公路橋梁墩柱偏位典型病害特征分析及維修處治措施研究

徐富強

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

我國基礎設施建設經過近幾十年的發展，已取得巨大成效，公路建設規模已基本滿足現有交通需求，公路設施已從大規模建設階段過渡為大規模養護階段，其中已建成運營的公路橋梁逐漸出現橋梁病害，部分橋梁缺損程度嚴重，技術狀況評定為4類或5類[1]，需要及時維修，保證橋梁安全運營。以某預制簡支變連續T型梁為工程背景，在橋梁運營階段的定期檢查中發現，連續梁簡支墩墩柱以及蓋梁中心線明顯偏離梁端伸縮縫中心線，盆式支座出現嚴重的剪切損壞；經過豎直度測量，墩柱偏移量已超出規范[2]限值，將削弱墩柱承載能力和穩定性，極大地降低橋梁的使用壽命[3]。根據橋梁結構分析提出了墩柱糾偏復位、更換新型球型支座以及墩柱加固等綜合維修處治措施，通過近三年的跟蹤測量，證明該處治措施的有效性，為同類型橋梁的檢測及維修提供參考。

1 工程概況

1.1 墩柱偏位典型病害

某公路橋梁上部結構為預制裝配式后張預應力混凝土T梁，先簡支后結構連續，跨徑布置為(5×30)m+(4×30)m+(5×30)m，每孔5片梁，交角為90°，橋梁縱坡為2.0%～4.0%；伸縮縫采用模數式伸縮縫，全橋支座采用盆式橡膠支座，規格分別為GPZDX、GPZSX、GPZGD。下部結構橋墩為雙柱式柔性墩，墩柱高度為9～23m，墩柱直徑1.4m。設計荷載等級為公路-Ⅰ級。

在橋梁運營階段定期檢查時發現該橋簡支墩蓋梁中心線偏離梁端中心線，墩柱及蓋梁向上坡方向(大樁號方向)偏斜，且墩柱底部存在多道橫向裂縫，最大寬度為0.4mm，裂縫分布于小樁號側底部，如圖1、圖2所示，進而對該橋進行專項檢測。

圖1 簡支墩梁端偏離蓋梁中心線

圖2 簡支墩墩柱底部橫向裂縫

經過專項檢測，發現簡支墩(5號墩、9號墩)蓋梁頂盆式橡膠支座剪切損壞嚴重，支座鋼盆及底座鋼板整體隨蓋梁向小樁號側竄動，支座橡膠及聚四氟乙烯板均被擠壓外露，支座均失效，如圖3、圖4所示。墩柱豎直度測量結果如表1所示。

表1 橋墩縱橋向墩柱豎直度測量結果表

圖3 檢測時4號墩蓋梁頂支座現狀

圖4 檢測時9號墩蓋梁頂支座現狀

對簡支墩小樁號側梁底支撐位置預埋鋼板的順橋向坡度進行測量，具體測量結果如表2所示。

表2 簡支墩梁底預埋鋼板坡度測量結果表

1.2 墩柱偏位特征分析

結合現場檢測病害情況，該橋橋面簡支墩5號墩、9號墩頂伸縮縫開口值基本勻稱，未見異常，除5號墩、9號墩外的其他橋墩以及橋梁兩側橋臺沒有明顯的縱向位移，說明上部結構在縱橋向沒有發生整體位移。通過綜合分析，發生墩柱偏位的橋梁具有以下典型特征：

(1)橋面存在較大縱坡，梁底支座支撐面不水平。橋梁所在線路存在較大縱坡，且橋面縱坡由橋梁上部結構形成時，梁底面一般跟隨梁體存在縱向傾斜面，為了實現支座頂底鋼板支撐面為水平面，就要在施工時在梁底支撐位置預埋支座調平鋼板。在橋梁施工階段，尤其是上部結構為預制裝配式梁橋，實際施工控制不到位，使得梁底預埋鋼板或者楔形找平鋼板幾乎與梁底傾斜面保持一致，不能實現落梁時支座頂鋼板支撐面為水平面。在橋梁運營階段，上部結構自重等恒載以及車輛荷載會在支撐面形成沿橋梁縱坡的水平分力，并作用于橋墩或蓋梁頂部，形成墩柱變形偏位。梁底支撐面不水平為墩柱偏位的主要誘因。

(2)墩柱為高度較大的柔性墩。墩柱高度較大的柔性墩或排架墩，在同等縱向水平分力的作用下，墩柱抗彎能力較弱，更容易產生縱向偏位以及在墩底產生橫向裂縫。

(3)發生偏位的墩柱均為簡支墩。溫度作用，在支座鋼板處產生“年輪”現象；整體升溫和整體降溫作用使簡支端兩側梁體伸縮，在墩頂或蓋梁頂產生水平分力的差值，水平分力合力指向上坡方向，加劇了簡支端支撐的橋墩產生上坡方向變形偏位[4]，墩頂或蓋梁受梁體自重的抑制出現不可恢復的殘余位移，在支座鋼板上逐年形成縱向累積位移的痕跡。

2 墩柱偏位維修處治措施

2.1 墩柱糾偏復位處治措施

針對出現偏位的橋梁墩柱，豎直度超過規范的限值，最直接有效的方式就是將墩柱向反方向糾正，使其豎直度符合要求，方可繼續正常利用。利用設置的臨時支座滑動摩擦系數差原理，制定了墩柱雙控糾偏方案，并采用數控同步多點頂推施工方法，即修正墩柱豎直度的同時，控制水平頂推力不宜過大。開始糾偏施工時，首先將主梁整體頂升，拆除原支座，安裝臨時支座并在臨時支座上設置滑動面，落梁；觀測梁體及墩柱是否異常，然后開始水平頂推施工，觀測豎直度恢復量以及頂推位移量，水平頂推施工后開始監測墩柱豎直度變化情況。墩柱糾偏復位處治措施可以有效地將墩柱豎直度恢復為符合規范要求，但不能從根本上解決墩柱偏位的產生誘因。墩柱糾偏復位施工過程如圖5、圖6所示。

圖5 墩柱糾偏臨時支座安裝

圖6 糾偏施工過程中數值監控

2.2 更換新型球型支座

針對支座位置支撐面不水平問題，設計使用了新型球型支座，當墩柱糾偏復位后，拆除原支座以及施工臨時支座，替換為新型球型支座。該新型球型支座利用中間球型鋼襯板和球面聚四氟乙烯板的滑動以實現支座轉動，除具有豎向轉動角度大(設計轉角可達±0.05rad)的特點之外，最大的創新之處在于球型鋼襯板凸球面朝向支座上部，球面聚四氟乙烯板位于支座上頂板鋼盆內，并包裹球型鋼襯板，圓形平面聚四氟乙烯板以及平面底鋼板位于支座底部。糾偏施工完畢再次落梁后，該新型球型支座頂板鋼盆能與帶有傾斜角度的梁底面相適應，使得支座頂底部支撐面自動調整為豎直方向，進而從根本上解決墩柱偏位的誘因。新型球型支座具體實物如圖7～圖9所示。

圖7 新型球型支座頂鋼盆及球型鋼襯板

圖8 新型球型支座球面鋼襯板及下底板

圖9 新型球型支座

2.3 墩柱加固處治措施

對于墩柱偏位較嚴重的情況，墩柱底部已經產生橫向裂縫病害，則需要對墩柱進行加固維修。對于裂縫寬度小于等于0.15mm的墩柱，先對裂縫進行封閉處理，并采用在墩柱周圍粘貼碳纖維布的維修加固措施[5]。對于裂縫寬度大于0.15mm的墩柱可采用增加截面的方法在原墩柱底部外包混凝土進行加固維修。

3 墩柱偏位維修后監測

針對本文背景橋梁存在的墩柱偏位病害，經過糾偏復位、更換新型球型支座以及墩柱外包混凝土加固綜合維修處治之后，為了驗證所提出的綜合處治措施的有效性，特對該橋5號墩、9號墩進行跟蹤測量，測量結果如圖10所示。

圖10 墩柱偏位綜合處治豎直度跟蹤測量結果

通過近三年的跟蹤測量結果表明，提出的針對墩柱偏位的綜合維修處治措施可以有效地解決因梁底支撐面不水平造成的墩柱偏位及衍生病害，維修處治后的橋梁墩柱豎直度未見明顯發展，證明該綜合處治方案的有效性。

4 結語

橋梁定期檢查過程中發現的墩柱偏位的病害較為常見，如不及時維修處治，將會對橋梁結構的安全運營帶來極大隱患，針對該類病害分析總結了該類橋梁發生墩柱偏位所具有的病害特征以及橋梁結構特征，提出的綜合維修處治措施，可在較短的工期內使其恢復正常工作狀態。

通過該類橋梁病害特征總結，可以得到以下幾點提示：

(1)縱坡較大的橋梁，在施工過程中要嚴格控制支座上下支撐面的施工精度，尤其是預制裝配式橋梁在落梁后保證其梁底支撐面為水平面。

(2)對于落梁后梁底傾斜面未達到設計要求的，可及時在梁底增加調平楔形鋼板的方式進行支撐面調平，確保支座水平。

(3)墩柱底部未見橫向裂縫的，墩柱偏位對墩柱底部產生的附加作用力未超過墩柱承載能力，可不必對墩柱進行維修加固，只進行墩柱糾偏復位以及更換新型球型支座即可。

(4)墩柱底部存在堆土壓力或地基不穩定，也會造成墩柱偏位，此病害的產生機理與梁底支撐面不水平造成的墩柱偏位不同，維修加固措施也不同。