某匝道橋支座更換整體頂升關鍵技術淺析

郝海峰，徐 凱，李廷斌

（西安市政設計研究院有限公司,陜西 西安 710068）

某匝道橋支座更換整體頂升關鍵技術淺析

郝海峰，徐 凱，李廷斌

（西安市政設計研究院有限公司,陜西 西安 710068）

隨著橋梁頂升技術,特別是液壓同步頂升技術的飛速發(fā)展,支座更換頂升方案得到越來越多的應用。現(xiàn)結(jié)合某連續(xù)梁匝道橋整體頂升更換支座工程實例,對頂升工程中涉及到設計、施工、監(jiān)測等方面問題提出某些探討,為其它類似頂升更換支座項目提供有益的參考。

連續(xù)梁橋；支座更換；加固設計；整體頂升；頂升監(jiān)測

0 引言

隨著橋梁頂升技術特別是液壓同步頂升技術的飛速發(fā)展,頂升方案得到越來越多的應用。這其中,尤以在現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋改造中的應用更為突出[1]。在不改變上部結(jié)構(gòu)完整性,不影響連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)承載能力的情況下,達到更換支座增加原橋壽命周期的目標,使該方法具有無可比擬的優(yōu)越性。現(xiàn)基于前人研究的基礎,結(jié)合某連續(xù)梁匝道橋整體頂升更換支座工程實例,對頂升工程中涉及到設計、施工、監(jiān)測等方面的問題提出某些探討[2]。

1 工程概況

鋼板順橋向兩板端高差最大為2.3 cm（傾斜度約為3.8%）,向橋臺（北）傾斜,即墩柱裂縫側(cè)的背面,第9跨、第10跨、第11跨、第12跨墩臺支座頂面傾斜度平均為2.5%左右。

某互通式立交橋梁全長為256 m,分三聯(lián),跨徑組成為[（4×20）+（20+2×25+20）+（4×20）]m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用單箱三室鋼筋混凝土連續(xù)箱梁,梁高均為1.3 m。下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩、肋板式橋臺,基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。

該橋于2007年通車,2012年4月,巡查人員發(fā)現(xiàn),匝道橋10#橋墩出現(xiàn)水平裂縫,并以10#墩曲線內(nèi)側(cè)橋墩的病害更為突出,并且第三聯(lián)支座出現(xiàn)了不同程度的剪切變形,對橋梁安全造成隱患。根據(jù)橋梁外觀查看結(jié)果,發(fā)現(xiàn)該橋存在如下病害。

1.1 支座剪切變形（見圖1）

經(jīng)檢查,第三聯(lián)橋梁支座均發(fā)生不同程度的剪切變形,方向均為大樁號側(cè),墩臺盆式支座頂面

圖1 支座剪切變形測量及示意圖

1.2 10#橋墩裂縫

10-1#橋墩墩柱側(cè)面共4條裂縫,基本位于地面以上1.5 m范圍內(nèi),裂縫長度在0.9～1.9 m,寬度在0.04～0.06 mm范圍內(nèi),縫呈現(xiàn)兩端窄,中間寬的形態(tài)。裂縫發(fā)生在小樁號側(cè)。10-2#橋墩墩柱側(cè)面共出現(xiàn)13條水平裂縫,裂縫基本位于地面以上1.5 m范圍內(nèi),長度在0.8～2.4 m,寬度在0.02～0.2 mm范圍內(nèi),縫呈現(xiàn)兩端窄,中間寬的形態(tài)。裂縫發(fā)生在小樁號側(cè)。

2 匝道橋加固方案

2.1 病害原因分析

根據(jù)檢測結(jié)果,10#橋墩的裂縫數(shù)量多,最大裂縫寬度達到規(guī)范限制值,經(jīng)判斷為典型的結(jié)構(gòu)受力性裂縫。由于發(fā)生裂縫的橋墩僅為10#墩,位于第三聯(lián)的中孔位置,根據(jù)受力特點,推斷產(chǎn)生病害的原因主要為縱向水平力引起墩柱靠近墩底一定范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的彎矩,從而造成墩柱出現(xiàn)水平裂縫,支座發(fā)生剪切破壞。具體原因分析如下:

（1）該橋第三聯(lián)平面位于R=500 m的圓曲線和A-70的緩和曲線上,10#墩恰位于平曲線半徑最小處,且此處縱斷面為下坡路段,車輛行駛至10#墩柱附近經(jīng)常緊急制動以降低車速,會對其產(chǎn)生較大的汽車制動力,尤其以曲線內(nèi)側(cè)10-2#墩柱受力更為不利。

（2）由橋梁支座設置的情況（見圖2）來看,除10號墩（10-2#）對應的支座為固定支座外,其余均為單向支座。因此,10-2#橋墩類似兩端固定桿件,在縱向水平力的作用下,受力呈“弓弦狀”狀態(tài), 10#墩結(jié)構(gòu)受力不利。

圖2 第三聯(lián)更換后支座類型設計示意圖

（3）縱向水平力作用在橋面上,使主梁與橋墩均產(chǎn)生變位,但橋墩變位相對較大,導致第三聯(lián)的支座整體發(fā)生向12#橋臺方向地剪切變形。

2.2 橋梁維修加固設計

為確保橋梁的安全運營和耐久性,必須對其加固修復。結(jié)合橋梁現(xiàn)階段裂縫分布、結(jié)構(gòu)計算等基本狀況,提出以下加固目標及措施。

2.2.1 加固目標

（1）恢復橋墩剛度,提高其承載能力；（2）更換支座,恢復使用功能。

2.2.2 加固措施

鋼筋混凝土柱的開裂影響墩柱的剛度和強度,必須加固處理。對墩柱的處理為噴漿、封閉裂縫后外包混凝土,提高其承載能力；對支座的處理為采用頂升法將其更換。

（1）10#墩柱外包混凝土加固；

（2）第三聯(lián)整體更換支座。

第三聯(lián)支座均有不同程度的剪切變形,需將其全部更換。為減弱縱向水平力對墩柱受力的影響,采用曲線外側(cè)支座類型更換為雙向支座,曲線內(nèi)側(cè)除10#墩為固定支座,其余為單向支座的支座布置形式,支座噸位按原設計噸位。

3 支座更換要點

3.1 支座更換原則

新支座安裝后,主橋縱橋向標高值和應力值應恢復或接近初始值,標高和應力差值不應超過相關規(guī)定。

3.2 支座更換過程

3.2.1 支座頂升方案

整個頂梁工作分為:承臺施工—支架搭設—同時起頂—更換支座—箱梁回落—恢復橋梁伸縮裝置。

3.2.1.1 承臺施工

根據(jù)樁位平面圖及主要軸線,使用水準儀定向,鋼尺量距,確定基礎位置,平整頂升支撐體系場地,用夯實機進行夯實,待承載力達到要求后,綁扎鋼筋,安裝模板,澆筑支撐體系基礎,并同時預埋所需預埋件（見圖3）。

圖3 臨時支撐基礎承臺施工圖

3.2.1.2 支架搭設

型鋼立柱支架搭設由于位于橋梁底下,采用裝載機配合挖掘機的方法吊裝,每墩位處支架立柱采用8根2I32b型鋼立柱,支架立柱之間用剪刀撐進行平聯(lián),頂升平臺采用2I32b組合型鋼搭設而成,型鋼立柱直接支承在基礎上,型鋼立柱用三角鋼板加勁滿焊于柱腳鋼板上。

在各墩頂升平臺位置安放相應噸位千斤頂（安全系數(shù)2倍以上）,進行油泵系統(tǒng)連接,形成頂升梁體系統(tǒng)（見圖4）。

圖4 頂升平臺安放千斤頂之實景

3.2.2 頂升施工工藝及要點

3.2.2.1 前期準備工作

（1）根據(jù)樁位平面圖及主要軸線,使用水準儀定向,鋼尺量距,確定基礎位置。

（2）根據(jù)現(xiàn)場實際情況,制定頂升方案,搭設頂升所需支撐,箱梁主要控制截面建立觀測點并粘貼應變計。

（3）墩兩側(cè)設置臨時頂升平臺。

3.2.2.2 梁體起頂

箱梁采用一次性整體頂升的方法。千斤頂采用分級加載的辦法進行起頂,使梁體脫離原支承體系,平托于各墩所設置的臨時支承上,各墩位所設置豎向千斤頂同步加載。

3.2.2.3 更換支座及落梁

取出舊支座前應拍照記錄其缺陷狀況,并在支承墊石上標出支座位置中心線,同時在橡膠支座上也標出十字交叉中心線,將橡膠支座安放在墊石上,使支座的中心線與墩臺的設計位置中心線重合。迅速清理放置支座處,確保無砂粒等雜物,安放新支座到原位置。新支座放置完成后開始落梁。為防止梁體損壞,或出現(xiàn)偏壓等現(xiàn)象,落梁時應緩慢進行,且各個千斤頂應同步進行。

3.2.2.4 箱梁頂升要求

（1）頂升主梁時,要求每個千斤頂?shù)捻斏俣染鶆?主梁頂升必須同步。每級頂升就位后,停止30 min,觀察梁體的受力變化（對梁體變形、位移進行監(jiān)控）,并對各墩位移進行調(diào)整,確保各墩頂升位移量相同。

（2）頂升時,在箱梁橫梁處底面與千斤頂間設置鋼梁,并在臨時支撐上用鋼板填充頂升間隙,隨頂隨墊,以防止千斤頂因意外事故突然失靈而造成事故。

（3）頂升到位后,進行臨時支墊,支墊裝置采用GJZ350×350×96板式橡膠支座,一側(cè)設置5個,支墊過程不可放松千斤頂。

（4）支墊完成取出舊支座后,在安放新支座前,需在支座位置定位,以確保支座位置準確。

（5）支座安放完畢,先將梁底臨時支墊解除,然后按起頂?shù)哪骓樞蛳侣淞后w就位。

4 支座更換施工監(jiān)控要點

根據(jù)支座更換的施工步驟和組織,支座更換施工過程監(jiān)測主要從以下幾個方面進行。

4.1 標高監(jiān)測

4.1.1 布置基準點和撓度測點

在施工過程中,采用梁體整體同步頂升。為監(jiān)測頂升及更換支座施工期間梁體的變形情況,測量支座更換后主橋的線形變化,因此需要對施工前后的橋面標高進行監(jiān)測。該項目在主橋各跨跨中和墩頂處距兩側(cè)防撞欄各50 cm處橋面布置撓度觀測點,具體觀測點布置圖見圖5所示,共布設2個基準點,18個撓度測點。

圖5 撓度測點立面及平面布置圖（單位:cm）

4.1.2 主梁底標高測量

在頂升過程中,頂升量按照千斤頂行程及毫米尺垂直測量,并在箱梁下緣(橋墩頂部)布置撓度測點,在每個墩頂支座墊石上設置百分表,對頂升高度進行精確測量和監(jiān)控,采取雙控措施。

4.1.3 反力基礎沉降觀測

在頂升過程中,在擴大基礎上設置觀測點,利用其進行全程監(jiān)測,如發(fā)現(xiàn)沉降過大,立即停止頂升,待查明原因,采取措施后,再繼續(xù)頂升,以防止發(fā)生意外。每級頂升橋墩下沉量,如30 min內(nèi)不大于0.1 mm即可認為穩(wěn)定,可以進行下一級頂升。

4.2 控制斷面應力監(jiān)測

在梁體的整體頂升過程中及各墩墩頂支座更換前后,由于各墩頂箱梁頂升的微小高程差均會在墩頂及跨中關鍵截面產(chǎn)生附加應力,因此必須對梁體關鍵部位的應力變化予以監(jiān)控,以保證施工安全及指導支座更換施工。該項目在每跨跨中,墩頂共3個控制截面建立的應力監(jiān)測斷面,應變測點分布在梁底及腹板兩側(cè)（見圖6～圖8）。

圖6 應變測點布置斷面示意圖（單位:cm）

圖7 箱梁跨中截面梁底應變觀測點設置示意圖

4.3 裂縫觀測

在頂升過程中,需在各跨墩頂及跨中位置,粘貼白紙或石膏板,通過其變化來觀測裂縫。加強對主梁關鍵控制截面的觀測,若梁體局部承壓過大或出現(xiàn)裂縫等情況,應停止頂升,并在做好分析其嚴重程度之后才能決定是否繼續(xù)頂升。

4.4 現(xiàn)場監(jiān)控具體實施步驟

4.4.1 標高監(jiān)測

（1）支座更換前讀取橋面標高初值一次。

（2）在支座更換過程中,按照實際頂升行程,每頂升一個行程對橋面撓度點觀測一次。

（3）支座更換完畢,主梁下降復位穩(wěn)定后,進行最后一次橋面標高的監(jiān)測。

在頂升時,橋墩沉降測量采用精密水準儀（見圖9）。在橋梁兩側(cè)適當部位各架設一臺水準儀進行觀測,在每個基礎上設置鋼筋頭作為觀測點（測點位置可根據(jù)現(xiàn)場情況予以調(diào)整）；頂升量按照千斤頂行程和毫米尺垂直測量,并在箱梁下緣(橋墩頂部)布置撓度測點,采取雙控措施。

圖9 頂升過程中橋面標高測量之實景

支座頂升分為三級,第一級頂升量:0.3 cm；第二級頂升量:0.3 cm；第三級頂升量:0.4 cm,累計1 cm。每級頂升的觀測時間規(guī)定為:每級頂升完畢后,持荷30 min觀測一次；累計1 h后,每隔30 min觀測一次。隨時監(jiān)測各點頂升量,使各塊主梁保持一致,以避免出現(xiàn)頂升差異造成開裂,各千斤頂頂升量差異控制在0.5 mm以內(nèi)。

圖10為梁底頂升高度監(jiān)測之實景。

圖10 梁底頂升高度監(jiān)測之實景

4.4.2 應力監(jiān)測

（1）在支座更換開始之前讀取各控制斷面應力應變初值一次。

（2）在支座更換過程中,各應力斷面進行實時監(jiān)測,千斤頂每頂升一次,各測試斷面測點進行一次讀數(shù)。更換支座期間,梁體產(chǎn)生最大應力不超過活載作用下梁體產(chǎn)生的應力,通過計算,其允許最大應力變化值控制在0.2 MPa以內(nèi)。如應力變化異常,應立即停止施工頂升,查清原因后方可繼續(xù)施工,以防止結(jié)構(gòu)開裂、保證結(jié)構(gòu)安全。

（3）支座更換完畢,主梁下降復位穩(wěn)定后,進行梁體關鍵斷面控制應力的測量。通過支座更換前后梁體的實測應力對比,判定結(jié)構(gòu)是否基本回復原有狀態(tài),梁體是否存在附加應力。

圖11為梁底控制截面應力監(jiān)測之實景。

圖11 梁底控制截面應力監(jiān)測之實景

4.4.3 監(jiān)測結(jié)果

通過對頂升全過程監(jiān)測和最后檢測表明,每個墩柱主梁頂升高度均達到更換支座要求；主梁縱向坡度和高程及縱、橫向位移均符合要求；頂升過程中應力變化在可控范圍之內(nèi),同步頂升主梁沒有產(chǎn)生裂縫,落梁后高程與原設計高程基本吻合。考慮到高速公路無法長時間中斷交通的因素,采取僅在頂升箱梁時封閉橋面交通,其余加固施工期間對橋面交通進行管制的施工方案,最長中斷交通的時間為5 h。目前該橋加固施工已經(jīng)完成,橋梁運營狀況良好。

5 結(jié)語

本文闡述了連續(xù)梁頂升更換支座的加固設計要點、施工工藝及頂升施工過程中的監(jiān)測要點,依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證了其可實施性與安全性,并得出以下結(jié)論:

（1）在整體頂升方案的設計前,需對既有橋梁存的在病害進行全面檢測,尤其是結(jié)構(gòu)本身承載力進行判定,做好相應的加固設計,確保頂升前結(jié)構(gòu)的安全性。

（2）在頂升過程中,為保證橋梁的整體姿態(tài)所進行的監(jiān)測,包括結(jié)構(gòu)的平動、轉(zhuǎn)動、傾斜等位移監(jiān)測、全橋關鍵截面應力狀態(tài)監(jiān)測及裂縫監(jiān)測。為了保證其頂升過程中的安全,必須嚴格按照加固設計的頂升步驟進行分級監(jiān)測,嚴格控制誤差范圍,將監(jiān)測貫穿于頂升全過程中。

（3）橋梁頂升更換支座后,與頂升前相比,結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、位移狀態(tài)變化不大,且使用性能得到了較大的改善。橋梁整體頂升更換支座方案為一種經(jīng)濟、快速、安全的橋梁加固方法,是一種值得大力推廣的加固技術。

通過對該連續(xù)梁匝道橋整體頂升更換支座工程實例的分析研究,驗證了該項頂升方案的設計及其施工、監(jiān)測方案的可實施性,也為今后類似工程提供了參考。

[1]桂學.橋梁頂升技術研究[D].陜西:長安大學,2005.

[2]李志峰.橋梁同步頂升技術的研究與展望[J].山西建筑,2010, (28):297-2988.

U443.36

B

1009-7716（2017）07-0131-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.038

2017-03-23

郝海峰（1985-）,男,陜西榆林人,工程師,從事橋梁工程設計工作。