長(zhǎng)沙2號(hào)橋病害分析與加固設(shè)計(jì)

張坤 劉新洲

收稿日期：2023-11-03

作者簡(jiǎn)介：張坤（1991—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)與加固。

摘要 以某高速上的長(zhǎng)沙2號(hào)橋的工程處治為背景，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為根據(jù)，進(jìn)行建模分析，得到結(jié)論：5號(hào)橋墩傾斜且樁基承載力不足，需要進(jìn)行加固處治。同時(shí)，從橋面系、主梁、橋墩沉降等方面對(duì)所產(chǎn)生的病害進(jìn)行分析，最終推測(cè)橋墩傾斜可能由施工放樣不當(dāng)所致，確定處治方案為：在5號(hào)橋墩外側(cè)外包混凝土補(bǔ)強(qiáng)、包直，在5號(hào)橋墩中心位置前后增設(shè)樁基。應(yīng)用有限元軟件驗(yàn)算，處治后的橋墩，能夠滿足要求。

關(guān)鍵詞 加固設(shè)計(jì)；病害分析；橋墩傾斜；有限元驗(yàn)算

中圖分類號(hào) U441文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B文章編號(hào) 2096-8949（2024）01-0077-03

0 引言

作為基礎(chǔ)建設(shè)中的一部分，橋梁對(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有關(guān)鍵的作用，其安全性是至關(guān)重要的。對(duì)于一些老化或者損壞的橋梁，如拆除重建，經(jīng)濟(jì)性差。故應(yīng)分析出病害的原因，針對(duì)性處治。該文對(duì)某高速上的長(zhǎng)沙2號(hào)橋的病害進(jìn)行研究，并給出了相應(yīng)的處治措施，處理的方法、思路或許能夠被相關(guān)人員所借鑒。

1 橋梁狀況

右線長(zhǎng)沙2號(hào)橋位于某高速公路，橋梁總長(zhǎng)為360 m，全長(zhǎng)分兩聯(lián)，橋跨組合為5×40 m+4×40 m。該橋上部采用預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）T梁，橋臺(tái)采用柱式臺(tái)，3、4號(hào)橋墩采用空心墩，其余橋墩采用柱式墩，基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)，橋面采用10 cm厚C40混凝土現(xiàn)澆層、11 cm厚瀝青混凝土鋪裝層。

橋址處地勢(shì)相對(duì)平坦，場(chǎng)區(qū)地貌屬于低山丘陵單元區(qū)。橋址區(qū)未發(fā)現(xiàn)區(qū)域深大活動(dòng)斷裂、不良地質(zhì)及特殊土。橋址區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件相對(duì)較簡(jiǎn)單，整體穩(wěn)定性好。

2 病害情況

（1）通過(guò)對(duì)全橋墩柱頂部和蓋梁交接位置進(jìn)行檢查，5-1#立柱頂大樁號(hào)側(cè)混凝土破損：A=0.65×0.3 m2。

（2）通過(guò)對(duì)全橋墩柱底部與地面交接處進(jìn)行檢查，均未見(jiàn)立柱底部存在裂縫，周邊土體未見(jiàn)異常。

（3）1～7#墩共12根立柱存在不同程度傾斜，具體數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)第一冊(cè)土建工程》（JTGF80/1—2017）表8.6.1-1，當(dāng)墩高大于5 m且小于等于60 m時(shí)，現(xiàn)澆全高墩豎直度要求為小于墩高的1‰且小于20 mm[1]。

（4）右線長(zhǎng)沙2號(hào)大橋橋墩高程變化不明顯，1#、2#墩有輕微上升情況，其余橋墩輕微下沉。

（5）5號(hào)墩頂14個(gè)支座四氟滑板均存在縱橫向偏位情況，另外有3個(gè)支座向后剪切變形8°，2個(gè)支座向后偏壓，1個(gè)支座下鋼板與墊石交接處開(kāi)裂。

（6）5號(hào)墩梁端中心線與蓋梁中心線不在同一位置，蓋梁中心線位于大里程側(cè)，兩者偏差為25.5 cm，其余墩也存在輕微偏差。

3 橋梁安全性驗(yàn)算結(jié)果

3.1 5號(hào)橋墩傾斜驗(yàn)算

模型考慮墩柱實(shí)際傾斜和支座偏位情況，采用m法考慮樁土共同作用，按照橋墩最不利受力狀況進(jìn)行加載，利用Midas Civil進(jìn)行模擬驗(yàn)算。按照公通規(guī)[2]進(jìn)行承載能力驗(yàn)算。其承載能力驗(yàn)算基本組合如下：①基本組合Ⅰ：1.2永久荷載+1.4汽車荷載+1.05支座摩阻力；②基本組合Ⅱ：1.0永久荷載+1.4汽車荷載+1.05支座摩阻力；③基本組合Ⅲ：1.2永久荷載+1.4支座摩阻力+1.05汽車荷載；④基本組合Ⅳ：1.0永久荷載+1.4支座摩阻力+1.05汽車荷載。

單向荷載作用下墩柱彎矩，最不利為基本組合Ⅲ、Ⅳ?？刂平孛娣謩e為柱高11 m處、柱底和樁頂以下3 m處，其最大內(nèi)力和抗力，如表2所示。驗(yàn)算結(jié)果表明，墩柱傾斜產(chǎn)生較大的彎矩，墩柱和樁基承載力設(shè)計(jì)值小于作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值，差值介于21.8%～40%之間，使墩柱處于非常不利受力狀況，存在安全隱患，且最大計(jì)算裂縫為0.6 mm，大于0.2 mm，不滿足規(guī)范要求，因此需對(duì)5號(hào)墩進(jìn)行加固處治。

3.2 其他橋墩傾斜驗(yàn)算

其余橋墩分別為1～4、6～8號(hào)墩，其中1、8號(hào)墩為連續(xù)墩，其余墩為固結(jié)墩。按照墩柱實(shí)際傾斜建立整體模型，考慮墩梁效應(yīng)和樁土效應(yīng)，模型圖如圖1所示。

按照公通規(guī)要求進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，其承載能力驗(yàn)算基本組合如下：①基本組合Ⅰ：1.2永久荷載+1.0收縮及徐變作用+0.5沉降+1.4汽車荷載+1.05溫度作用；②基本組合Ⅱ：1.0永久荷載+1.0收縮及徐變作用+0.5沉降+1.4汽車荷載+1.05溫度作用；③基本組合Ⅲ：1.2永久荷載+1.0收縮及徐變作用+0.5沉降+1.05汽車荷載+1.4溫度作用；④基本組合Ⅳ：1.0永久荷載+1.0收縮及徐變作用+0.5沉降+1.05汽車荷載力+1.4溫度作用。

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，樁柱式墩最不利位于局部沖刷線，薄壁固結(jié)墩柱頂最不利。驗(yàn)算結(jié)果如表3所示，橋墩及樁基最大裂縫寬度為0.11 mm，小于0.2 mm[3]，滿足規(guī)范要求，可暫不處治。

4 橋墩傾斜成因分析

4.1 橋面系狀況與橋墩傾斜關(guān)系分析

（1）橋面標(biāo)線順直，橋梁護(hù)欄狀況良好，可見(jiàn)成橋后主梁未發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。

（2）該橋在0#、9#橋臺(tái)頂處為D80模數(shù)式伸縮縫，5#墩處為D160模數(shù)式伸縮縫。橋臺(tái)處伸縮縫型鋼良好，間隙正常；5#墩伸縮縫邊鋼梁平順，中鋼梁在2～3車道向小里程側(cè)扭曲變形，型鋼未頂死。5#墩伸縮縫中梁變形為多縫伸縮縫的典型病害，該伸縮縫異型鋼有多道焊縫，局部位置扭曲，變形方向與墩柱傾斜方向相反，因此可推斷伸縮縫病害與主梁、橋墩無(wú)關(guān)聯(lián)。

綜上，橋面系并未發(fā)生與主梁移位、橋墩傾斜相關(guān)的狀況，成橋后主梁未發(fā)生明顯移動(dòng)。

4.2 主梁狀況與橋墩傾斜關(guān)系分析

（1）5#墩處主梁下端間隙與設(shè)計(jì)一致，4#墩梁端間隙大于設(shè)計(jì)12.5 cm，6#墩梁端小于設(shè)計(jì)2.5 cm，表明第5跨主梁偏向5#墩布置，第6跨略偏向6#墩布置，蓋梁頂部?jī)A斜約40 cm，按照此數(shù)據(jù)計(jì)算梁間隙中心與蓋梁中心偏差為40?12.5?2.5=25 cm，與實(shí)測(cè)偏差25.5 cm基本相符，可見(jiàn)5#橋墩傾斜導(dǎo)致梁端間隙中心與蓋梁中心產(chǎn)生偏差。

（2）5#墩柱往大里程方向傾斜后，第5跨徑增加，第6跨徑減少，導(dǎo)致預(yù)制T梁底鋼板位置與支座位置發(fā)生錯(cuò)位，其錯(cuò)位方向與傾斜方向一致。

（3）該橋第一聯(lián)2～4#墩、第二橋6、7#墩為墩梁固結(jié)，5#墩為設(shè)置滑板支座的過(guò)渡墩，主梁只能隨固結(jié)墩移動(dòng)，不可能隨5#墩移動(dòng)。3、4#墩往小方向存在輕微傾斜，與5#墩傾斜方向相反，可判斷主梁沒(méi)有推動(dòng)5#墩傾斜，也未隨該墩傾斜產(chǎn)生水平移動(dòng)，因此5#墩傾斜與主梁無(wú)關(guān)。

綜上，成橋后主梁未發(fā)生明顯移動(dòng)，5#墩傾斜與主梁無(wú)關(guān)，橋墩傾斜導(dǎo)致梁端中心與蓋梁中心、梁底鋼板中心與支座中心產(chǎn)生偏位。

4.3 橋墩沉降、傾斜數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，共進(jìn)行12次監(jiān)測(cè)，環(huán)境溫度下降6次，升溫4次，溫度持平1次。

（1）橋墩沉降與溫度無(wú)明顯關(guān)系，除1號(hào)墩有1.6 mm抬升外，其余橋墩基本處于下沉趨勢(shì)，根據(jù)竣工資料，7#墩樁基按照摩擦樁設(shè)計(jì)，其嵌入深度相對(duì)較淺，可能受力導(dǎo)致沉降相對(duì)很大，也有可能是測(cè)量誤差。

（2）橋墩各期監(jiān)測(cè)的橫向變位極小，可忽略不計(jì)。2#、5#、7#墩的縱向變形累計(jì)差值與傾斜方向一致，其余墩相反。橋墩傾斜變化值與溫度無(wú)明顯相關(guān)性，難于判斷梁不動(dòng)點(diǎn)位置。

綜上，橋墩沉降為正常受力現(xiàn)象；橋墩傾斜總體變化值小，與溫度無(wú)明顯相關(guān)性，5#橋墩傾斜變化值仍未趨于零，可能橋墩傾斜后在豎向力或水平力作用下，變形并非瞬間完成，混凝土的徐變效應(yīng)使橋墩產(chǎn)生緩慢變形。

4.4 其他因素分析

（1）5#墩為伸縮縫墩，墩頂設(shè)置滑板橡膠支座，相鄰2#～4#、6#、7#墩為固結(jié)墩，水平力作用下主要由固定墩承擔(dān)，因此墩柱傾斜不可能是水平力所致。

（2）橋址區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件相對(duì)較簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，未見(jiàn)不良地質(zhì)及特殊土，整體穩(wěn)定性好，也可排除因地質(zhì)情況導(dǎo)致樁基傾斜或移位。

綜上分析，墩柱傾斜可能由施工放樣不當(dāng)所致，也不排除受力變形，橋墩在初始傾斜條件下，受溫度、水平力等作用及P-Δ效應(yīng)影響，導(dǎo)致5#墩仍緩慢地變形。

5 橋梁維修加固設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

5.1 橋墩維修加固

根據(jù)前面的橋墩傾斜計(jì)算結(jié)果，5號(hào)墩墩身需要進(jìn)行維修加固，5#橋墩樁基下沉且沉降值未趨于穩(wěn)定，故5號(hào)墩樁基也需要進(jìn)行維修加固。5號(hào)墩墩身可以采用拆除重建或加固措施，拆除重建美觀性好、處治效果好，但社會(huì)影響大，故采用加固措施。5#橋墩樁基常見(jiàn)可采用的處治方法有增加樁基側(cè)摩阻力，如樁周注漿、打擠壓樁等[4]；增加樁基與原來(lái)的樁基共同受力。增加樁基側(cè)摩阻力的方法理論上可行，但最終成效受施工質(zhì)量等因素影響大，且不易檢測(cè)。故采用增加樁基的方法對(duì)5#橋墩樁基進(jìn)行處治。

具體加固措施如下：在原橋墩中心位置前后各增設(shè)一根樁基，設(shè)置多邊形承臺(tái)與原樁基形成整體，新舊承臺(tái)之間通過(guò)植筋連接。對(duì)原墩柱在新增承臺(tái)之上范圍外包C40混凝土補(bǔ)強(qiáng)、包直，在原墩柱外側(cè)植筋，新舊混凝土通過(guò)植筋共同受力。蓋梁小里程側(cè)采用C40混凝土加寬60 cm，蓋梁新舊混凝土同樣通過(guò)植筋共同作用，新增支座墊石，尺寸按照原設(shè)計(jì)控制，墊石采用C50自密實(shí)細(xì)石混凝土，支座按照原設(shè)計(jì)頂升復(fù)位。加樁采用鉆孔灌注樁，直徑為1.5 m，樁長(zhǎng)采取動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，若持力層巖石為較硬巖、較軟巖時(shí)，按照嵌巖樁設(shè)計(jì)，嵌巖深度分別不小于4 d、5 d[5]；若為軟巖時(shí)，按照摩擦樁設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)5號(hào)墩支座頂梁復(fù)位。墩頂支座因墩柱傾斜導(dǎo)致與梁底鋼板偏位，采用單墩同步頂升法進(jìn)行復(fù)位，頂升高度不得大于5 mm。復(fù)位前按照設(shè)計(jì)要求增設(shè)墊石，新墊石高度按照支座位置的實(shí)際支撐高度反算，實(shí)測(cè)高度即為現(xiàn)狀高度，若新舊墊石位置沖突，應(yīng)先鑿除舊墊石，鑿除前應(yīng)設(shè)置臨時(shí)支撐。施工時(shí)如發(fā)現(xiàn)支座開(kāi)裂等病害，應(yīng)按照原設(shè)計(jì)進(jìn)行更換。

5.2 加固后橋墩驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，支座頂升復(fù)位期間，封閉橋上交通，僅考慮恒載作用，支座頂升復(fù)位后，墩頂瞬時(shí)位移為

0.5 mm（往小里程側(cè)）。復(fù)位后，僅考慮小里程側(cè)、大里程側(cè)汽車反力，墩頂瞬時(shí)位移分別為2.5 mm（武漢側(cè)）、1.3 mm（大里程側(cè)），長(zhǎng)期位移分別為4 mm、2.1 mm。

若考慮汽車制動(dòng)力（不大于支座摩阻力），墩頂大里程方向瞬時(shí)位移為81.5 mm（往大里程側(cè)），長(zhǎng)期位移為130 mm（往大里程側(cè)）。墩底為受力最不利位置，作用組合彎矩值為21 509.8 kN·m，作用組合軸力值為16 282.9 kN，抗力為38 701.1 kN，滿足規(guī)范要求，墩柱最大裂縫寬度為0.12 mm，小于0.2 mm，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)沙2號(hào)大橋的橋梁安全性驗(yàn)算及病害分析，結(jié)合工程特點(diǎn)對(duì)橋墩采用外包混凝土補(bǔ)強(qiáng)、包直，既加強(qiáng)了原墩柱的承載能力，又改變了原墩柱的垂直度，美觀性較好。對(duì)承載力不足的樁基，增加承臺(tái)與新樁基。新舊樁基通過(guò)承臺(tái)共同受力，改善原樁基受力，阻止樁基下沉。

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