既有立交橋搶險臨時支撐結(jié)構(gòu)設計及分析

莊泳浩

廣州市市政工程設計研究總院有限公司 510060

引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通量迅猛增加，一些年代久遠的橋梁，在沉重交通荷載及繁重交通量的作用下，橋墩會受到不同程度的影響，發(fā)生各種病害，有的已經(jīng)威脅著過往人車的安全，迫切需要加固與維修；有些橋墩受到車輛的撞擊而損壞，急需搶險加固［1］。而加固維修這些存在病害的橋墩或搶險加固受撞擊的橋墩，從立項、檢測、設計到施工完成消除病害的威脅，通常需要經(jīng)歷一段較長的時間。在這段時間內(nèi)，當需繼續(xù)保持橋上交通時，如何通過設置臨時支撐進行搶險，確保交通運輸及行人的安全是目前和今后面臨的重要課題。采用鋼管柱作為臨時支撐一般運用于橋梁上部箱梁現(xiàn)澆施工［2］，或者用于既有橋梁的頂升改造［3］及上部結(jié)構(gòu)頂升糾偏［4］，或者用于既有橋梁支座更換［5］，而用于搶險或加固維修的工程案例較少。

本文通過客村立交搶險工程，探索在不中斷交通的基礎(chǔ)上設置臨時支撐進行支頂?shù)膿岆U方案，以防止病害橋墩突然失效引發(fā)上部結(jié)構(gòu)的垮塌，確保客村立交環(huán)形轉(zhuǎn)盤橋正常使用。

1 工程背景

1.1 工程概況

客村立交位于廣州大道和新港中路相交處，是廣州大道通向海珠區(qū)和琶洲地區(qū)轉(zhuǎn)換的重要節(jié)點，工程建成于1989 年。客村立交形式為環(huán)形，共四層，頂層（第四層）為新港中路東西方向高架橋；第三層（轉(zhuǎn)向?qū)樱殚]合型連續(xù)環(huán)道橋及匝道連續(xù)剛構(gòu)；第二層為斜腿剛構(gòu)橋，供行人和非機動車使用；第一層為廣州大道下穿道路。

2015年7 月病害普查時發(fā)現(xiàn)第三層環(huán)形轉(zhuǎn)盤橋部分橋墩出現(xiàn)不同程度病害，存在較為嚴重的安全隱患。第三層橋梁上部結(jié)構(gòu)為環(huán)形鋼筋混凝土現(xiàn)澆變截面連續(xù)板結(jié)構(gòu)，橋?qū)?8m，內(nèi)弧半徑30m，外弧半徑48m，橋梁共分18 跨，中心線處的跨徑組合為（17.02 ＋11.91 ＋6 ×13.61 ＋12.59＋17.02 ＋11.23 ＋6 ×13.61 ＋11.91）m。梁體采用C35 混凝土，跨中梁高0.65m，墩頂梁高0.8m；下部結(jié)構(gòu)橋墩為雙柱墩，采用φ80 的柱接φ120 的樁，橋墩采用C25 混凝土，柱頂設盆式橡膠支座，設置沿徑向的單向活動支座。結(jié)構(gòu)平面及橫斷面見圖1。

圖1 客村立交第三層環(huán)形轉(zhuǎn)盤橋平、橫斷面（單位：cm）Fig.1 Plan and cross section of circular turntable bridge on the third floor of Kecun interchange（unit：cm）

1.2 病害情況

病害主要表現(xiàn)在8、9、12、13 號橋墩底部混凝土剝落、開裂，鋼筋銹蝕，經(jīng)判斷為受力裂縫。病害情況如圖2 所示（以8 號軸為例）。

圖2 橋梁病害情況Fig.2 Disease of the bridge

2 臨時支撐的目的和原則

2.1 目的

本工程應急搶險，目的是在不中斷交通的基礎(chǔ)上，確保客村立交第三層環(huán)形轉(zhuǎn)盤橋正常使用，消除安全隱患，避免發(fā)生突然性的垮塌，為制定、實施詳細的加固維修爭取時間，并在加固維修完成后拆除臨時支撐墩。

2.2 原則

1.當既有橋墩發(fā)生失效破壞時，臨時墩能充當新的支撐結(jié)構(gòu)，且臨時墩的位置選擇滿足既有上部結(jié)構(gòu)縱梁及橫梁的受力要求。

2.在8、9、12、13 號墩軸間布設的臨時支撐位置滿足既有結(jié)構(gòu)受力要求，頂升過程不會破壞既有上部結(jié)構(gòu)，臨時支撐樁基礎(chǔ)不影響既有樁基礎(chǔ)。

3.通過計算得出臨時墩的理論支反力，使得既有梁體在消除臨時墩基礎(chǔ)變形后，保持一定的頂升位移，既能保證臨時墩充分受力，又能保證既有立交橋上部結(jié)構(gòu)的受力安全。

3 計算分析

3.1 建模計算

建立客村立交第三層橋梁整體模型，采用8個臨時墩支撐替換原8 根橋墩支撐，計算得出增加臨時支撐后的上部結(jié)構(gòu)縱梁及橫梁的受力情況。采用橋梁有限元軟件Midas程序的桿系單元進行建模，如圖3 所示。汽車荷載為三車道加載，邊界條件為：墩頂支座采用沿著橋徑向可滑動，豎向及切向采用較大剛度彈性連接，墩底處剛接。計算得出基本組合下的剪力及彎矩滿足受力要求，見圖4。

圖3 模型構(gòu)造Fig.3 Model construction diagram

圖4 基本組合下的剪力及彎矩Fig.4 Shear and bending moment under basic combination

3.2 分析過程

1.臨時墩位置選擇

（1）為了不改變既有橋梁上部結(jié)構(gòu)縱向跨度及其受力，臨時墩縱橋向位置選在既有圓柱墩同一軸線上。

（2）臨時墩橫橋向位置的選擇則復雜得多。既有圓柱墩外側(cè)為翼緣，高度較小，無法作為支頂位置，因此，臨時墩只可設置于兩個圓柱墩之間。同時，臨時墩位置應盡量離開既有圓柱墩一定距離，不僅有利于臨時墩基礎(chǔ)的設置，且可保證既有基礎(chǔ)的安全；但距離太遠則會導致上部結(jié)構(gòu)橫梁懸臂太大而不滿足橫梁受力要求。通過計算，臨時墩與既有圓柱墩中心距離取1.2m 時，上部結(jié)構(gòu)橫梁受力能滿足要求，結(jié)果見表1。

溫泉水電站壩址河谷呈V形，河流縱坡6.9‰。谷底高程870 m左右，兩岸山頂高程1 182～1 600 m，右岸自然坡角多在70°～80°之間，局部近于直立。壩址分布下石炭統(tǒng)東圖精河組和第四系地層，巖體呈厚層狀—塊狀。壩址基巖強風化層厚2～5 m，弱風化層厚10～15 m。左岸卸荷帶水平寬度 3～15 m，順河長 95 m，垂直深度約65 m；右岸卸荷帶水平寬度2～5 m。壩址區(qū)地震基本烈度Ⅷ度，大壩抗震設防烈度Ⅷ度。

表1 設置臨時墩后橫梁承載力驗算Tab 1 Checking for bearing capacity of beam after setting temporary pier

2.頂升位移計算

本技術(shù)的關(guān)鍵是施工千斤頂進行頂升，保證臨時墩承受上部結(jié)構(gòu)部分荷載，一旦既有病害墩柱發(fā)生意外倒塌后由臨時墩完全受力。因此，如何得出臨時墩頂升控制位移就顯得尤為重要。如果不產(chǎn)生頂升位移或頂升位移值太小，則臨時墩不發(fā)揮作用或基礎(chǔ)沉降不充分導致后期受力時發(fā)生二次不均勻沉降使支撐結(jié)構(gòu)失效；如果頂升位移值過大，則會對既有上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超過其承受能力的附加應力，影響既有結(jié)構(gòu)受力甚至破壞既有結(jié)構(gòu)。通過計算并結(jié)合工程經(jīng)驗，得出頂升控制位移為4mm時，上部結(jié)構(gòu)受力既能滿足要求，臨時墩也能承受一定的反力且基礎(chǔ)充分沉降，滿足設計要求。

3.臨時墩支反力計算

通過計算得出各臨時墩支點理論支反力的具體結(jié)果見表2。

表2 臨時墩支點理論反力Tab 2 Theoretical reaction of temporary pier fulcrum

4 方案設計

4.1 總體思路

為防止病害橋墩突然失效引發(fā)上部結(jié)構(gòu)的垮塌，在8、9、12、13號墩軸之間設置臨時墩進行支頂，共設置8 個臨時墩，臨時墩平面位置見圖5。

圖5 臨時墩布置Fig.5 Temporary pier layout

4.2 臨時墩設計

每軸橫向布置兩個臨時支頂墩，單個支頂墩沿順橋向（法線方向）設置3 根φ600 ×14mm的鋼管柱，柱頂、柱底各采用20mm厚鋼板將三根鋼管柱連成一個整體，頂部在鋼板上焊接I25b 工字鋼，在其上布置2 個千斤頂，并在兩個千斤頂?shù)闹虚g部位布設臨時支承，千斤頂頂升卸載后由臨時支承受力，見圖6。

圖6 臨時墩構(gòu)造Fig.6 Temporary pier structure

臨時墩基礎(chǔ)采用微型鋼管樁＋承臺的方式。標準承臺尺寸為4.1m×2.3m，微型鋼管樁（φ168×6mm）樁長12m，樁端位于亞黏土層，樁底標高約為2.65m處，每個臨時墩布置28 根，見圖7。9 軸共兩個臨時墩需避讓管線，調(diào)整樁位后需加大微型鋼管樁尺寸，選擇φ180 × 6mm，樁長15m，樁端位于強風化層，樁底標高約為－0.35m處，每個臨時墩共布置21 根或23 根，承臺根據(jù)微型鋼管樁及管線位置設計成異形結(jié)構(gòu)。微型鋼管樁應與既有立交樁基礎(chǔ)保持一定距離，避免影響其受力。

圖7 標準微型鋼管樁及承臺平面Fig.7 Plan of standard mini steel pipe pile and bearing platform

5 頂升施工要點

5.1 頂升控制位移與理論支反力

結(jié)合上述計算分析得出臨時墩的頂升位移控制值及理論支反力，通過千斤頂使得既有梁體頂升，在消除臨時墩基礎(chǔ)變形后保持某一數(shù)值的穩(wěn)定位移，從而確保既有病害橋墩失效時臨時墩能有效支撐。

5.2 頂升的順序

5.3 頂升的工藝流程

1.千斤頂安裝并試頂。搭設工作平臺并安裝千斤頂，待臨時墩基礎(chǔ)滿足要求后，即開始試頂。試頂主要為了消除支撐本身的非彈性變形或沉降，在主梁還沒有正式頂起時即可停止，并停放2h進行觀察無任何變化后才能開始整體頂升，千斤頂受力方向一定要與梁底面垂直。

2.頂升現(xiàn)澆板梁。試頂完畢后，在專業(yè)人員統(tǒng)一指揮下均衡地對板梁施加頂升力，達到控制位移后，用臨時支撐塊塞入梁底形成臨時支撐點，使上部板梁與臨時墩臨時支撐塊密貼。

5.4 頂升監(jiān)控點的布置

本工程為單軸整體頂升，應布置位移傳感器監(jiān)控梁體位移，合理布置梁體監(jiān)測點，密切配合頂升作業(yè)。

5.5 頂升注意事項

1.千斤頂應帶自鎖功能，梁體位移應在控制值內(nèi)，防止超頂。

2.頂升采用逐級加載的方式。

3.正式頂升按操作程序進行并作好記錄。

4.頂升過程中要實時觀測基礎(chǔ)沉降、頂升系統(tǒng)垂直度等。頂升每完成一輪，就對電腦顯示的千斤頂壓力及各油缸位移數(shù)據(jù)進行收集并分析資料；如有異常，立即解決。完成頂升并固定后，對各標高觀測點進行測量，計算各頂升觀測點的頂升高度。

5.注意千斤頂?shù)目刂七^程應嚴格按操作規(guī)程進行，進油和回油應做到慢而穩(wěn)，直到全部工作結(jié)束千斤頂才能卸載，確保橋梁整體安全。

6.臨時墩參與受力后，注意監(jiān)控臨時墩墩頂?shù)某两担缬谐两担税创饲肮に囋俅雾斏_保臨時墩參與受力。

6 本方案的優(yōu)勢

1.安全快捷。臨時墩頂升施工存在可能破壞既有橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、影響橋上行車安全等安全隱患。本方案通過受力計算及分析，得出頂升后保持穩(wěn)定的梁體控制位移取4mm 時，既能保證臨時墩充分受力，又能保證上部結(jié)構(gòu)的受力安全。并通過全過程的位移控制，快速、自動地實現(xiàn)整個臨時墩頂升的施工。

2.適用于低凈空施工條件。既有環(huán)形轉(zhuǎn)盤橋橋下實際凈空小于2m，施工混凝土灌注樁或常規(guī)鋼管樁的機械均較高，無法進場施工。本設計采用微型鋼管樁，并通過改造施工鉆機設備使其滿足橋下低凈空的施工要求。

3.保護既有地下管線。城市中往往既有地下管線眾多，如均進行遷改，不但造價昂貴，且工期較長，發(fā)揮不出應急搶險、快速施工的效果。針對本工程臨時墩位置既有管線眾多、復雜的情況，為減少管線遷改，采取調(diào)整微型鋼管樁位置并設置異形承臺的方案避讓既有管線，不僅極大地縮短了工期，而且節(jié)約了工程造價，具有一定的社會效益及經(jīng)濟效益。

4.施工周期短。本工程樁基礎(chǔ)采用微型鋼管樁，施工快速、噪音少，環(huán)境影響小；臨時墩采用預制結(jié)構(gòu)（包含微型鋼管樁），在工廠制作，現(xiàn)場安裝，裝配化程度高，極大地縮短了工期，最大限度地減少對既有橋上交通的影響，達到應急搶險的目的。

7 結(jié)語

對于設置臨時支撐的搶險工程來說，施工快速便捷是最基本的要求，應充分考慮方案的可行性，且因該臨時設施后期需拆除，還需考慮方案的經(jīng)濟性。

客村立交搶險工程中既有客村立交第三層環(huán)形轉(zhuǎn)盤橋橋下凈空較低、橋下管線較復雜是該工程的重難點。樁基礎(chǔ)采用微型鋼管樁，既解決了既有立交橋橋下凈空較低的技術(shù)難題，還無需遷改橋下管線節(jié)省大量的工程造價。結(jié)合墩柱采用鋼管柱，整個項目施工快速、工期短，對周邊環(huán)境、居民生活及交通影響較小，該技術(shù)具有較高的經(jīng)濟效益及社會效益。該工程施工完成后，既有橋梁使用情況良好，未出現(xiàn)墩柱病害繼續(xù)惡化的情況，臨時搶險支撐保障了既有立交橋的通行安全，為全面開展加固維修爭取了時間。