城市匝道橋梁病害維修改造方案及有限元仿真驗算

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隨著城市交通的快速發展，我國公路橋梁的建設不斷推進，然而由于施工質量不佳、車流量大、超載、管養不到位等原因，橋梁病害頻繁地出現。橋梁伸縮縫作為橋梁的重要構件之一，其服役性能直接影響著橋梁整體結構的安全性與行車舒適性，而根據近年來的研究及相關檢查，大量的橋梁存在梁端縫隙過大或者過小等病害問題，這將對橋梁的長期服役性能和耐久性能造成很大的影響，因此需要對此展開深入研究。文章以某城市匝道橋為工程背景，對梁縫病害的診治方法進行研究。

1 項目概況

某城市匝道橋梁上部結構采用斜腹板連續箱梁，基礎均采用鉆孔灌注樁，橋臺采用組合式橋臺，設計荷載為城-A級，橋面鋪裝為9cm瀝青混凝土，調平層為6cm玻璃纖維混凝土。匝道橋全長163.16m，橋梁寬度為9m（凈寬8m），跨徑組合為2×3×30m，除與主線相連伸縮縫采用D120伸縮縫外，其余均采用D80伸縮縫。橋梁位于半徑R=200m的圓曲線上，縱坡為-3.43%。原設計采用D80伸縮縫和D120伸縮縫，均為單縫構造。

在某次現場調查中發現該匝道中間交接墩墩梁端間隙偏大（原設計為8cm，目前約為14cm），另外一處墩間隙過小，上寬下窄（1～3cm）。匝道過渡墩處梁端間隙過小，當梁體整體升溫時，梁體伸長造成梁端混凝土相互擠壓，存在結構安全隱患。

2 維修改造方案

2.1 梁縫病害診治

目前對于梁端間隙過小病害的處治，較常用的方法是用繩鋸切割梁端混凝土截面。綜合考慮既有結構的構造特點、安全性及交通管制等方面，該工程梁端病害處治采用滑板頂推梁體方法，使梁體往小樁號側平移B值（根據頂推施工時環境溫度和橋梁伸縮需要而定）。

采用頂推技術可以較好地從橋底開展作業，不需要長時間進行交通管制，僅在頂推過程約3h進行交通管制，同時伸縮縫也可不進行更換。該方法的主要風險在于頂推過程中如何確保梁體不側翻及下滑，精準頂推小距離目標位移，并充分考慮各項預防措施，將風險降至最低。

2.2 頂推裝置

頂推裝置由滑板底座及滑板小車組成，滑板底座上設置反力裝置，底鋼板頂面設置2mm厚鏡面不銹鋼板，與滑板小車下MGB工程塑料合金板形成整個頂推裝置的滑動體系，如圖1、圖2所示。當豎向千斤頂頂起梁體約3～5mm后，水平千斤頂開始工作，推動滑動小車前行，從而使該聯梁體沿縱橋向移動。水平千斤頂采用液壓千斤頂，行程可采用100mm；豎向千斤頂應采用自鎖式液壓千斤頂。

圖1 頂推裝置平面示意圖

圖2 頂推裝置立面示意圖

2.3 頂推工藝

施工時首先搭設每個橋墩的工作平臺，對梁端間隙進行再次測量，并根據頂推時的氣溫確認最終頂推目標位移，然后根據頂推目標位移復核每個橋墩處梁底楔塊鋼板。由于梁體整體向下坡側移位，如果梁底楔塊鋼板尺寸不滿足支座頂鋼板尺寸要求，應對梁底楔塊鋼板進行接長處理。該聯梁體處于曲線上，安裝頂推設備時應注意平行于分孔線與曲線相交點的切向設置，并保證頂推底座的水平。同時，結合管養單位養護時間，不需要單獨進行交通管制。

頂升前，應解除每個墩柱支座頂鋼板與梁底楔塊預埋鋼板的連接，當確認無誤后，開始進行同步頂升作業，同步頂升高度不應超過5mm。頂推位移按照目標位移分級頂推，首次頂推位移為1cm，對相應頂推裝置、梁體外觀以及C3#墩記號線兩側位移進行觀察和測量，沒有異常現象后，按照一次2cm，總共分3次進行頂推，每次頂推結束后，均應進行第一步相應的工作內容，確認無異常情況后方可進行下一級頂推。頂推完成后，開始落梁，各支座按照設計狀態恢復。

2.4 重難點

改造項目不同于新建項目，該工程采用的頂推裝置需要結合墩頂空間、支座位置、梁底楔塊、梁底距墩頂的凈距以及滿足滑動頂推的功能要求。頂推目標位移的確定需要滿足下列條件：（1）當一聯支座通過支座更換滿足原設計要求后，梁體升溫時，橋墩處兩側梁體不應抵死；梁體降溫時，橋墩處兩側梁體間隙不應過大。（2）橋墩處伸縮裝置采用D80型號，梁端間距根據設計要求為5～13cm。通過頂推目標位移后，梁體升溫時，橋墩處兩側梁體間隙不應小于5cm；梁體降溫時，橋墩處兩側梁體間隙不應超過13cm。

由于該聯梁體縱斷面位于縱坡為-3.43%坡度上，在頂推施工中，梁體存在下滑的安全隱患。通過在墩梁端間隙設置超薄千斤頂，且在頂推過程中任何階段都保證千斤頂與梁端有5mm的間隙，預防梁體下滑。防下滑千斤頂個數根據全聯頂推力和全聯恒載沿縱坡的分量乘以1.3倍確定，最終采用2個100t千斤頂，通過支架置于梁端間隙。

3 計算

建立橋梁的有限元模型，如圖3所示，計算各支座處支反力大小，以便確定千斤頂的型號、個數以及布置方式。在梁體頂升過程中未封閉交通，因此需要考慮活載影響。恒載主要是橋梁結構自重，包括護欄、橋面鋪裝、橫隔梁等的重量，頂升力考慮1.5倍的安全系數。

圖3 有限元計算模型

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)規定，該橋應進行抗傾覆驗算，同時根據抗傾覆驗算結果指導橋面交通管制，防止梁體頂升或持荷過程中突遇橋面大噸位車輛荷載而引起傾覆失穩直至橋梁垮塌的惡性事故的發生。經過計算，其穩定系數為26，滿足規范的規定要求。

由于該聯梁體位于半徑R=200m的圓曲線與緩和曲線上，縱橋向頂推時，梁體將產生一定的剛體位移和變形位移。考慮4個墩柱點的頂推力，利用力的矢量合成（不考慮平面彎矩影響，因為平面內梁體剛度足夠大）。不管是縱橋向還是橫橋向頂推力引起的相應方向的力，引起的變形位移均可忽略，尤其是橫橋向力僅占總頂推力的20.7%，影響可忽略不計。剛體位移以現場梁體狀態為初始狀態，以橋墩對應梁端線垂直于梁端方向產生7cm位移為目標狀態。經分析，在不考慮任何措施的情況下，對應墩柱所在截面剛體位移最大為2.3cm，實際上當千斤頂頂推方向沿墩柱所在曲線切向布置時，上述剛體位移會更小。

根據上部結構傳遞恒載反力，頂升力考慮1.3倍的安全系數，取內嵌MGB工程塑料合金板摩擦系數0.1，得出單側滑板頂推力為397kN。

由計算結果可知，頂推鋼板最大應力為217.1MPa（如圖4所示），鋼板絕大部分應力水平較低，滿足Q235材料強度的要求；頂推鋼板最大位移為0.2mm（如圖5所示），鋼板變形較小，滿足要求。

圖4 頂推鋼板應力云圖（單位：MPa）

圖5 頂推鋼板位移圖（單位：mm）

4 結束語

由上述研究可知，公路匝道橋梁在使用過程中會出現梁端間隙過小的現象，在整體升溫時會造成梁體伸長擠壓問題，容易導致結構安全隱患，需要引起管養部門的重視。采用頂推技術不需要長時間進行交通管制，可快速完成梁縫過小病害的診治，風險低。頂推位移根據需要按照目標位移分級頂推，經過計算分析可知，在頂推過程中的梁體傾覆穩定性、頂推鋼板受力和變形均滿足規范要求，該方案安全可靠。