某匝道橋支座更換整體頂升關鍵技術淺析

郝海峰，徐 凱，李廷斌

（西安市政設計研究院有限公司,陜西 西安 710068）

某匝道橋支座更換整體頂升關鍵技術淺析

郝海峰，徐 凱，李廷斌

（西安市政設計研究院有限公司,陜西 西安 710068）

隨著橋梁頂升技術,特別是液壓同步頂升技術的飛速發展,支座更換頂升方案得到越來越多的應用。現結合某連續梁匝道橋整體頂升更換支座工程實例,對頂升工程中涉及到設計、施工、監測等方面問題提出某些探討,為其它類似頂升更換支座項目提供有益的參考。

連續梁橋；支座更換；加固設計；整體頂升；頂升監測

0 引言

隨著橋梁頂升技術特別是液壓同步頂升技術的飛速發展,頂升方案得到越來越多的應用。這其中,尤以在現澆連續箱梁橋改造中的應用更為突出[1]。在不改變上部結構完整性,不影響連續梁上部結構承載能力的情況下,達到更換支座增加原橋壽命周期的目標,使該方法具有無可比擬的優越性。現基于前人研究的基礎,結合某連續梁匝道橋整體頂升更換支座工程實例,對頂升工程中涉及到設計、施工、監測等方面的問題提出某些探討[2]。

1 工程概況

鋼板順橋向兩板端高差最大為2.3 cm（傾斜度約為3.8%）,向橋臺（北）傾斜,即墩柱裂縫側的背面,第9跨、第10跨、第11跨、第12跨墩臺支座頂面傾斜度平均為2.5%左右。

某互通式立交橋梁全長為256 m,分三聯,跨徑組成為[（4×20）+（20+2×25+20）+（4×20）]m。橋梁上部結構采用單箱三室鋼筋混凝土連續箱梁,梁高均為1.3 m。下部結構為雙柱式橋墩、肋板式橋臺,基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。

該橋于2007年通車,2012年4月,巡查人員發現,匝道橋10#橋墩出現水平裂縫,并以10#墩曲線內側橋墩的病害更為突出,并且第三聯支座出現了不同程度的剪切變形,對橋梁安全造成隱患。根據橋梁外觀查看結果,發現該橋存在如下病害。

1.1 支座剪切變形（見圖1）

經檢查,第三聯橋梁支座均發生不同程度的剪切變形,方向均為大樁號側,墩臺盆式支座頂面

圖1 支座剪切變形測量及示意圖

1.2 10#橋墩裂縫

10-1#橋墩墩柱側面共4條裂縫,基本位于地面以上1.5 m范圍內,裂縫長度在0.9～1.9 m,寬度在0.04～0.06 mm范圍內,縫呈現兩端窄,中間寬的形態。裂縫發生在小樁號側。10-2#橋墩墩柱側面共出現13條水平裂縫,裂縫基本位于地面以上1.5 m范圍內,長度在0.8～2.4 m,寬度在0.02～0.2 mm范圍內,縫呈現兩端窄,中間寬的形態。裂縫發生在小樁號側。

2 匝道橋加固方案

2.1 病害原因分析

根據檢測結果,10#橋墩的裂縫數量多,最大裂縫寬度達到規范限制值,經判斷為典型的結構受力性裂縫。由于發生裂縫的橋墩僅為10#墩,位于第三聯的中孔位置,根據受力特點,推斷產生病害的原因主要為縱向水平力引起墩柱靠近墩底一定范圍內產生較大的彎矩,從而造成墩柱出現水平裂縫,支座發生剪切破壞。具體原因分析如下:

（1）該橋第三聯平面位于R=500 m的圓曲線和A-70的緩和曲線上,10#墩恰位于平曲線半徑最小處,且此處縱斷面為下坡路段,車輛行駛至10#墩柱附近經常緊急制動以降低車速,會對其產生較大的汽車制動力,尤其以曲線內側10-2#墩柱受力更為不利。

（2）由橋梁支座設置的情況（見圖2）來看,除10號墩（10-2#）對應的支座為固定支座外,其余均為單向支座。因此,10-2#橋墩類似兩端固定桿件,在縱向水平力的作用下,受力呈“弓弦狀”狀態, 10#墩結構受力不利。

圖2 第三聯更換后支座類型設計示意圖

（3）縱向水平力作用在橋面上,使主梁與橋墩均產生變位,但橋墩變位相對較大,導致第三聯的支座整體發生向12#橋臺方向地剪切變形。

2.2 橋梁維修加固設計

為確保橋梁的安全運營和耐久性,必須對其加固修復。結合橋梁現階段裂縫分布、結構計算等基本狀況,提出以下加固目標及措施。

2.2.1 加固目標

（1）恢復橋墩剛度,提高其承載能力；（2）更換支座,恢復使用功能。

2.2.2 加固措施

鋼筋混凝土柱的開裂影響墩柱的剛度和強度,必須加固處理。對墩柱的處理為噴漿、封閉裂縫后外包混凝土,提高其承載能力；對支座的處理為采用頂升法將其更換。

（1）10#墩柱外包混凝土加固；

（2）第三聯整體更換支座。

第三聯支座均有不同程度的剪切變形,需將其全部更換。為減弱縱向水平力對墩柱受力的影響,采用曲線外側支座類型更換為雙向支座,曲線內側除10#墩為固定支座,其余為單向支座的支座布置形式,支座噸位按原設計噸位。

3 支座更換要點

3.1 支座更換原則

新支座安裝后,主橋縱橋向標高值和應力值應恢復或接近初始值,標高和應力差值不應超過相關規定。

3.2 支座更換過程

3.2.1 支座頂升方案

整個頂梁工作分為:承臺施工—支架搭設—同時起頂—更換支座—箱梁回落—恢復橋梁伸縮裝置。

3.2.1.1 承臺施工

根據樁位平面圖及主要軸線,使用水準儀定向,鋼尺量距,確定基礎位置,平整頂升支撐體系場地,用夯實機進行夯實,待承載力達到要求后,綁扎鋼筋,安裝模板,澆筑支撐體系基礎,并同時預埋所需預埋件（見圖3）。

圖3 臨時支撐基礎承臺施工圖

3.2.1.2 支架搭設

型鋼立柱支架搭設由于位于橋梁底下,采用裝載機配合挖掘機的方法吊裝,每墩位處支架立柱采用8根2I32b型鋼立柱,支架立柱之間用剪刀撐進行平聯,頂升平臺采用2I32b組合型鋼搭設而成,型鋼立柱直接支承在基礎上,型鋼立柱用三角鋼板加勁滿焊于柱腳鋼板上。

在各墩頂升平臺位置安放相應噸位千斤頂（安全系數2倍以上）,進行油泵系統連接,形成頂升梁體系統（見圖4）。

圖4 頂升平臺安放千斤頂之實景

3.2.2 頂升施工工藝及要點

3.2.2.1 前期準備工作

（1）根據樁位平面圖及主要軸線,使用水準儀定向,鋼尺量距,確定基礎位置。

（2）根據現場實際情況,制定頂升方案,搭設頂升所需支撐,箱梁主要控制截面建立觀測點并粘貼應變計。

（3）墩兩側設置臨時頂升平臺。

3.2.2.2 梁體起頂

箱梁采用一次性整體頂升的方法。千斤頂采用分級加載的辦法進行起頂,使梁體脫離原支承體系,平托于各墩所設置的臨時支承上,各墩位所設置豎向千斤頂同步加載。

3.2.2.3 更換支座及落梁

取出舊支座前應拍照記錄其缺陷狀況,并在支承墊石上標出支座位置中心線,同時在橡膠支座上也標出十字交叉中心線,將橡膠支座安放在墊石上,使支座的中心線與墩臺的設計位置中心線重合。迅速清理放置支座處,確保無砂粒等雜物,安放新支座到原位置。新支座放置完成后開始落梁。為防止梁體損壞,或出現偏壓等現象,落梁時應緩慢進行,且各個千斤頂應同步進行。

3.2.2.4 箱梁頂升要求

（1）頂升主梁時,要求每個千斤頂的頂升速度均勻,主梁頂升必須同步。每級頂升就位后,停止30 min,觀察梁體的受力變化（對梁體變形、位移進行監控）,并對各墩位移進行調整,確保各墩頂升位移量相同。

（2）頂升時,在箱梁橫梁處底面與千斤頂間設置鋼梁,并在臨時支撐上用鋼板填充頂升間隙,隨頂隨墊,以防止千斤頂因意外事故突然失靈而造成事故。

（3）頂升到位后,進行臨時支墊,支墊裝置采用GJZ350×350×96板式橡膠支座,一側設置5個,支墊過程不可放松千斤頂。

（4）支墊完成取出舊支座后,在安放新支座前,需在支座位置定位,以確保支座位置準確。

（5）支座安放完畢,先將梁底臨時支墊解除,然后按起頂的逆順序下落梁體就位。

4 支座更換施工監控要點

根據支座更換的施工步驟和組織,支座更換施工過程監測主要從以下幾個方面進行。

4.1 標高監測

4.1.1 布置基準點和撓度測點

在施工過程中,采用梁體整體同步頂升。為監測頂升及更換支座施工期間梁體的變形情況,測量支座更換后主橋的線形變化,因此需要對施工前后的橋面標高進行監測。該項目在主橋各跨跨中和墩頂處距兩側防撞欄各50 cm處橋面布置撓度觀測點,具體觀測點布置圖見圖5所示,共布設2個基準點,18個撓度測點。

圖5 撓度測點立面及平面布置圖（單位:cm）

4.1.2 主梁底標高測量

在頂升過程中,頂升量按照千斤頂行程及毫米尺垂直測量,并在箱梁下緣(橋墩頂部)布置撓度測點,在每個墩頂支座墊石上設置百分表,對頂升高度進行精確測量和監控,采取雙控措施。

4.1.3 反力基礎沉降觀測

在頂升過程中,在擴大基礎上設置觀測點,利用其進行全程監測,如發現沉降過大,立即停止頂升,待查明原因,采取措施后,再繼續頂升,以防止發生意外。每級頂升橋墩下沉量,如30 min內不大于0.1 mm即可認為穩定,可以進行下一級頂升。

4.2 控制斷面應力監測

在梁體的整體頂升過程中及各墩墩頂支座更換前后,由于各墩頂箱梁頂升的微小高程差均會在墩頂及跨中關鍵截面產生附加應力,因此必須對梁體關鍵部位的應力變化予以監控,以保證施工安全及指導支座更換施工。該項目在每跨跨中,墩頂共3個控制截面建立的應力監測斷面,應變測點分布在梁底及腹板兩側（見圖6～圖8）。

圖6 應變測點布置斷面示意圖（單位:cm）

圖7 箱梁跨中截面梁底應變觀測點設置示意圖

4.3 裂縫觀測

在頂升過程中,需在各跨墩頂及跨中位置,粘貼白紙或石膏板,通過其變化來觀測裂縫。加強對主梁關鍵控制截面的觀測,若梁體局部承壓過大或出現裂縫等情況,應停止頂升,并在做好分析其嚴重程度之后才能決定是否繼續頂升。

4.4 現場監控具體實施步驟

4.4.1 標高監測

（1）支座更換前讀取橋面標高初值一次。

（2）在支座更換過程中,按照實際頂升行程,每頂升一個行程對橋面撓度點觀測一次。

（3）支座更換完畢,主梁下降復位穩定后,進行最后一次橋面標高的監測。

在頂升時,橋墩沉降測量采用精密水準儀（見圖9）。在橋梁兩側適當部位各架設一臺水準儀進行觀測,在每個基礎上設置鋼筋頭作為觀測點（測點位置可根據現場情況予以調整）；頂升量按照千斤頂行程和毫米尺垂直測量,并在箱梁下緣(橋墩頂部)布置撓度測點,采取雙控措施。

圖9 頂升過程中橋面標高測量之實景

支座頂升分為三級,第一級頂升量:0.3 cm；第二級頂升量:0.3 cm；第三級頂升量:0.4 cm,累計1 cm。每級頂升的觀測時間規定為:每級頂升完畢后,持荷30 min觀測一次；累計1 h后,每隔30 min觀測一次。隨時監測各點頂升量,使各塊主梁保持一致,以避免出現頂升差異造成開裂,各千斤頂頂升量差異控制在0.5 mm以內。

圖10為梁底頂升高度監測之實景。

圖10 梁底頂升高度監測之實景

4.4.2 應力監測

（1）在支座更換開始之前讀取各控制斷面應力應變初值一次。

（2）在支座更換過程中,各應力斷面進行實時監測,千斤頂每頂升一次,各測試斷面測點進行一次讀數。更換支座期間,梁體產生最大應力不超過活載作用下梁體產生的應力,通過計算,其允許最大應力變化值控制在0.2 MPa以內。如應力變化異常,應立即停止施工頂升,查清原因后方可繼續施工,以防止結構開裂、保證結構安全。

（3）支座更換完畢,主梁下降復位穩定后,進行梁體關鍵斷面控制應力的測量。通過支座更換前后梁體的實測應力對比,判定結構是否基本回復原有狀態,梁體是否存在附加應力。

圖11為梁底控制截面應力監測之實景。

圖11 梁底控制截面應力監測之實景

4.4.3 監測結果

通過對頂升全過程監測和最后檢測表明,每個墩柱主梁頂升高度均達到更換支座要求；主梁縱向坡度和高程及縱、橫向位移均符合要求；頂升過程中應力變化在可控范圍之內,同步頂升主梁沒有產生裂縫,落梁后高程與原設計高程基本吻合。考慮到高速公路無法長時間中斷交通的因素,采取僅在頂升箱梁時封閉橋面交通,其余加固施工期間對橋面交通進行管制的施工方案,最長中斷交通的時間為5 h。目前該橋加固施工已經完成,橋梁運營狀況良好。

5 結語

本文闡述了連續梁頂升更換支座的加固設計要點、施工工藝及頂升施工過程中的監測要點,依據現場實測數據驗證了其可實施性與安全性,并得出以下結論:

（1）在整體頂升方案的設計前,需對既有橋梁存的在病害進行全面檢測,尤其是結構本身承載力進行判定,做好相應的加固設計,確保頂升前結構的安全性。

（2）在頂升過程中,為保證橋梁的整體姿態所進行的監測,包括結構的平動、轉動、傾斜等位移監測、全橋關鍵截面應力狀態監測及裂縫監測。為了保證其頂升過程中的安全,必須嚴格按照加固設計的頂升步驟進行分級監測,嚴格控制誤差范圍,將監測貫穿于頂升全過程中。

（3）橋梁頂升更換支座后,與頂升前相比,結構受力狀態、位移狀態變化不大,且使用性能得到了較大的改善。橋梁整體頂升更換支座方案為一種經濟、快速、安全的橋梁加固方法,是一種值得大力推廣的加固技術。

通過對該連續梁匝道橋整體頂升更換支座工程實例的分析研究,驗證了該項頂升方案的設計及其施工、監測方案的可實施性,也為今后類似工程提供了參考。

[1]桂學.橋梁頂升技術研究[D].陜西:長安大學,2005.

[2]李志峰.橋梁同步頂升技術的研究與展望[J].山西建筑,2010, (28):297-2988.

U443.36

B

1009-7716（2017）07-0131-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.038

2017-03-23

郝海峰（1985-）,男,陜西榆林人,工程師,從事橋梁工程設計工作。