂將橋梁上部結(jié)構(gòu)整跨頂起，并對蓋梁進行有效加固，然后將墩柱混凝土強度不足部位全部鑿除并重新澆注。其施工工藝流程見圖1：

3 施工工藝

3.1 支架及基礎施工

支架施工采用縱式鋼管貝雷梁支架方案：在墩柱兩側(cè)每側(cè)支撐架立6根直徑為630mm、壁厚10mm的鋼管柱，橫向間距4.8m，縱向間距1.5m，鋼柱中心距墩柱邊180mm，鋼管底部采用四方對角焊接。鋼管柱架立在現(xiàn)澆臨時基礎上，示意圖如圖2。

鋼管柱下端立于預埋鋼板上，并按規(guī)范焊接牢固，鋼管柱上端割300mm深鋼槽，橫向放置長12m雙排I40b工字鋼，共8根。每排鋼管柱中間用槽鋼焊接Z字型支撐，增加其穩(wěn)定性。工字鋼上方架設貝雷梁，每片貝雷片尺寸為1.5m×3m×0.18m（h×l×b）。橫向布置貝雷片15道，每片T梁底部置3道，間距為0.45m，支點均在工字鋼豎向節(jié)點處。貝雷梁上方橫向布置3根間距為40cm、長為12m的I14b工字鋼。為確保支架穩(wěn)定性，用鋼筋將支架和I14b工字鋼焊接固定，如圖3所示。

圖1 施工工藝流程圖

圖2 鋼管立柱貝雷梁支架示意圖

圖3 鋼管立柱支架圖

鋼管立柱及貝雷梁支架施工，關(guān)鍵要解決地基沉降和支架變形兩大問題。為確保施工安全，應先進行地基處理，同時保證支架具有足夠的強度、剛度和均勻沉降。而且頂升過程中，需時刻監(jiān)測控制地基實際沉降量、支架變形量以及支架的整體穩(wěn)定性[4]。

3.2 支架承載力驗算

3.2.1 計算荷載

本工程支架搭設位于墩柱兩側(cè)，且對稱分布，每側(cè)受力情況相同，故荷載計算時只驗算單側(cè)受力情況即可。

（1）大橋第14、15跨T梁長25m，梁高1.7m，每跨自重539.9t；

（2）橋跨結(jié)構(gòu)下每側(cè)設置15排普通型單層貝雷梁，每片重270kg；

（3）荷載安全系數(shù)取1.2。

根據(jù)計算：千斤頂所承受壓力為3661kN。

3.2.2 貝雷縱梁受力計算

支架縱梁采用321型貝雷梁五排單層不加強形式進行布置，間距0.45m。貝雷片縱向采用[10號槽鋼作為橫向聯(lián)系，并用U形卡扣扣住聯(lián)成整體使每排貝雷片受力均衡。

由《路橋工程施工常用數(shù)據(jù)資料與計算速查手冊》可知貝雷架幾何特性和允許內(nèi)力見表1：

表1 貝雷架幾何特性和允許內(nèi)力表

貝雷架材料的彈性模量E=205000 N/mm2。

梁底標準斷面布置15片貝雷片，總荷載3671.5 kN。

貝雷片整體能承受的最大彎矩：

按簡支梁，貝雷梁最大彎矩：M=1836×1.5/2= 1377kN·m

抗彎安全系數(shù)：n=[M]/M=11823/1377=8.6

最大剪力：[Q]=245.2×15=3678kN

貝雷梁梁端最大剪力：Q=1836 kN

抗剪安全系數(shù)：n=[Q]/Q=3678/1836=2.0

以15片單層貝雷梁作為整體，按簡支梁其跨中撓度：Wmax=fl3/48EI=0.03mm

貝雷梁整體剛度、抗彎強度和剪力均滿足要求。

3.2.3 工字鋼主橫梁受力計算

橫梁采用兩根I40b工字鋼，縱向按貝雷片跨度布置，且雙排貝雷梁上有工字鋼分配梁。考慮到每組貝雷梁受力均相同，且柱底為混凝土擴大基礎，因此受力按簡支梁進行計算。

以鋼管最大跨徑4.8m對工字鋼受力進行計算：

經(jīng)計算其強度及剛度均滿足受力要求。

3.2.4 鋼管穩(wěn)定性驗算

立柱采用Φ630×10mm鋼管，橫向每排3根，共4排，最長鋼管以14.45m計，鋼管立柱在高度方向橫向設置兩道平聯(lián)，平聯(lián)設置于鋼管立柱高度方向5m位置，并設置斜撐，共同形成Z字型支撐，鋼管最大軸力Nmax= 612kN，臨時結(jié)構(gòu)容許應力系數(shù)提高1.3。

[N]=A·[σ鋼]=1976kN

支墩處最大反力N=612 kN

安全系數(shù)n=[N]/N=1976/612=3.2

蓋梁位置最大反力N=359 kN

安全系數(shù)n=[N]/N=1976/359=5.5

因此鋼管立柱穩(wěn)定性滿足要求。

基礎采用鋼筋混凝土條形基礎，基礎下層夯實碾壓，壓實度不小于95%，并對壓實度進行檢測。將橋位區(qū)地基處理好后，在基礎中鋪設2層尺寸為11.9m×3.9m的15× 15鋼筋（Φ16）網(wǎng)片，澆筑12m×4m×3m的C20混凝土臨時基礎，基礎下2m采用片石混凝土澆注，上1m采用鋼筋混凝土澆注，并在臨時基礎上預埋10mm厚鋼板。

同時根據(jù)現(xiàn)場情況做好截排水工作，即在支架基礎范圍外2m做50cm×40cm的排水溝，排水溝縱坡不小于3%。

3.3 頂升施工

（1）千斤頂布置

根據(jù)設計要求及現(xiàn)場實際情況，頂升施工時共布置12個千斤頂，如圖4所示。蓋梁底布置2個60t自鎖式液壓千斤頂，在墩柱兩側(cè)T梁底部各布置5個150t超高壓薄型千斤頂，間距2.4m，千斤頂?shù)撞坎贾?00mm×700mm鋼板，千斤頂中心距墩柱中心3.25m，如圖5。根據(jù)受力計算，蓋梁位置千斤頂所受反力分別為369kN和169kN。蓋梁頂升施工時采用自鎖式液壓千斤頂，為保證施工安全，施工時千斤頂頂升壓力分別控制為380kN和180kN。

橋跨結(jié)構(gòu)頂升時要有專人指揮，保證10臺千斤頂同時工作，當連續(xù)段底面距橡膠支座1cm時，停止頂升作業(yè)并采用臨時支座固定。臨時支座采用直徑30cm，壁厚10mm鋼管，鋼管內(nèi)澆注C50混凝土。

（2）沉降觀測

為實時觀測支架變形情況，在觀測點處的工字鋼上向下垂直吊一槌球，對應地基上固定點位，在支架頂升及后續(xù)施工中，指派專人24h觀察槌球與固定點位的相對位置變化，并做好記錄。

頂升作業(yè)完成后，要繼續(xù)對支架進行觀測，觀測時間不少于3天，每次觀測都要根據(jù)觀測記錄計算支架在兩次觀測時間之間的沉降情況。當支架不再發(fā)生形變時，方可進行后續(xù)施工。

在橋面上方14#墩頂位置布設觀測點，共設5個觀測點，分別位于每片T梁中心位置處。頂升作業(yè)前、中、后各做一次觀測，作好記錄。

3.4 墩柱施工

頂升作業(yè)完成后，繼續(xù)對支架進行觀測，支架穩(wěn)定后，方可墩柱施工，主要施工工藝如下：搭設工作平臺→墩身鑿除→安裝鋼筋→安裝模板→混凝土澆注→拆模養(yǎng)護。

支架搭設并驗收合格后，用風鎬對墩身混凝土不合格部位進行鑿除，施工中嚴禁風鎬碰撞主筋。施工中若發(fā)現(xiàn)主筋有損傷，須在監(jiān)理工程師同意的情況下進行補強。鋼筋保護層墊塊采用高強度圓餅形混凝土墊塊，墊塊同一斷面上設置4塊，間距1m。

模板采用組合鋼模板，現(xiàn)場安裝。為保證模板的豎向穩(wěn)定性，在鋼模外側(cè)拉3根風纜固定模板。模板與腳手架之間應相互獨立，以免在腳手架上人工操作時引起模板變形。施工時在墩柱模板上方預留30cm孔洞，并制作漏斗。為保證混凝土強度，墩柱施工時混凝土采用C50混凝土，坍落度控制在15±2cm，采用汽車泵施工。為了保證墩柱與蓋梁底部密實，在墩柱模板上方預留壓漿孔，在墩柱施工完成后，采用壓漿機壓注標號為C50水泥漿，水泥漿采用專用壓漿料拌制。在模板預留孔洞處采用插入式振搗，為保證混凝土振搗密實，在模板外側(cè)安裝2臺附著式振動器。

圖4 千斤頂平面布置示意圖（單位：m）

圖5 千斤頂平面布置圖

圖6 重新澆筑后墩身示意圖

在混凝土強度達到設計強度85%時即可拆模板，拆除時須按順序拆卸，防止撬壞模板和碰壞結(jié)構(gòu)。養(yǎng)護時采用塑料薄膜覆蓋。每天灑水次數(shù)視環(huán)境濕度與溫度控制，但要保證混凝土表面處于濕潤狀態(tài)，養(yǎng)護結(jié)束墩身如圖6。

4 加固效果檢測

在墩柱修復部分混凝土強度達到100%設計強度后，可緩慢卸載千斤頂所施加荷載，按順序拆除支架部件，并對其外觀、強度及沉降進行檢測。

4.1 外觀及強度檢測

經(jīng)專家組檢測發(fā)現(xiàn)墩柱修復部分的外觀及強度均達到或超過了設計要求。墩身混凝土填充密實,未發(fā)現(xiàn)掉塊漏筋、蜂窩麻面等病害。同時墩身結(jié)構(gòu)尺寸、鋼筋保護層厚度、垂直度均達到設計要求。混凝土強度檢測表明，修復部分強度超過設計強度，同時修復部分與原墩身及蓋梁對接處無砂漿填充空隙，墩柱及蓋梁為統(tǒng)一整體。

4.2 沉降觀測

在14-1#墩、14-2#墩柱等高位置處分別設置4個沉降觀測點，觀測點布置如圖7所示，采用全站儀對其沉降進行觀測，觀測期次及結(jié)果如表2：

圖7 橋墩沉降測點布置圖

表2 橋墩測點沉降數(shù)據(jù)表

由表2觀測結(jié)果可知，各測點沉降較小，其中測點1、2、4沉降累計量小于0.35mm，沉降變形較穩(wěn)定。測點2沉降量隨觀測期次沉降量逐漸增大，累計沉降量達到0.70mm后趨于穩(wěn)定，其原因可能是支架拆除后墩身混凝土受壓變形。

5 結(jié)論

目前14-1#墩已完全修復，經(jīng)過對墩身修復部分的檢測，墩身混凝土填充密實，外觀及強度達到設計要求，沉降趨于穩(wěn)定。目前大橋已竣工并通過了交工驗收，質(zhì)量優(yōu)良。實踐證明該橋墩修復方案是一個快速、簡便、經(jīng)濟的修復方案，安全度高，施工方便可行，可為類似工程提供參考。

[1]CJJ2-2008，橋梁工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[2]JGJ59-99，建筑施工安全檢查標準[S].

[3]JTG/T F50－2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]GB50204-2002，混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量及驗收規(guī)程[S].