山區(qū)公路橋梁墩柱偏位原因分析及處治措施研究

夏志強(qiáng)

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

0 引言

橋梁墩柱是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋梁基礎(chǔ)的關(guān)鍵構(gòu)件，對橋梁結(jié)構(gòu)安全起著非常重要的作用。由于受設(shè)計(jì)、施工以及自然環(huán)境等因素的影響，橋梁墩柱經(jīng)常會發(fā)生偏位現(xiàn)象[1]。墩柱偏位不僅對橋梁結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響，而且對橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營也會形成嚴(yán)重威脅。以山西省陽城縣境內(nèi)某座山區(qū)高速公路橋梁為依托，該橋因受人為因素以及自然環(huán)境等諸多不利因素的綜合影響，橋梁墩柱在橫橋方向產(chǎn)生了墩柱偏位，通過分析其病害原因，提出了橋梁墩柱糾偏處治措施。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

某高速公路一座大橋上部結(jié)構(gòu)為13×40m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，橋面連續(xù)，右前夾角90°，全橋共分四聯(lián)：(3×40+4×40+3×40+3×40)m。橋墩分別采用鋼筋混凝土柱式墩、實(shí)體墩以及門式墩，橋臺采用柱式臺，墩臺均采用樁基礎(chǔ)。

1.2 檢測結(jié)果

管養(yǎng)單位在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)該橋右幅7#橋墩存在橋墩橫向偏位等病害。為了查明該橋墩病害程度，并采取合理的處治措施，委托專業(yè)檢測單位對該橋墩進(jìn)行了全面檢測，發(fā)現(xiàn)該橋墩有如下問題：

(1)蓋梁位置偏移

右幅7#橋墩采用鋼筋混凝土實(shí)體墩、樁基礎(chǔ)。橋墩墩高36m，順橋向?qū)挾?.2m，橫橋向?qū)挾?m。在實(shí)際施工過程中，由于施工人員操作不當(dāng)，墩柱施工完畢后墩頂向外側(cè)偏移了7cm，導(dǎo)致蓋梁相對原設(shè)計(jì)位置也向外側(cè)偏離了7cm。橋墩原設(shè)計(jì)構(gòu)造圖和墩柱施工完成后實(shí)測橫斷面分別見圖1和圖2。

圖1 右幅7#橋墩原設(shè)計(jì)構(gòu)造圖

(2)墩頂位置偏移

橋墩墩頂向外側(cè)偏離了10cm。由于該地區(qū)多次普降暴雨，使該橋左側(cè)邊坡多次出現(xiàn)滑塌，滑塌土體直接堆積在右幅7#墩附近，堆積層最厚時(shí)達(dá)8.5m。堆積土對墩柱的擠壓致使橋墩墩身向外側(cè)產(chǎn)生了偏移。

圖2 右幅7#橋墩實(shí)測橫斷面

本次檢測采用全站儀對右幅7#墩柱分別在墩柱底部、墩柱中部以及墩柱頂部3個(gè)截面各取左側(cè)、中間、右側(cè)3個(gè)測點(diǎn)(見圖3)，分別計(jì)算出墩柱各截面處平均偏位值，并結(jié)合各橋墩墩柱施工完成后的測量數(shù)據(jù)，對比分析墩柱位移變化趨勢及垂直度。右幅7#墩墩柱偏位值及垂直度統(tǒng)計(jì)見表1。

圖3 墩身測點(diǎn)分布圖

表1 右幅7#墩墩柱偏位值及垂直度統(tǒng)計(jì)表

2 墩柱偏位原因分析

(1)施工過程中的誤差使橋梁產(chǎn)生墩柱偏位。橋梁蓋梁和墩柱初始偏位對橋墩形成的初始彎矩會使橋梁墩柱發(fā)生變形，經(jīng)過上部荷載長期作用，橋梁墩柱底部承受的彎矩將不斷增大。

(2)橋梁上部荷載長期作用會降低墩柱剛度，繼而使橋梁墩柱偏位進(jìn)一步增大。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，受彎構(gòu)件考慮荷載長期作用影響的剛度B=Bs/θ，其中Bs為混凝土受彎構(gòu)件的短期剛度，θ為考慮荷載長期作用對撓度增大的影響系數(shù)[2]。

(3)橫橋向土側(cè)壓力會使橋墩橫向框架內(nèi)產(chǎn)生較大次彎矩。理論上最大彎矩分布在橫橋向右幅7#墩柱底處，該彎矩引起的最大墩柱偏位在橋墩柱頂處。

實(shí)際情況表明，如果橋梁在建設(shè)及運(yùn)營階段存在上述問題，橋梁墩柱將會發(fā)生偏位現(xiàn)象。久而久之，橋梁墩柱在墩底彎矩不斷加大、墩柱剛度降低以及墩柱次彎矩等一系列不利因素的作用下，橋梁墩柱的偏位和偏心距將會明顯增大，也更進(jìn)一步加重了墩柱的傾斜程度。

3 墩柱計(jì)算及糾偏處治措施

3.1 墩柱強(qiáng)度計(jì)算

如前文所述，橋墩蓋梁施工完成后相對原設(shè)計(jì)向外側(cè)偏移了7cm，原設(shè)計(jì)橋墩蓋梁配筋完全能滿足抗彎、拉應(yīng)力要求，不予重新計(jì)算橋墩蓋梁配筋，主要進(jìn)行墩身強(qiáng)度計(jì)算。

3.1.1橋墩截面力學(xué)參數(shù)

式中：b為橋墩順橋向?qū)挾?m)；h為橋墩橫橋向?qū)挾?m)。

3.1.2墩身強(qiáng)度計(jì)算

(1)作用的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

橋墩墩底軸力標(biāo)準(zhǔn)值：Nk=N1k+N2k+N3k+N4k+N5k=8347+2254+860+1755+11810=25026kN

式中：N1k為上部結(jié)構(gòu)T梁重量標(biāo)準(zhǔn)值；N2k為橋面鋪裝重量標(biāo)準(zhǔn)值；N3k為護(hù)欄重量標(biāo)準(zhǔn)值；N4k為蓋梁、墊石及擋塊重量標(biāo)準(zhǔn)值；N5k為墩身重量標(biāo)準(zhǔn)值。

可變作用汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Qk=[qk×L0+2(L0+130)]×2=1270kN

式中：qk為均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值；L0為計(jì)算跨徑。

(2)作用的設(shè)計(jì)值計(jì)算

(3)墩身應(yīng)力狀態(tài)分析

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，取墩身C35混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=16.7N/mm2。

3.2 糾偏處治措施

為了防止因橋梁墩頂偏位造成橋梁進(jìn)一步加劇傾斜，并延長橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命，需對偏位橋墩進(jìn)行糾偏處治。在采取處治措施時(shí)首先考慮了對左側(cè)滑塌體進(jìn)行卸載的方案。在對局部滑塌體清除之后，經(jīng)實(shí)測，偏位墩柱墩頂回彈值約為10mm。另外，因受施工人員的人為因素影響，墩柱在左側(cè)滑塌體未產(chǎn)生不利作用之前即已發(fā)生偏位。綜上分析可見，卸載措施對處治墩柱偏位的效果不明顯。經(jīng)對比研究，確定采用通過鋼絞線對墩柱施加張拉力并復(fù)位的糾偏處治方案。

3.2.1糾偏處治施工方案

該橋墩柱糾偏處治主要采用先用千斤頂支撐橋梁上部結(jié)構(gòu)、然后沿墩柱傾斜方向的反向施加張拉力對橋墩拉拽、復(fù)位的方式進(jìn)行。

具體的施工方法與步驟：

(1)施工準(zhǔn)備及前期工作：準(zhǔn)備輔助設(shè)備，施工臨時(shí)墩基礎(chǔ)，埋設(shè)地錨。

(2)搭設(shè)輔助支架作為操作平臺，并施工鋼抱箍。

(3)在臨時(shí)墩頂部安置千斤頂；在抱箍處掛設(shè)糾偏用鋼絞線，采用拉力計(jì)控制糾偏張拉力。

(4)預(yù)緊鋼絞線，預(yù)緊力控制為50kN；封閉施工側(cè)路幅交通，同步采用千斤頂頂升T梁，每片梁在豎直方向頂升高度不應(yīng)超過30mm，梁片之間頂升高差控制在2mm以內(nèi)。

(5)開放交通，并限制重載交通；對上部梁體進(jìn)行支頂，支頂完成后取消限載。

(7)如因受糾偏張拉力的作用，墩身可能會出現(xiàn)局部環(huán)向裂縫，此時(shí)應(yīng)在墩柱裂縫較大處，沿墩柱外圍一圈采用外包50cm厚C35混凝土的增大截面法對墩柱進(jìn)行加固處理。待混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后方可落梁。

(8)將千斤頂放置在蓋梁上，再次頂升T梁。鑿除原支座墊石，重新澆筑支座墊石，更換支座，增加楔形鋼板并調(diào)平梁底預(yù)埋鋼板。

(9)卸載張拉力，拆除鋼絞線。

(10)拆除輔助支架和臨時(shí)墩柱。

墩柱糾偏處治示意圖見圖4。

圖4 墩柱糾偏處治示意圖

3.2.2糾偏處治施工要點(diǎn)

在糾偏處治過程中嚴(yán)格控制了施工質(zhì)量。主要施工要點(diǎn)如下：

(1)在搭設(shè)完臨時(shí)墩柱之后及時(shí)預(yù)頂了橋梁上部結(jié)構(gòu)，以消除地基和臨時(shí)墩柱的非彈性變形。預(yù)頂過程必須保證持荷時(shí)間不小于24h。

(2)順橋方向以橋墩中心為對稱軸對稱逐級加載張拉多根鋼絞線，并采用拉力計(jì)控制糾偏張拉力。鋼絞線之間張拉力差值不能太大，應(yīng)控制在5kN以內(nèi)，以確保糾偏墩柱均勻受力。在張拉過程中逐級加載張拉力，待墩柱變形趨于穩(wěn)定之后，采集了墩柱偏位的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(3)同步進(jìn)行墩柱糾偏施工和墩柱糾偏監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握墩柱的糾偏狀況，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)和研判結(jié)果及時(shí)指導(dǎo)墩柱糾偏施工。

3.2.3混凝土裂縫處理

右幅7#墩由于原墩柱頂部發(fā)生較大偏位以及糾偏復(fù)位施工，墩身可能出現(xiàn)環(huán)向受力裂縫，墩身剛度和承載力會有所降低。因此，在施工過程中如墩身出現(xiàn)裂縫，應(yīng)及時(shí)對墩身裂縫進(jìn)行處理和修補(bǔ)。

裂縫修補(bǔ)施工前組織專業(yè)技術(shù)人員對全橋裂縫進(jìn)行全面檢測，準(zhǔn)確定位，測量裂縫的長度及寬度，繪制裂縫分布圖(標(biāo)明裂縫長度及寬度)。本次裂縫處理采用表面封閉法和壓力注膠法。

4 糾偏處治效果

傾斜墩柱在糾偏處治完成后，經(jīng)檢測和長期觀察，可發(fā)現(xiàn)處治效果十分良好。主要體現(xiàn)在：

(1)墩柱柱頂處偏位值明顯減少：右幅7#墩柱原偏位值為100mm，糾偏處治后偏位值為8.6mm。

(2)在無地質(zhì)災(zāi)害及其它不利自然環(huán)境因素影響下，該橋墩柱未再次產(chǎn)生墩柱偏位等類似病害。

5 結(jié)語

山區(qū)公路橋梁一般橋墩較高、坡橋較大、曲線半徑較小，且橋位處地形復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害也較多。由于上述諸多不利因素，山區(qū)公路橋梁在運(yùn)營過程中發(fā)生墩柱偏位等病害十分常見。該類橋梁在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)通過繞避不良地質(zhì)路段、適當(dāng)放緩橋梁縱坡、盡量增大橋梁曲線半徑，或者采取改變橋梁墩柱形式、增大墩柱截面尺寸和增加橋梁墩柱剛度等方法防止墩柱產(chǎn)生偏位。另外，橋梁在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對施工質(zhì)量的監(jiān)管，防止因人為因素造成墩柱偏位現(xiàn)象的發(fā)生；在運(yùn)營階段管養(yǎng)單位要做到定期巡查和養(yǎng)護(hù)，一旦發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)仔細(xì)分析出現(xiàn)該病害的原因，并積極采取行之有效的處治方案及時(shí)解決[3]。