某環(huán)形異形橋偏位及牛腿支座病害加固設計

黃筱淇，曾天寶

(南昌市城市規(guī)劃設計研究總院，江西 南昌 330038)

0 引言

連續(xù)曲線梁橋在預應力、溫度效應、車輛行駛、收縮和徐變等作用下會產生側向變形，這種位移不能完全及時恢復，在荷載作用下隨時間的增長而積累，劉柱國通過計算得出溫度作用對主梁偏位影響最大，設置合理的支撐方式是限制梁體平面的關鍵因素。周亮研究發(fā)現(xiàn)橋梁偏位后其結構朝不利于自身方向發(fā)展。李琦通過有限元計算發(fā)現(xiàn)伸縮縫的堵死或堵塞改變橋梁的邊界約束，會引起橋梁在溫度作用下“爬行”，偏移量增大；呂宏奎等對某小半徑曲線梁橋偏位成因分析發(fā)現(xiàn)，伸縮縫失效是主要成因，通過拆除伸縮縫、清除伸縮縫槽口內雜物后進行單點頂升橫向復位，重新安裝伸縮縫和對橋墩基礎加固后橋梁運營正常。帶匝道環(huán)形異形橋比曲線梁橋變形受力更復雜，牛腿內支座不能正常工作導致主橋偏位，帶動匝道一起偏轉，衍生出橋墩開裂、支座剪壞等病害。某工程加固設計橋梁體形結構復雜、內容多、難度大且不能中斷白天交通，因此，有必要對該加固流程和加固方案進行詳細闡述，為類似工程設計和施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

壇子口立交橋建于1993年，位于南昌市解放西路和井岡山大道的交叉口，1層為解放西路下穿道，2層為現(xiàn)地面標高的井岡山大道和解放西路，3層為半徑34m的兩半圓接37m長兩直線段的環(huán)形橋，在井岡山大道設有1條雙向匝道(TC匝道)、6條單向匝道(TA，TB，TD，TE，TF，TG)，分別與1，2層道路相接。橋梁平面布置如圖1所示。

圖1 壇子口立交橋平面布置(白線為伸縮縫)

環(huán)形主橋及匝道上部均為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，跨徑17～24m，梁高均為1.3m，翼緣板懸臂長度均為2.5m。主橋與5條匝道(TA，TB，TD，TE，TC)采用牛腿連接，環(huán)形主橋牛腿置于匝道牛腿上方，中間設四氟滑板式支座，如圖2所示。壇子口立交橋主橋除牛腿處采用四氟滑板式支座外，其余均采用雙向盆式橡膠支座；在5個匝道牛腿處墩頂各設置1個單向支座和1個雙向支座，7條匝道及主線高架橋各設置1個固定支座，橋臺支座采用四氟滑板式支座。橋梁下部橋墩均為圓柱式墩接鉆孔灌注樁基礎。設計荷載為汽車-20級、掛車-100，目前限載30t，僅供中小型車輛通行。

圖2 主橋與匝道牛腿連接

2 橋梁病害

2.1 橋梁主要病害

2014—2017年，檢測單位每年定期對橋梁病害進行檢查和線形監(jiān)測，主要橋梁病害匯總如下。

1)ZX159墩主梁間隙在高溫天氣會頂死，TC1伸縮縫型鋼發(fā)生變形扭曲，如圖3和圖4所示。

圖3 159墩主梁縫隙頂死

圖4 TC1墩伸縮縫變形

2)TD2-2墩支座上鋼板螺栓剪斷，單向支座上鋼板滑出主梁，梁體向北位移，如圖5所示。TD4墩支座頂混凝土剝落，如圖6所示。

圖5 TD2-2墩支座病害

圖6 TD4墩支座病害

3)2017年7月，高溫天氣下TD匝道TD5墩柱根部發(fā)生直接45°方向剪切破壞，該剪切方向為順橋向方向；墩頂也存在劈裂性裂縫，固定支座發(fā)生破壞。

4)環(huán)形主橋偏位帶動TD匝道主梁發(fā)生偏轉，向北位移，具體變形如圖7所示；其余位置環(huán)形主橋與匝道主梁在牛腿位置均發(fā)生錯縫。

圖7 TD匝道跟隨主橋旋轉偏位

由表1可知，TD1墩頂支座上下鋼板錯位量達64mm，TD2雙向支座錯位量達114mm，TD3梁體錯位達66mm，梁體向北位移；TD6，TD7梁端向南位移，TD匝道梁體發(fā)生偏轉。

表1 TD匝道支座上下鋼板錯位情況匯總 mm

2.2 病害原因分析

由于邊界條件發(fā)生改變，導致環(huán)形異形橋偏位產生嚴重的橋梁病害，具體原因如下。

牛腿內支座不設置墊石，空間狹小、泥沙易堆積難以清理，隨著運營時間增加，支座完全被泥沙掩埋，另外施工澆筑質量難以控制會導致支座陷入主梁，使支座無法正常工作，且難以被管養(yǎng)單位檢查發(fā)現(xiàn)該病害。如圖8，9所示，牛腿內四氟滑板式支座不同程度陷入主梁內，泥沙堆積，其中TD匝道牛腿支座完全陷入主梁內，支座完全失去變形功能。TC匝道牛腿內支座失效導致主橋向南偏位，帶動TD匝道發(fā)生偏轉；其余匝道牛腿內支座部分陷入主梁內，能產生一定位移，但仍對匝道內的單向支座和固定支座橋墩產生次內力，導致橋墩發(fā)生不同程度的傾斜或剪切破壞。

圖8 TD2牛腿支座病害

圖9 TA牛腿支座病害

3 加固方案

為從根本上解決橋梁偏轉帶來的病害，并對開裂的橋墩采用鋼包柱截面增大法加固、損壞的支座進行頂升更換，采用具體步驟為：新建橋墩→拆除伸縮縫→新建支座頂升→切割牛腿分離受力→增設限位裝置→主橋糾偏→TD匝道頂升復位→伸縮縫改造等。具體加固方案如下。

3.1 新建橋墩

TA3，TB1，TD2，TE2新建橋墩為實體板墩，墩頂設置2個雙向支座，適應環(huán)形異形梁末端變形，支座支撐中心位于腹板下，并對腹板局部進行植筋加寬處理；TC1新建橋墩設置4個雙向支座，每個支座位于端橫梁腹板中心線；所有新建支座必須與原板式橡膠支座支撐位置重合，具體如圖10所示。安裝支座前應設置預偏量或定制加大支座上鋼板以適應主橋糾偏產生的位移。

圖10 TA3/TB1/TD2/TE2墩與TC1墩新支座布置(單位：cm)

新建橋墩樁基采用人工挖孔樁，樁徑為1.2m，樁長10m，持力層為細砂層，為提高樁基承載力降低沉降，利用聲測管對樁底采用注漿處理。

3.2 拆除伸縮縫

新建橋墩支座頂升前應拆除模數(shù)式伸縮縫，避免將位移通過位移箱傳遞給另一側主梁。TD匝道頂升復位前應清除干凈橋臺伸縮縫隙。

3.3 新建橋墩支座頂升

新建橋墩支座頂升安裝必須在1～2個晚上完成，不能中斷白天交通，研究采用分區(qū)同步頂升方案，共分為3個頂升區(qū)，如圖11所示。TA3，TB1，TD2，TE2匝道采用2個頂升控制點；TC1新建橋墩支座頂升梁體剛度大、頂升反力大，增設相鄰T5，T6，T7橋墩頂升點，如表2所示。新建橋墩處支座頂升安裝高度控制在10mm，相鄰墩位頂升差值控制在±5mm；由于頂升空間較小，頂升前必須對梁底、墩頂支座螺栓精確定位，并應考慮主梁復位設置預偏心，支座墊石采用快干細石混凝土二次澆筑。落梁后若支座出現(xiàn)標高不符、不均勻支承或脫空現(xiàn)象，則應重新頂升梁體并在支座下采用環(huán)氧砂漿找平或墊不銹鋼板進行微調。支座安裝預留3mm沉降位移。

圖11 分區(qū)同步頂升分區(qū)

表2 分區(qū)同步頂升方案參數(shù) mm

橋梁頂升采用高精度PLC同步頂升技術作為頂升控制系統(tǒng)，200t自鎖式液壓千斤頂作為頂升動力，通過“頂升→鎖定→安裝支座→解鎖→落梁”作業(yè)過程，實現(xiàn)橋梁整體頂升安裝更換支座施工，如圖12所示。千斤頂上均設置鋼墊塊和防滑橡膠墊，確保梁體頂升過程中不滑移。

圖12 橋梁頂升千斤頂工作平臺

3.4 切割牛腿分離受力

支座頂升安裝施工完成后，依次切割TD，TE，TA，TB牛腿，最后切割TC牛腿，牛腿切割完后對切割裸露鋼筋表面涂刷滲透型阻銹劑，切割表面涂抹改性環(huán)氧砂漿封閉保護，并進行混凝土防腐涂裝。

切割牛腿及新建橋墩布置如圖13所示。

圖13 切割牛腿及新建橋墩布置

3.5 增設限位裝置

牛腿切割完后主橋支座均為雙向支座，無水平向約束，變?yōu)樗狡◇w系，難以確保主橋在溫度和汽車制動力作用下不再發(fā)生偏位，必須對既有橋墩支座增加約束，考慮頂升更換采用單向支座費用太高、阻斷交通，采用增設鋼限位裝置，并對既有橋墩及樁基進行改造。

1)由于場地限制僅對主橋東西軸線方向附近160-2，T13，T6，TC0-1墩柱增加約束裝置，允許南北向活動。約束裝置采用鋼限位擋塊，外側擋塊頂部與主梁采用植錨栓連接，內側擋塊與橋墩采用鋼板焊接，內、外側擋塊間墊橡膠板，如圖14所示。在T13和T6鋼限位擋塊每側南北向預留±2cm變形，允許主橋南北向偏位±2cm，如圖15所示。

圖14 160-2與TC0-1號墩單向限位裝置

圖15 T13與T6號墩單向限位裝置

2)對設置限位裝置的橋墩采用鋼包柱截面增大法進行加固(見圖16a)，在原樁基兩側增設人工挖孔樁，樁基直徑為1.2m，樁長10m，對樁底進行注漿處理，提高樁基的承載力、降低沉降變形。新建樁基承臺與老樁基承臺通過植筋連接在一起，提高橋墩和樁基的整體承載力，如圖16b所示。

3.6 主橋糾偏

主橋在高溫天氣159號主梁間隙完全頂死，牛腿切割完后無水平方向約束，利用氣溫升高北側主梁膨脹頂推環(huán)形主橋向南恢復位移，恢復位移數(shù)據(jù)如表3所示。159號梁端向南恢復55mm，TC1號梁端向南恢復86mm，TD2號梁端向南恢復79mm。頂推位移過程中無次生病害產生。

表3 相對于5月15日頂升前相對位移數(shù)據(jù) mm

為避免運營過程中極端高溫天氣下北側主線主梁膨脹繼續(xù)頂推環(huán)形主橋朝南偏位，加大159號主梁之間伸縮間隙，切割北側主梁10cm，并在端橫梁跨中梁底粘貼鋼板加固，鋼板尺寸為2塊寬45cm、厚6mm，具體切割與加固方案如圖17所示。

圖17 159號北側主線主橋端橫梁切割與加固

3.7 TD匝道頂升復位

TD匝道主梁向北旋轉偏位，TD2支座上鋼板滑出主梁必須進行糾偏，并更換損壞的單向支座TD4和固定支座TD5確保橋梁安全。TD匝道糾偏方案采用7月25日TD2監(jiān)測恢復位移作為糾偏數(shù)據(jù)并參考表1所示支座變形數(shù)據(jù)，確保糾偏后與主橋線形接順。本方案以TD6單向支座為旋轉中心進行整體頂升復位，具體位移如表4所示。

表4 TD匝道南北糾偏理論和實測位移 mm

本工程頂升復位采用200t三維精調千斤頂進行梁體橫向頂推施工，采用豎向千斤頂提供豎向頂升力，通過橫向油壓千斤頂及滑板提供橫向頂推動力，實現(xiàn)梁體的豎向與橫向位移，如圖18所示。

圖18 三維精調千斤頂示意

3.8 伸縮縫改造

在溫度作用下，環(huán)形異形梁匝道末端除了軸向伸縮位移外還存在一定的側向位移；主橋限位裝置南北向預留±2cm偏位，TA3，TB1，TD2，TE2匝道伸縮縫裝置必須能適應主橋偏位帶來的側向位移(見表5)，設計采用梳齒板伸縮縫側向位移適應量不小于±50mm；TC1和159號主梁位置仍采用常規(guī)普通型號梳齒板伸縮縫。

表5 升溫40℃正常狀態(tài)和允許±2cm偏位梁端位移 cm

4 結語

1)本文通過新建橋墩、支座頂升、切割牛腿、增設限位裝置、主橋糾偏、TD匝道頂升復位及伸縮縫改造等加固方案從根本上解決了橋梁牛腿支座和偏位病害，經(jīng)過一年半運營監(jiān)測，橋梁位移正常，達到了預期的加固效果。

2)新建橋墩支座采用分區(qū)同步頂升方案，具有頂升工作量小、費用少且對交通影響小等優(yōu)點。

3)主橋糾偏采用北側橋梁天氣升溫膨脹頂推主橋恢復位移，該方案可行；TD匝道利用主橋恢復位移數(shù)據(jù)作為糾偏數(shù)據(jù)，頂升復位后達到預期效果。

4)設計人員設計類似帶牛腿結構橋梁時建議增加牛腿內支座空間，便于管養(yǎng)單位檢查；施工單位對牛腿內支座應采用精細化施工，確保施工質量；管養(yǎng)單位應加強對類似橋梁牛腿內支座的檢查和泥沙清理，防止支座失效導致橋梁產生結構性病害。