某斜跨拱橋維修設計與施工控制研究

唐學慶

(大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司 大連市 116024)

1 工程概況

該橋于2008年12月建成通車,實景照片如圖1所示,采用的道路等級為雙向六車道城市快速路。拱肋斜跨主梁,其水平投影與主梁跨中軸線切向夾角為19.5°。鋼拱肋最大矢高62.12m,拱腳間距180.00m,矢跨比0.35。主梁為跨徑190.00m的扁平鋼箱彎梁,彎曲半徑600.00m,主梁與拱肋之間由28根吊索相連。整個大橋由斜拱、彎梁以及網狀的斜向交叉吊索構成,形成了獨特的空間結構形式,橋型平面布置如圖2所示。

圖1 大橋實景照片

圖2 橋型平面布置圖(單位:m)

拱肋為單箱單室截面,寬7.04m,高3.80m。主梁為單箱五室截面,梁寬33.30m,中心梁高3.00m。橋墩橫向為四個花瓶墩,墩頂設蓋梁并在中間處分縫,蓋梁外輪廓尺寸為25m×3.5m×1.5m,承臺相互連接,下設支承樁基礎。伸縮縫采用模數式伸縮裝置,東側型號為GQF-MZL400,西側型號為GQF-MZL80。支座采用球型支座,主梁每端布置2個,全橋共計4個。主梁兩端設有限位裝置,并有混凝土配重塊。

2 病害分析

2.1 病害現狀

運營5年,該橋出現了支座脫空、墩頂蓋梁斜裂縫、限位擋塊壓碎等病害,經維修重新投入使用后,2017年該橋又出現了一些新病害,尤其梁端發生了較大的橫向偏移,導致橋面上出現較大的主、引橋間車道線錯位。為確保安全,主管部門獲批后對大橋做了立即斷交處置,并委托檢測單位對該橋進行了一次全面檢測,依據檢測報告,大橋存在以下主要病害。

(1)支座

通過量測梁底鋼墊板與支座間的相對位置關系,發現主梁兩端相對于支座均發生了較大的橫向位移,其中東側支點處主梁向上游(偏北方向)偏移25cm,西側支點處主梁向上游(偏北方向)偏移12cm,且四個支座的上座板均與梁底鋼墊板無可靠連接,東側兩個支座銹蝕嚴重。

(2)橋墩及限位裝置

墩頂蓋梁出現大量裂縫,大部分經過灌膠修補,但仍有小部分裂縫沒有經過處理,且修補過的裂縫有繼續擴展的趨勢。梁端底限位銷失效,蓋梁頂限位塊開裂。

(3)伸縮縫

東側伸縮縫橫向錯動變形較大,型鋼彎曲、銹蝕嚴重;西側伸縮縫型鋼變形嚴重、局部斷裂;兩側伸縮縫橡膠止水帶幾乎全部脫落。

2.2 綜合分析

(1)根據現場實測數據,東側主梁與支座的相對位置較原設計圖紙向上游偏移了25cm,橋面伸縮縫的變形、車道線的錯位及限位裝置的失效情況,也可印證主梁發生了較大的橫向位移,且大部分的偏移是在運營階段發生的。

(2)根據現場實測數據,西側主梁與支座的相對位置較原設計圖紙向上游偏移了12cm,但在橋面檢測時,并未發現伸縮縫有橫橋向的相對錯動,主、引橋間的防撞護欄和車道線位置也能彼此對應,說明西側主梁的橫向位移不是在運營階段發生的,而是在成橋前就已經發生了。

(3)由于東、西側主梁均發生了較大的橫向偏位,因此支座并未支撐在主梁結構支撐構造最合理的位置,這將導致主梁結構受力不利,同時主梁限位裝置失效,也將給結構帶來很大的安全隱患。

(4)計算分析表明,溫度作用下支承約束體系水平力過大是產生病害的主要原因,過大的水平力使橋梁限位裝置失效,進而引發梁體側移、梁端伸縮縫破壞等次生病害。

3 維修設計

3.1 總體思路

本次維修設計旨在通過主梁復位后建立新的豎向支撐和水平限位體系,來改變結構的約束形式,從而減小溫度作用對結構受力和變形的影響,以達到從根本上調整并改善整個結構的受力性能。并通過更換能更好適應該橋變形特點的伸縮縫,以及對橋墩蓋梁安裝鋼結構加固裝置,消除蓋梁現存的主要病害,同時提高其承載力和耐久性。

3.2 主要內容

(1)蓋梁加固

首先拆除蓋梁上原有的混凝土擋塊并對新增的裂縫灌漿修復,然后對蓋梁采用外包鋼板的方式進行加固。即在蓋梁的四周安裝加固鋼板和鋼梁,并在鋼混結合面的縫隙中灌注結構膠,此舉旨在提高現狀蓋梁的承載力和耐久性,同時用于固定主梁水平約束的銷孔裝置,與其形成一體共同工作。

(2)水平約束設置

彎梁由溫度作用引起的變形屬于弧段膨脹或收縮性質的變形,不僅產生切向位移,還產生徑向位移[1-3],根據彎梁這一變形特點,采用銷軸式水平約束裝置取代原限位裝置。銷軸式約束裝置由限位銷和銷孔裝置兩部分組成,其中限位銷與主梁連接,銷孔與蓋梁的鋼結構加固裝置連接。通過東西兩側銷孔不同形狀的設定,實現東側主梁徑向位移約束、切向位移釋放(切向活動端),西側主梁徑向和切向位移均約束的效果(可轉動固定端)。東西兩側銷軸式約束裝置示意圖見圖3和圖4。

圖3 東側銷軸式約束裝置示意圖(單位:mm)

圖4 西側銷軸式約束裝置示意圖(單位:mm)

(3)主梁張拉復位

主梁張拉復位裝置為臨時結構,安裝在大橋的東南角,主要由錨固裝置和鋼絞線索構成,待主梁復位、東側約束裝置安裝后拆除。錨固裝置由焊接于梁底的固定端裝置和焊接于蓋梁加固鋼結構的張拉端裝置組成,其間穿入兩根8ΦS15.2鋼絞線索。通過張拉鋼絞線拖拽主梁實現東端徑向復位,張拉端錨具下安裝穿心式壓力傳感器,用于精確控制復位過程中的張拉力。

(4)支座更換

將原有的球型支座全部拆除,更換為帶測壓功能的四氟滑板橡膠支座。橋梁東側支座均采用GYZF4φ850型,要求縱橋向容許位移量不小于±200mm,橫橋向不小于±25mm;橋梁西側支座均采用GYZF4φ750型,要求縱橋向容許位移量不小于±50mm,橫橋向不小于±25mm。每個支座下設4個壓力傳感器,用于讀取支反力,一方面為調索工作提供依據,同時也可監測大橋的受力狀態。

(5)伸縮縫更換

將原有的模數式伸縮縫拆除,更換為單元式多向變位梳型板伸縮縫,后者可適應梁端轉角變形,容許梁端發生較小平面內旋轉,其中東側采用RBKF400型,西側采用RBKF120型。

3.3 施工流程

施工準備、拆除蓋梁上原有混凝土擋塊、裂縫修補、清理蓋梁→東西兩側蓋梁安裝鋼結構加固裝置→安裝西側主梁限位裝置、西側蓋梁鋼混結合面縫隙中灌注結構膠、安裝東側主梁徑向復位張拉裝置→拆除東西兩側原有限位裝置和伸縮縫→東側主梁張拉復位→安裝東側主梁限位裝置→拆除張拉裝置→東側蓋梁鋼混結合面縫隙中灌注結構膠→梁端頂升、支座更換→調整索力和支反力→安裝新伸縮縫→進行荷載試驗→根據加載結果判斷是否需要進一步調整索力。

4 施工控制

4.1 目標與內容

該橋施工控制的目標有兩個,一是保證結構在施工過程中的安全,二是實現設計文件所規定的成橋狀態。要實現這兩個目標,在進行理論計算的基礎上,還需根據現場的實際情況及時做出誤差修正和預告[4-5]。

該橋施工控制的主要內容包括:(1)確定主梁張拉復位過程中的張拉力及各構件內力變化,確保整個結構受力安全;(2)確定支座更換時所需的頂升力及頂升過程主體結構的受力狀態,確保結構受力安全;(3)確定主梁復位和支座更換后的吊桿力,并與目標值進行對比分析,制定調索方案,使最終索力滿足設計要求;(4)將現場實測數據(應力、變位、索力等)輸入施工監控分析軟件進行誤差分析和參數擬合,對下一階段的施工參數進行修正;(5)在施工結束后總結整個施工控制過程,給出成橋狀態參數,為今后運營管理及健康監測提供依據。

4.2 計算模型

采用Midas Civil軟件,建立如圖5所示的大橋空間有限元模型,進行結構變形、應力、索力及支反力的分析和控制。模型共739個節點、733個單元,其中梁單元705個,桁架單元28個,包含主梁、拱肋、吊桿、橋墩、蓋梁、承臺、樁基等。支座采用彈性連接模擬,樁周采用土彈簧約束,彈簧剛度通過m法計算確定。

圖5 大橋空間有限元計算模型

4.3 主梁張拉復位

張拉復位前,對主梁東側梁端的偏移量及全橋的吊桿力進行了復測,其中梁端實測的偏移量為21cm。通過模擬計算,主梁復位過程中吊桿力變化較大,尤其是靠近東側梁端的吊桿,其中B1吊桿(編號見圖2)索力增大54%,拱肋等其他構件受力均處于安全狀態。

為減小東側短吊桿B1～B3對復位過程的不利影響,在張拉施工前對上述吊桿的索力分別釋放1000kN、800kN、600kN,經計算,理論復位張拉力為2305kN。通過實測,張拉力達到3100kN時主梁開始滑動,之后保持在2400～2800kN之間,較理論值偏大,主要原因是滑動接觸面間灰塵較多,導致摩擦系數變大。東側梁端向下游方向移動20cm時,與東側引橋連接較為平順,滿足行車要求,主梁復位完成。

4.4 支座更換

為滿足支座更換及便于施工的要求,兩側梁端需頂升30mm。通過模擬計算,梁端分別頂升后,鄰近吊桿索力影響較大,其中西側頂升后,B14吊桿索力減小13%;東側頂升后,B1吊桿索力減小17%;拱肋等其他構件受力均處于安全狀態。

支座更換按照先西側后東側、相同的方案進行,梁體頂升采用4套500t液壓千斤頂。為確保結構受力安全,千斤頂橫橋向分別布置在蓋梁頂四個墩柱對應的位置上,順橋向均布置在梁端第二道橫隔板(即支點處橫隔板)對應的位置上。為滿足梁體頂升后臨時支撐的需要,分別在4套千斤頂旁設置鋼墊板臨時支撐。為方便控制梁體頂升高度,在梁體頂面距梁端1m位置處設置4個標高測點。

支座更換完成后(新支座見圖6)即可拆除臨時支撐,使主梁回落到原位置,整個升降過程,標高測點的高程變化如表1所示。

表1 標高測點高程變化 單位:mm

圖6 新支座安裝后照片

主梁回落就位后,通過支座下的壓力傳感器可測讀支反力,具體數值如表2所示,可見各支座均有一定的壓力儲備。

表2 主梁就位后各支座反力 單位:t

4.5 索力調整

在調索前對全橋索力進行了通測,以獲得當前狀態下的索力,為后續工作提供依據。經測量,目前索力與目標索力相差較大,偏差在0～5%的吊桿有12根,占比42.9%;偏差在5%～10%的吊桿有7根,占比25.0%;偏差大于10%的吊桿有9根,占比32.1%;其中B1～B3吊桿由于在主梁張拉復位前進行了索力釋放,最大偏差達53.4%。

為保證調索過程結構具有足夠的安全儲備、減小吊桿力之間的相互影響,采用分批張拉、逐次逼近的方法進行。經三輪調整,最終索力與目標索力相差較小,偏差在0～2%的吊桿有15根,占比53.6%;偏差在2%～3%的吊桿有10根,占比35.7%;偏差在3%～4%的吊桿有3根,占比10.7%;同時實測支反力如表3所示。

表3 調索結束后各支座反力 單位:t

伸縮縫安裝完成后進行了荷載試驗,經測量,在最不利的布載工況下,支座仍有較大的壓力儲備,無需進一步調索。

5 結論與建議

(1)基于彎梁在溫度等作用下的變形特點,采用銷軸式約束裝置取代傳統的限位裝置,較好地解決了主梁一系列的側移病害。

(2)銷軸提供水平約束,多向活動支座提供豎向支承,該體系受力簡單明確,從根本上調整并改善了整個橋梁結構的受力性能。

(3)鋼結構加固裝置的安裝極大的提高了原蓋梁的承載力和耐久性,新支座下壓力傳感器的布設提供了跟蹤監測支反力的手段。

(4)通過模擬計算與現場控制,保證了整個結構在主梁復位、支座更換和索力調整過程中的受力安全,同時實現了設計意圖。

(5)2017年11月1日,大橋維修完成順利通車,目前運營狀況良好,鑒于該橋結構復雜,后期需加強養護管理、日常巡檢。