城市匝道橋梁病害維修改造方案及有限元仿真驗(yàn)算

南京城市建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210019

隨著城市交通的快速發(fā)展，我國(guó)公路橋梁的建設(shè)不斷推進(jìn)，然而由于施工質(zhì)量不佳、車流量大、超載、管養(yǎng)不到位等原因，橋梁病害頻繁地出現(xiàn)。橋梁伸縮縫作為橋梁的重要構(gòu)件之一，其服役性能直接影響著橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性與行車舒適性，而根據(jù)近年來(lái)的研究及相關(guān)檢查，大量的橋梁存在梁端縫隙過(guò)大或者過(guò)小等病害問(wèn)題，這將對(duì)橋梁的長(zhǎng)期服役性能和耐久性能造成很大的影響，因此需要對(duì)此展開深入研究。文章以某城市匝道橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)梁縫病害的診治方法進(jìn)行研究。

1 項(xiàng)目概況

某城市匝道橋梁上部結(jié)構(gòu)采用斜腹板連續(xù)箱梁，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，橋臺(tái)采用組合式橋臺(tái)，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)，橋面鋪裝為9cm瀝青混凝土，調(diào)平層為6cm玻璃纖維混凝土。匝道橋全長(zhǎng)163.16m，橋梁寬度為9m（凈寬8m），跨徑組合為2×3×30m，除與主線相連伸縮縫采用D120伸縮縫外，其余均采用D80伸縮縫。橋梁位于半徑R=200m的圓曲線上，縱坡為-3.43%。原設(shè)計(jì)采用D80伸縮縫和D120伸縮縫，均為單縫構(gòu)造。

在某次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該匝道中間交接墩墩梁端間隙偏大（原設(shè)計(jì)為8cm，目前約為14cm），另外一處墩間隙過(guò)小，上寬下窄（1～3cm）。匝道過(guò)渡墩處梁端間隙過(guò)小，當(dāng)梁體整體升溫時(shí)，梁體伸長(zhǎng)造成梁端混凝土相互擠壓，存在結(jié)構(gòu)安全隱患。

2 維修改造方案

2.1 梁縫病害診治

目前對(duì)于梁端間隙過(guò)小病害的處治，較常用的方法是用繩鋸切割梁端混凝土截面。綜合考慮既有結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)、安全性及交通管制等方面，該工程梁端病害處治采用滑板頂推梁體方法，使梁體往小樁號(hào)側(cè)平移B值（根據(jù)頂推施工時(shí)環(huán)境溫度和橋梁伸縮需要而定）。

采用頂推技術(shù)可以較好地從橋底開展作業(yè)，不需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行交通管制，僅在頂推過(guò)程約3h進(jìn)行交通管制，同時(shí)伸縮縫也可不進(jìn)行更換。該方法的主要風(fēng)險(xiǎn)在于頂推過(guò)程中如何確保梁體不側(cè)翻及下滑，精準(zhǔn)頂推小距離目標(biāo)位移，并充分考慮各項(xiàng)預(yù)防措施，將風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

2.2 頂推裝置

頂推裝置由滑板底座及滑板小車組成，滑板底座上設(shè)置反力裝置，底鋼板頂面設(shè)置2mm厚鏡面不銹鋼板，與滑板小車下MGB工程塑料合金板形成整個(gè)頂推裝置的滑動(dòng)體系，如圖1、圖2所示。當(dāng)豎向千斤頂頂起梁體約3～5mm后，水平千斤頂開始工作，推動(dòng)滑動(dòng)小車前行，從而使該聯(lián)梁體沿縱橋向移動(dòng)。水平千斤頂采用液壓千斤頂，行程可采用100mm；豎向千斤頂應(yīng)采用自鎖式液壓千斤頂。

圖1 頂推裝置平面示意圖

圖2 頂推裝置立面示意圖

2.3 頂推工藝

施工時(shí)首先搭設(shè)每個(gè)橋墩的工作平臺(tái)，對(duì)梁端間隙進(jìn)行再次測(cè)量，并根據(jù)頂推時(shí)的氣溫確認(rèn)最終頂推目標(biāo)位移，然后根據(jù)頂推目標(biāo)位移復(fù)核每個(gè)橋墩處梁底楔塊鋼板。由于梁體整體向下坡側(cè)移位，如果梁底楔塊鋼板尺寸不滿足支座頂鋼板尺寸要求，應(yīng)對(duì)梁底楔塊鋼板進(jìn)行接長(zhǎng)處理。該聯(lián)梁體處于曲線上，安裝頂推設(shè)備時(shí)應(yīng)注意平行于分孔線與曲線相交點(diǎn)的切向設(shè)置，并保證頂推底座的水平。同時(shí)，結(jié)合管養(yǎng)單位養(yǎng)護(hù)時(shí)間，不需要單獨(dú)進(jìn)行交通管制。

頂升前，應(yīng)解除每個(gè)墩柱支座頂鋼板與梁底楔塊預(yù)埋鋼板的連接，當(dāng)確認(rèn)無(wú)誤后，開始進(jìn)行同步頂升作業(yè)，同步頂升高度不應(yīng)超過(guò)5mm。頂推位移按照目標(biāo)位移分級(jí)頂推，首次頂推位移為1cm，對(duì)相應(yīng)頂推裝置、梁體外觀以及C3#墩記號(hào)線兩側(cè)位移進(jìn)行觀察和測(cè)量，沒有異常現(xiàn)象后，按照一次2cm，總共分3次進(jìn)行頂推，每次頂推結(jié)束后，均應(yīng)進(jìn)行第一步相應(yīng)的工作內(nèi)容，確認(rèn)無(wú)異常情況后方可進(jìn)行下一級(jí)頂推。頂推完成后，開始落梁，各支座按照設(shè)計(jì)狀態(tài)恢復(fù)。

2.4 重難點(diǎn)

改造項(xiàng)目不同于新建項(xiàng)目，該工程采用的頂推裝置需要結(jié)合墩頂空間、支座位置、梁底楔塊、梁底距墩頂?shù)膬艟嘁约皾M足滑動(dòng)頂推的功能要求。頂推目標(biāo)位移的確定需要滿足下列條件：（1）當(dāng)一聯(lián)支座通過(guò)支座更換滿足原設(shè)計(jì)要求后，梁體升溫時(shí)，橋墩處兩側(cè)梁體不應(yīng)抵死；梁體降溫時(shí)，橋墩處兩側(cè)梁體間隙不應(yīng)過(guò)大。（2）橋墩處伸縮裝置采用D80型號(hào)，梁端間距根據(jù)設(shè)計(jì)要求為5～13cm。通過(guò)頂推目標(biāo)位移后，梁體升溫時(shí)，橋墩處兩側(cè)梁體間隙不應(yīng)小于5cm；梁體降溫時(shí)，橋墩處兩側(cè)梁體間隙不應(yīng)超過(guò)13cm。

由于該聯(lián)梁體縱斷面位于縱坡為-3.43%坡度上，在頂推施工中，梁體存在下滑的安全隱患。通過(guò)在墩梁端間隙設(shè)置超薄千斤頂，且在頂推過(guò)程中任何階段都保證千斤頂與梁端有5mm的間隙，預(yù)防梁體下滑。防下滑千斤頂個(gè)數(shù)根據(jù)全聯(lián)頂推力和全聯(lián)恒載沿縱坡的分量乘以1.3倍確定，最終采用2個(gè)100t千斤頂，通過(guò)支架置于梁端間隙。

3 計(jì)算

建立橋梁的有限元模型，如圖3所示，計(jì)算各支座處支反力大小，以便確定千斤頂?shù)男吞?hào)、個(gè)數(shù)以及布置方式。在梁體頂升過(guò)程中未封閉交通，因此需要考慮活載影響。恒載主要是橋梁結(jié)構(gòu)自重，包括護(hù)欄、橋面鋪裝、橫隔梁等的重量，頂升力考慮1.5倍的安全系數(shù)。

圖3 有限元計(jì)算模型

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)規(guī)定，該橋應(yīng)進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，同時(shí)根據(jù)抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果指導(dǎo)橋面交通管制，防止梁體頂升或持荷過(guò)程中突遇橋面大噸位車輛荷載而引起傾覆失穩(wěn)直至橋梁垮塌的惡性事故的發(fā)生。經(jīng)過(guò)計(jì)算，其穩(wěn)定系數(shù)為26，滿足規(guī)范的規(guī)定要求。

由于該聯(lián)梁體位于半徑R=200m的圓曲線與緩和曲線上，縱橋向頂推時(shí)，梁體將產(chǎn)生一定的剛體位移和變形位移。考慮4個(gè)墩柱點(diǎn)的頂推力，利用力的矢量合成（不考慮平面彎矩影響，因?yàn)槠矫鎯?nèi)梁體剛度足夠大）。不管是縱橋向還是橫橋向頂推力引起的相應(yīng)方向的力，引起的變形位移均可忽略，尤其是橫橋向力僅占總頂推力的20.7%，影響可忽略不計(jì)。剛體位移以現(xiàn)場(chǎng)梁體狀態(tài)為初始狀態(tài)，以橋墩對(duì)應(yīng)梁端線垂直于梁端方向產(chǎn)生7cm位移為目標(biāo)狀態(tài)。經(jīng)分析，在不考慮任何措施的情況下，對(duì)應(yīng)墩柱所在截面剛體位移最大為2.3cm，實(shí)際上當(dāng)千斤頂頂推方向沿墩柱所在曲線切向布置時(shí)，上述剛體位移會(huì)更小。

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)傳遞恒載反力，頂升力考慮1.3倍的安全系數(shù)，取內(nèi)嵌MGB工程塑料合金板摩擦系數(shù)0.1，得出單側(cè)滑板頂推力為397kN。

由計(jì)算結(jié)果可知，頂推鋼板最大應(yīng)力為217.1MPa（如圖4所示），鋼板絕大部分應(yīng)力水平較低，滿足Q235材料強(qiáng)度的要求；頂推鋼板最大位移為0.2mm（如圖5所示），鋼板變形較小，滿足要求。

圖4 頂推鋼板應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖5 頂推鋼板位移圖（單位：mm）

4 結(jié)束語(yǔ)

由上述研究可知，公路匝道橋梁在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)梁端間隙過(guò)小的現(xiàn)象，在整體升溫時(shí)會(huì)造成梁體伸長(zhǎng)擠壓?jiǎn)栴}，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全隱患，需要引起管養(yǎng)部門的重視。采用頂推技術(shù)不需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行交通管制，可快速完成梁縫過(guò)小病害的診治，風(fēng)險(xiǎn)低。頂推位移根據(jù)需要按照目標(biāo)位移分級(jí)頂推，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可知，在頂推過(guò)程中的梁體傾覆穩(wěn)定性、頂推鋼板受力和變形均滿足規(guī)范要求，該方案安全可靠。