埡壩大橋應急搶險臨時支撐及加固技術研究*

黨權交，何思元，金 磊，雷 棟

(1中交路橋建設有限公司，北京 100027； 2.中交路橋華東工程有限公司，上海 201210)

0 引言

橋梁在運營過程中，荷載有常規(guī)的可變荷載、永久荷載、偶然荷載，除此之外，由于一些突發(fā)狀況導致橋梁受到不同類型、不同程度的損傷，特別是突發(fā)的自然災害，會對橋梁的整體結(jié)構(gòu)造成較大甚至毀滅性的傷害，因此橋梁的應急搶險監(jiān)測、維修加固顯得尤為重要。

本文以埡壩大橋搶險工程為研究對象，對其險情發(fā)生誘因及造成的病害進行詳細的調(diào)查與研究。結(jié)合搶險工程的施工特點，及時制定了科學的搶險方案，將災害造成的損失降到最低。

1 工程概況

埡壩大橋為先簡支后連續(xù)預應力混凝土T梁，標準跨徑為40m，起訖樁號：K80+716.5(ZK80+716)—K81+442(ZK81+443.6)，跨徑布置為(3×40+4×40+4×40+4×40+3×40)m，左幅橋梁全長727.5m，右幅橋長725.5m。橋面采用8cm厚C50混凝土+防水層+10cm厚的瀝青混凝土。15～18號墩為一聯(lián)，孔跨布置為3×40m，其中15～17號墩為雙柱式墩，采用嵌巖樁基礎，18號橋臺為肋板式橋臺連接樁基。

1.1 災害發(fā)生過程

2020年7月初，遵義地區(qū)正安縣普降暴雨，7月12日埡壩大橋左幅17號墩處出現(xiàn)護欄開裂、橋面下沉的情況，17，18號墩橋下坡面出現(xiàn)橫向張拉裂縫，右幅橋臺靠近小樁號橋下發(fā)現(xiàn)錯臺裂縫，張開約5cm左右。17號外側(cè)墩底開裂翹起，內(nèi)側(cè)墩靠右幅內(nèi)側(cè)開裂，張開約15cm，護墻壓碎，橋面下凹，呈淺V形(見圖1)。

圖1 橋梁現(xiàn)狀

1.2 橋梁主要病害

1)L17-1和L17-2號墩底分別產(chǎn)生往小樁號方向43cm和81.7cm的縱向位移，往外側(cè)方向40.4cm和39.4cm的橫向位移，相對應橋面產(chǎn)生87.8cm和56.8cm的豎向沉降，墩頂防撞墻產(chǎn)生擠壓混凝土崩裂等病害。

2)L17號墩兩側(cè)預制梁段端部底緣產(chǎn)生了較多橫向裂縫和橋墩方向的斜向裂縫，裂縫底部連接貫通；現(xiàn)澆段和預制段結(jié)合面產(chǎn)生了下寬上窄的豎向開裂，最大縫寬20cm，其中第18跨由外至內(nèi)逐漸增寬至20cm，第17跨由外至內(nèi)逐漸由10cm減小。

2 臨時支架支撐方案

2.1 臨時支架結(jié)構(gòu)形式分析及選用

橋梁出現(xiàn)險情時，初步判斷橋位處可能產(chǎn)生了滑坡情況，導致橋墩產(chǎn)生樁底位移或樁底附近溶洞崩塌導致墩身下沉、偏斜。現(xiàn)17號橋墩處出現(xiàn)嚴重沉降及水平移位，相鄰兩跨連續(xù)T梁在連續(xù)墩支點處出現(xiàn)V形彎折，現(xiàn)澆連續(xù)段與預制梁端連接處被拉裂，上部結(jié)構(gòu)存在落梁的風險。為防止橋墩進一步沉降、偏移而發(fā)生落梁情況，經(jīng)研究決定，前期采用搭設方便且迅速的集束支架臨時支撐，待搭設大鋼管支架支撐受力后拆除集束支架。同步進行橋梁后期加固方案研究與設計。

2.2 集束支架設計與施工

1)集束支架設計

T梁馬蹄下方碗扣支架按橫距30cm，縱距30cm，步距60cm布置，并用扣件和鋼管立桿沿縱距方向按間隔15cm進行加密，鋼管頂部設可調(diào)頂托，并沿橫橋向鋪10cm×15cm方木；T梁翼緣板下方，碗扣支架按按橫距60cm，縱距60cm，步距60cm布置，鋼管頂部不設頂托及方木。為保證支架穩(wěn)定，剪刀撐按夾角45°～60°布設，上到頂下到底，并通過扣件與每步立桿扣緊，墩兩側(cè)支架通過鋼管扣件連成整體，支架底設可調(diào)底托于硬化地面上(見圖2)。

圖2 T梁集束支架結(jié)構(gòu)

2)集束支架驗算

為保證不出現(xiàn)落梁風險，支架承載力按最不利工況(T梁與蓋梁完全脫空，集束支架承受所有上部結(jié)構(gòu)荷載)設計。根據(jù)埡壩大橋施工圖文件，統(tǒng)計上部結(jié)構(gòu)自重如表1所示。

表1 集束支架上部結(jié)構(gòu)自重

每跨上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為1 094t，支架按承載5 500kN進行驗算。采用Midas Civil建立整體模型，并對各種桿件賦予各自材料特性，取自重1.1倍安全系數(shù)，對實際施工工況下支架的整體強度、剛度及穩(wěn)定性進行驗算，計算結(jié)果表明：支架豎向位移最大值為3.1mm，最大組合應力值為141MPa，小于碗扣支架容許應力210MPa，支架一階模態(tài)臨界荷載系數(shù)為4.2>4(容許值)，說明結(jié)構(gòu)抗傾覆滿足要求，該結(jié)構(gòu)理論計算合格。

3)集束支架施工

7月27日硬化17號墩大里程側(cè)碗扣支架混凝土基礎，7月28日開始集束支架搭設，7月31日完成大里程側(cè)的搭設，8月5日完成17號墩小里程側(cè)的搭設。在開展工作面有限，各工序交叉，施工組織難度大的狀況下，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化到精心安排施工組織，整個集束支架從設計到完成僅耗時10d，為搶險工程贏得寶貴的時間。現(xiàn)場集束支架搭設如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場集束支架搭設

2.3 大鋼管支架設計與施工

1)大鋼管支架設計

左幅17號墩小樁號側(cè)大鋼管支架采用鋼管樁及承臺技術，大樁號側(cè)采用鋼筋混凝土擴大基礎。大鋼管支架立柱采用φ630×10鋼管，平聯(lián)及斜撐為φ273×9鋼管，標準節(jié)段為4m，底部通過法蘭盤、地腳螺栓連接基礎，頂部布置3I56a主橫梁，3I36a主縱梁，主縱梁上方鋪設鋼頂筒，將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞至大鋼管支架(見圖4)。

圖4 大鋼管支架結(jié)構(gòu)

2)大鋼管支架驗算

為保證不出現(xiàn)落梁風險，支架承載力按最不利工況(T梁與蓋梁完全脫空，大鋼管支架承受所有上部結(jié)構(gòu)荷載)設計。荷載計算上部結(jié)構(gòu)自重及承載力同集束支架，仍取1.1為安全系數(shù)。計算結(jié)果表明：大鋼管支架豎向位移最大值為2.2mm，最大組合應力值為25.2MPa，小于支架容許應力210MPa，支架一階模態(tài)監(jiān)界荷載系數(shù)為51>4(容許值)，說明結(jié)構(gòu)抗傾覆滿足要求，該結(jié)構(gòu)理論計算合格。

3)大鋼管支架施工

大鋼管支架標準節(jié)采用汽車式起重機安裝，調(diào)整節(jié)、承重梁、分配梁均采用手拉葫蘆配合卷揚機安裝，立柱鋼管間采用高強螺栓連接。8月8日硬化17號墩大里程側(cè)鋼管支撐基礎，8月10日開始搭設大鋼管支架，8月18日完成，17號墩小里程側(cè)自9月10日開始搭設，9月17日完成(見圖5)。

圖5 大鋼管支架現(xiàn)場施工

2.4 支架應力監(jiān)測

根據(jù)搶險的緊急及特殊性，支架搭設完成后未進行支架預壓即投入使用，且在梁體橫、縱向位移不明確的情況下，支架受力情況也不明確。為進一步掌握支架在使用過程中的安全狀態(tài)，在17號墩大樁號側(cè)集束支架頂設置應力監(jiān)測設備，進行實時監(jiān)控，專人負責采集數(shù)據(jù)。

1)應力監(jiān)測點布置如圖6所示。

圖6 集束支架應力監(jiān)測點布置

2)安裝應變監(jiān)測儀器時，支架已在受力狀態(tài)，儀器無法得到初始值。儀器安裝并調(diào)試完成后，測得穩(wěn)定值為80MPa，后續(xù)監(jiān)測降至40MPa。根據(jù)測定值變化，假定80MPa為中間值，取40MPa為上下安全浮動值，即40MPa≤測得應力值≤120MPa為安全，應力>120MPa立即發(fā)出預警。

經(jīng)幾日連續(xù)24h對支架應力監(jiān)測顯示，17號墩1T(1號T梁下方應變儀器測的數(shù)據(jù)的平均值)受力最大，峰值為30MPa；17號4T(4號T梁下方應變儀器測的數(shù)據(jù)的平均值)峰值最小，峰值為13.23MPa；且觀測值于8月17日以后趨于穩(wěn)定，符合墩柱右傾沉降的規(guī)律，小于理論計算容許應力值，測得數(shù)據(jù)均穩(wěn)定于預警值范圍內(nèi)，表明支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，梁體變形趨于穩(wěn)定。

3 維修加固方案

3.1 病害分析及加固總體思路

埡壩大橋主要病害為L17號墩嚴重沉降、偏位，導致16,17號墩頂主梁現(xiàn)澆段豎向拉斷，16號墩頂負彎矩段主梁翼緣橫向開裂，17號墩頂預制梁梁端馬蹄U形裂縫。考慮T梁梁端1m范圍底部0.6m高度不參與受力的損傷模型，梁體受力基本滿足規(guī)范要求，僅受損梁端截面下緣最大壓應力17.87MPa，超過規(guī)范限值(16.2MPa)，而該處主壓應力17.87MPa滿足規(guī)范要求；經(jīng)梁端外包混凝土加固后梁體承載能力均可滿足規(guī)范限值要求。

針對以上情況，提出以下修復思路。

1)鑒于L17號墩出現(xiàn)了嚴重的傾斜、偏位，且存在樁基斷裂的可能，對其采取拆除重建。

2)對左幅第17，18跨梁體進行空間復位。

3)鑒于左幅第17，18跨T梁預制段損傷程度較輕，在對端部進行外包混凝土、重做現(xiàn)澆連續(xù)段和恢復墩頂預應力鋼束后繼續(xù)利用。

3.2 樁基加固改造

1)L17號橋墩在橋梁外側(cè)新增4根φ2m樁基，樁基嵌入完整中風化灰?guī)r6m。樁基采用人工挖孔樁成孔，鋼波紋管支護設計(見圖7)。

圖7 加固改造結(jié)構(gòu)

2)施工預應力承臺外側(cè)橫梁，并在承臺橫梁上安裝φ820mm×16mm鋼管立柱作頂升平臺。

3.3 梁體頂升施工

1)在16號墩及18號臺蓋梁上安裝臨時縱向限位裝置。

2)利用新承臺外側(cè)橫梁上φ820mm×16mm鋼管頂升平臺，將梁體頂升至剛脫離支座卸力，切斷負彎矩鋼束，再水切割鑿除17號墩頂現(xiàn)澆連續(xù)梁。

3)再利用頂升平臺將梁體頂升復位，分級線性頂升，由內(nèi)向外每片梁頂升高度為86.1，79.3，72.6，65.8，59.1cm。梁體頂升結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 梁體頂升結(jié)構(gòu)

3.4 墩柱蓋梁提升復位

1)依托17號墩附近施工支架及原梁，搭建蓋梁提升復位系統(tǒng)(見圖9)。

圖9 墩柱蓋梁提升復位結(jié)構(gòu)

2)待蓋梁提升預緊后，對橋墩做限位措施，切斷原橋墩。

3)鑿除舊墩結(jié)合段，澆筑與新承臺結(jié)合段混凝土。

3.5 上部結(jié)構(gòu)加固

1)將L16，L17號墩頂負彎矩鋼束切斷，水切割鑿除現(xiàn)澆連續(xù)段并保留原鋼筋，水切割鑿除墩頂兩側(cè)各15m范圍內(nèi)橋面現(xiàn)澆層，T梁頂板局部開槽重新布置負彎矩鋼束，采用扁錨，單端張拉。

2)水切割鑿除L17號墩頂T梁端部2m范圍內(nèi)松散混凝土，鑿毛腹板及馬蹄，封閉混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，植筋外包15cm厚C50自密實混凝土加固。

3)橋面護欄及鋪裝按原設計恢復。

3.6 混凝土常規(guī)病害處治

1)混凝土裂縫處治 主梁翼緣板、梁肋、橫隔板裂縫寬度<0.15mm時采用表面封閉法處理，否則采用壓力注膠法處理，再進行結(jié)構(gòu)加固。

2)混凝土表面缺陷修復 對于混凝土表面存在的蜂窩、麻面、混凝土剝落、缺損、凹陷等缺陷，先鑿除松散、破損的混凝土，露出新鮮混凝土，然后利用人工除銹的方法對缺陷部位的鋼筋除銹，并將混凝土表面清理干凈，涂刷阻銹劑后，再采用聚合物水泥砂漿進行修補。

4 結(jié)語

對埡壩大橋險情誘因進行調(diào)查，制定了有效的臨時支護及病害維修加固方法，總結(jié)如下。

1)因埡壩大橋17號橋墩發(fā)生傾斜，搶險第一時間采用集束支架、斜撐及大鋼管支架對其上部結(jié)構(gòu)進行臨時支撐，維持整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止橋墩持續(xù)變形發(fā)生突然落梁。

2)針對橋墩病害，在橋梁17號墩外側(cè)新增4根φ2m 的樁基，原位拆除并新建承臺、墩柱、蓋梁，在不破壞原設計理念的前提下，保證埡壩大橋后期運營期間結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定。

3)針對上部結(jié)構(gòu)病害，采用梁體頂升復位，原位修復T梁端部后再利用，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，有效的節(jié)約工程造價成本。相較梁體整體拆除、修復后再架設方案，極大程度的減少搶險加固工期，符合搶險加固工程施工特點及要求。

4)通過對應急搶險臨時支撐結(jié)構(gòu)及加固搶險的研究，為類似搶險工程提供經(jīng)驗和參考。