高速匝道獨(dú)柱墩橋梁加固維修應(yīng)用

葉鑫

（太倉市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 蘇州 215400）

1 工程背景

獨(dú)柱墩橋梁在視覺上具有線條流暢、視覺通透、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)；在工程上具有下部結(jié)構(gòu)工程量小、節(jié)約占地，跨線時(shí)對橋下交通影響小等突出優(yōu)勢。由于箱梁結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外市政高架、立交樞紐、公路互通等結(jié)構(gòu)，為滿足通行要求，橋下空間受限時(shí)，常采用獨(dú)柱式橋墩。但是，此類橋梁存在的突出問題也逐步顯現(xiàn)，如：聯(lián)端支座脫空導(dǎo)致主梁撓曲變形明顯、曲線橋中出現(xiàn)的主梁橫向爬移、墩柱或者蓋梁開裂、支座的擠壓變形、整體側(cè)向傾覆等。其中，橋梁整體側(cè)向傾覆沒有明顯的預(yù)兆，猝然發(fā)生，危害極大。在偏心偶然超載作用下，獨(dú)柱墩橋梁由于本身抗傾覆的能力較弱可能發(fā)生整體橫向失穩(wěn)，從而引發(fā)橋梁安全事故。橋梁傾覆隱患如果是橋梁支座脫空或橋梁上部結(jié)構(gòu)側(cè)翻、傾覆，都直接影響橋梁的安全和正常使用性能。自2007年以來，國內(nèi)連續(xù)發(fā)生多起獨(dú)柱墩（單支點(diǎn)）橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆事故。特別是2019年，江蘇省內(nèi)發(fā)生的獨(dú)柱墩（單支點(diǎn)）橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆的重大安全事故，造成重大社會影響。所以，針對我市高速公路匝道獨(dú)柱墩橋梁的加固維修就顯得迫在眉睫。

2 橋梁現(xiàn)狀

獨(dú)柱墩橋梁主要分布在高速公路及普通國省干線公路上。在太倉市境內(nèi)，沿江高速互通為連接S339和沿江高速的互通式立體交叉，根據(jù)《2019年蘇州市普通國省干線公路長大橋梁定期檢測評定報(bào)告》可知，沿江高速互通C 匝道橋，如圖1所示，技術(shù)狀況評定結(jié)果為二類橋。外觀檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)主梁的翼板存在橫向裂縫，縫寬為0.08～0.14mm。腹板存在豎向裂縫，縫寬為0.08～0.14mm。底板存在1 處0.005m的破損；支座存在鋼盆銹蝕病害，位于5臺2支座輕微鋼盆銹蝕；橋臺臺帽存在鋼筋銹蝕和7 處鋼筋銹脹病害；臺背也存在斜向裂縫、豎向裂縫等病害。

圖1 S339 沿江高速互通C 匝道橋平面布置圖

此次加固橋梁位于S339 沿江高速互通C 匝道上，共計(jì)1 座。該橋梁設(shè)計(jì)于2007年，原設(shè)計(jì)汽車荷載：公路-I 級。該橋平面位于A=179.764m 的緩和曲線上，跨徑組成為5～20m，橋?qū)?.5m。上部結(jié)構(gòu)采用等截面鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩，基礎(chǔ)采用群樁多樁承臺基礎(chǔ)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及老橋資料，匝道橋聯(lián)端采用雙支座布置，其余連續(xù)墩位置均采用獨(dú)柱單支座布置，如圖2所示。獨(dú)柱墩立柱直徑1.3m，承臺寬度5.7m，厚度2.0m。樁基直徑1.2m。橋下無下穿道路及河流，該橋梁梁體及所有獨(dú)柱墩均具備改造條件。

圖2 獨(dú)柱墩橋梁側(cè)面照現(xiàn)狀

3 加固設(shè)計(jì)方案選擇

根據(jù)現(xiàn)場條件、結(jié)構(gòu)合理性、施工難易程度、后期養(yǎng)護(hù)、造價(jià)等方面的考慮，提出了3 個(gè)方案。方案一：增大墩身截面，提高墩柱的承載力，支座能夠靈活調(diào)整，橫向雙支座不會脫空，混凝土墩柱后期易養(yǎng)護(hù)，但是施工時(shí)間長，墩柱自重加大，從而增加了墩頂反力，單墩改造的建安費(fèi)約為37 萬元。方案二：增大設(shè)樁基增大墩身截面，優(yōu)點(diǎn)在于新增樁基、加大橋墩截面尺寸，提高了墩柱和樁基的承載力，安全性好。支座位置可根據(jù)計(jì)算需求靈活調(diào)整，橫向雙支座布置，落梁后每個(gè)支座受力均勻、明確，最不利偏載作用下支座不會脫空，混凝土后期易養(yǎng)護(hù)，但是施工時(shí)間長，新增樁基受橋下凈空限制，施工較為困難，新老樁基樁長、樁徑不同，易產(chǎn)生沉降差，后期需要注漿。橋下空間受限，樁基施工較麻煩。單墩改造的建安費(fèi)約為62 萬元。方案三：增設(shè)鋼蓋梁，優(yōu)點(diǎn)在于橋梁頂升過程中僅需進(jìn)行支座安裝及拆除，中斷交通時(shí)間較短，可利用新增鋼蓋梁作為頂升基礎(chǔ)，無需搭設(shè)頂升臨時(shí)支撐，橋墩恒載增加較小，對樁頂反力影響較小，施工工藝相對簡單，工期較短。但是缺點(diǎn)也同樣明顯，新增鋼蓋梁通過錨栓與原有混凝土橋墩連接，錨栓長期外露，錨栓孔易滲水，耐久性較差，且鋼蓋梁存在腐蝕、銹蝕問題，需定期養(yǎng)護(hù)。新增鋼蓋梁后引起了墩頂橫向彎矩，需對墩身強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算校核，必要時(shí)需對墩身進(jìn)行適當(dāng)加固。鋼蓋梁與墩柱之間通過錨栓連接，錨栓連接的可靠性不易保障。單墩改造的建安費(fèi)約為25 萬元。

針對S339 沿江高速互通C 匝道橋，經(jīng)過多方面比對、篩選，最終太倉確認(rèn)使用方案一進(jìn)行橋梁墩柱的加固方案。

3.1 獨(dú)柱墩改為實(shí)體墩

S339 沿江高速互通C 匝道橋采用多排樁承臺基礎(chǔ)，采用增大墩身截面的加固方案，將C 匝道橋所有獨(dú)柱單支座橋墩通過加大截面，改造為實(shí)體墩。新老混凝土通過植筋連接，原墩柱表面需進(jìn)行鑿毛處理。實(shí)體墩頂部斷面尺寸為380cm×250cm，與承臺相連部分?jǐn)嗝娉叽鐬?30cm×250cm，為降低新老混凝土不均勻收縮產(chǎn)生的影響，采用C40 微膨脹混凝土澆筑。新澆筑實(shí)體墩墩頂高程與原有柱頂高程保持一致。

3.2 支撐體系改造

此次改造對原獨(dú)柱墩支座進(jìn)行更換，將原單支座更換為雙支座，支座間距布置280cm，采用GPZ(2009)3.5SX、GPZ(2009)3.5DX、GPZ(2009)3.5GD 型 支 座。盆式支座錨固相關(guān)的預(yù)埋件應(yīng)在墩身鋼筋綁扎時(shí)提前預(yù)埋，梁底支座錨固鋼筋通過植筋進(jìn)行設(shè)置，施工時(shí)應(yīng)現(xiàn)場探明箱梁主筋位置，避免截?cái)嘀鹘睢τ跇蚺_支座，此次加固全部更換為原設(shè)計(jì)同型號支座，施工單位應(yīng)確保支座高度、套筒孔位與原支座一致。

3.3 梁體表面病害處治

運(yùn)營橋梁在車輛荷載、地基沉陷等因素影響下，可能出現(xiàn)主梁下?lián)稀㈤_裂、下沉、移位等病害。根據(jù)該橋梁定期檢查報(bào)告獲悉，C 匝道橋結(jié)構(gòu)存在的所有可見裂縫，如圖3所示，均應(yīng)進(jìn)行封閉處理，由于梁體裂縫寬度均小于0.15mm，采用透明樹脂封閉膠封縫處置；對主線橋C 匝道橋的箱梁表面出現(xiàn)麻面、露筋等現(xiàn)象，對于橋梁日常養(yǎng)護(hù)來說，需要進(jìn)行定期處治，將表面麻面進(jìn)行鑿除，再利用混凝土進(jìn)行修復(fù)。對于箱梁露筋病害，應(yīng)該先進(jìn)行人工除銹，再利用除銹漆涂抹，最后再利用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)，如圖4所示。確保梁體表面病害應(yīng)處盡量處治，提高橋梁的使用壽命年限。

圖3 橋梁翼板橫向裂縫

圖4 梁體表面病害處治現(xiàn)場

4 工程實(shí)施效果

根據(jù)以上加固方案，需要對該方案分別進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算、橫梁驗(yàn)算、橋墩驗(yàn)算、樁基驗(yàn)算。其中，抗傾覆驗(yàn)算需要進(jìn)行支座脫空及抗傾覆安全系數(shù)驗(yàn)算，如圖5所示；橫梁驗(yàn)算需要根據(jù)橫梁受力及配筋，進(jìn)行不同支座間距的橫梁強(qiáng)度驗(yàn)算；橋墩驗(yàn)算需要進(jìn)行墩頂橫向拉桿驗(yàn)算，橋墩強(qiáng)度驗(yàn)算；樁基要進(jìn)行樁基承載力驗(yàn)算。

圖5 抗傾覆驗(yàn)算模型示意圖

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）第4.1.8 條對橋梁抗傾覆能力進(jìn)行驗(yàn)算，在增大墩身截面后，主線橋C 匝道橋在作用基本組合下單向受壓支座保持受壓狀態(tài)；按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí)，支座抗傾覆驗(yàn)算系數(shù)顯著提高至12.7 以上，大于規(guī)范要求的2.5，滿足規(guī)范要求。增設(shè)支座后改變了橫梁受力模式，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，橫梁的承載能力可以滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，安全系數(shù)1.61。頻遇效應(yīng)組合下橫梁最大裂縫寬度0.147mm，小于規(guī)范允許的0.2mm。同時(shí)，橋墩驗(yàn)算和樁基承載力驗(yàn)算均符合規(guī)范要求。現(xiàn)場加固后的效果圖如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場加固后效果

5 結(jié)語

首先，增大墩身截面的方案具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如：增大橋墩截面尺寸，提高墩柱的承載力，安全性好。但是也存在施工工期較長，需要臨時(shí)封閉交通，單墩改造造價(jià)高等不利影響，后期需要結(jié)合造價(jià)做出最優(yōu)選擇。由于S339 沿江高速互通C 匝道橋存在橋下車輛、行人通行較少等利于封閉交通的情形，能夠克服施工工期較長等不利因素，現(xiàn)場增大墩身截面的方案可行性強(qiáng)，為后期太倉轄區(qū)內(nèi)獨(dú)柱墩橋梁的加固帶來較重要的借鑒意義。

其次，對公路養(yǎng)護(hù)工程運(yùn)營管理方面提出了更高要求。橋梁工程師不僅要做好橋梁的日常巡查、經(jīng)常性檢查、定期檢查、特殊檢查，還要從日常檢查方式、檢查重點(diǎn)、橋梁病害研判等多方面學(xué)習(xí)獨(dú)柱墩橋梁管護(hù)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，不僅需要定期對橋梁的梁體病害如箱梁表面麻面、露筋等進(jìn)行處治，還要對橋梁混凝土防撞墻、伸縮縫、錐坡等易損壞部位進(jìn)行定期維修保養(yǎng)。

橋梁運(yùn)營管理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，對整個(gè)系統(tǒng)每個(gè)部位都要管控到位，獨(dú)柱墩橋梁傾覆的重大安全事故既給每個(gè)“公路人”敲響了警鐘，更對現(xiàn)代橋梁工程師的管養(yǎng)工作提出更高的要求，只有不斷地總結(jié)教訓(xùn)、積累橋梁管養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)，才能做好公路養(yǎng)護(hù)橋梁運(yùn)營管理工作。