公路橋梁墩柱偏位典型病害特征分析及維修處治措施研究

徐富強(qiáng)

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已取得巨大成效，公路建設(shè)規(guī)模已基本滿足現(xiàn)有交通需求，公路設(shè)施已從大規(guī)模建設(shè)階段過渡為大規(guī)模養(yǎng)護(hù)階段，其中已建成運(yùn)營的公路橋梁逐漸出現(xiàn)橋梁病害，部分橋梁缺損程度嚴(yán)重，技術(shù)狀況評(píng)定為4類或5類[1]，需要及時(shí)維修，保證橋梁安全運(yùn)營。以某預(yù)制簡支變連續(xù)T型梁為工程背景，在橋梁運(yùn)營階段的定期檢查中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)梁簡支墩墩柱以及蓋梁中心線明顯偏離梁端伸縮縫中心線，盆式支座出現(xiàn)嚴(yán)重的剪切損壞；經(jīng)過豎直度測量，墩柱偏移量已超出規(guī)范[2]限值，將削弱墩柱承載能力和穩(wěn)定性，極大地降低橋梁的使用壽命[3]。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)分析提出了墩柱糾偏復(fù)位、更換新型球型支座以及墩柱加固等綜合維修處治措施，通過近三年的跟蹤測量，證明該處治措施的有效性，為同類型橋梁的檢測及維修提供參考。

1 工程概況

1.1 墩柱偏位典型病害

某公路橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制裝配式后張預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，跨徑布置為(5×30)m+(4×30)m+(5×30)m，每孔5片梁，交角為90°，橋梁縱坡為2.0%～4.0%；伸縮縫采用模數(shù)式伸縮縫，全橋支座采用盆式橡膠支座，規(guī)格分別為GPZDX、GPZSX、GPZGD。下部結(jié)構(gòu)橋墩為雙柱式柔性墩，墩柱高度為9～23m，墩柱直徑1.4m。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。

在橋梁運(yùn)營階段定期檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)該橋簡支墩蓋梁中心線偏離梁端中心線，墩柱及蓋梁向上坡方向(大樁號(hào)方向)偏斜，且墩柱底部存在多道橫向裂縫，最大寬度為0.4mm，裂縫分布于小樁號(hào)側(cè)底部，如圖1、圖2所示，進(jìn)而對(duì)該橋進(jìn)行專項(xiàng)檢測。

圖1 簡支墩梁端偏離蓋梁中心線

圖2 簡支墩墩柱底部橫向裂縫

經(jīng)過專項(xiàng)檢測，發(fā)現(xiàn)簡支墩(5號(hào)墩、9號(hào)墩)蓋梁頂盆式橡膠支座剪切損壞嚴(yán)重，支座鋼盆及底座鋼板整體隨蓋梁向小樁號(hào)側(cè)竄動(dòng)，支座橡膠及聚四氟乙烯板均被擠壓外露，支座均失效，如圖3、圖4所示。墩柱豎直度測量結(jié)果如表1所示。

表1 橋墩縱橋向墩柱豎直度測量結(jié)果表

圖3 檢測時(shí)4號(hào)墩蓋梁頂支座現(xiàn)狀

圖4 檢測時(shí)9號(hào)墩蓋梁頂支座現(xiàn)狀

對(duì)簡支墩小樁號(hào)側(cè)梁底支撐位置預(yù)埋鋼板的順橋向坡度進(jìn)行測量，具體測量結(jié)果如表2所示。

表2 簡支墩梁底預(yù)埋鋼板坡度測量結(jié)果表

1.2 墩柱偏位特征分析

結(jié)合現(xiàn)場檢測病害情況，該橋橋面簡支墩5號(hào)墩、9號(hào)墩頂伸縮縫開口值基本勻稱，未見異常，除5號(hào)墩、9號(hào)墩外的其他橋墩以及橋梁兩側(cè)橋臺(tái)沒有明顯的縱向位移，說明上部結(jié)構(gòu)在縱橋向沒有發(fā)生整體位移。通過綜合分析，發(fā)生墩柱偏位的橋梁具有以下典型特征：

(1)橋面存在較大縱坡，梁底支座支撐面不水平。橋梁所在線路存在較大縱坡，且橋面縱坡由橋梁上部結(jié)構(gòu)形成時(shí)，梁底面一般跟隨梁體存在縱向傾斜面，為了實(shí)現(xiàn)支座頂?shù)卒摪逯蚊鏋樗矫妫鸵谑┕r(shí)在梁底支撐位置預(yù)埋支座調(diào)平鋼板。在橋梁施工階段，尤其是上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制裝配式梁橋，實(shí)際施工控制不到位，使得梁底預(yù)埋鋼板或者楔形找平鋼板幾乎與梁底傾斜面保持一致，不能實(shí)現(xiàn)落梁時(shí)支座頂鋼板支撐面為水平面。在橋梁運(yùn)營階段，上部結(jié)構(gòu)自重等恒載以及車輛荷載會(huì)在支撐面形成沿橋梁縱坡的水平分力，并作用于橋墩或蓋梁頂部，形成墩柱變形偏位。梁底支撐面不水平為墩柱偏位的主要誘因。

(2)墩柱為高度較大的柔性墩。墩柱高度較大的柔性墩或排架墩，在同等縱向水平分力的作用下，墩柱抗彎能力較弱，更容易產(chǎn)生縱向偏位以及在墩底產(chǎn)生橫向裂縫。

(3)發(fā)生偏位的墩柱均為簡支墩。溫度作用，在支座鋼板處產(chǎn)生“年輪”現(xiàn)象；整體升溫和整體降溫作用使簡支端兩側(cè)梁體伸縮，在墩頂或蓋梁頂產(chǎn)生水平分力的差值，水平分力合力指向上坡方向，加劇了簡支端支撐的橋墩產(chǎn)生上坡方向變形偏位[4]，墩頂或蓋梁受梁體自重的抑制出現(xiàn)不可恢復(fù)的殘余位移，在支座鋼板上逐年形成縱向累積位移的痕跡。

2 墩柱偏位維修處治措施

2.1 墩柱糾偏復(fù)位處治措施

針對(duì)出現(xiàn)偏位的橋梁墩柱，豎直度超過規(guī)范的限值，最直接有效的方式就是將墩柱向反方向糾正，使其豎直度符合要求，方可繼續(xù)正常利用。利用設(shè)置的臨時(shí)支座滑動(dòng)摩擦系數(shù)差原理，制定了墩柱雙控糾偏方案，并采用數(shù)控同步多點(diǎn)頂推施工方法，即修正墩柱豎直度的同時(shí)，控制水平頂推力不宜過大。開始糾偏施工時(shí)，首先將主梁整體頂升，拆除原支座，安裝臨時(shí)支座并在臨時(shí)支座上設(shè)置滑動(dòng)面，落梁；觀測梁體及墩柱是否異常，然后開始水平頂推施工，觀測豎直度恢復(fù)量以及頂推位移量，水平頂推施工后開始監(jiān)測墩柱豎直度變化情況。墩柱糾偏復(fù)位處治措施可以有效地將墩柱豎直度恢復(fù)為符合規(guī)范要求，但不能從根本上解決墩柱偏位的產(chǎn)生誘因。墩柱糾偏復(fù)位施工過程如圖5、圖6所示。

圖5 墩柱糾偏臨時(shí)支座安裝

圖6 糾偏施工過程中數(shù)值監(jiān)控

2.2 更換新型球型支座

針對(duì)支座位置支撐面不水平問題，設(shè)計(jì)使用了新型球型支座，當(dāng)墩柱糾偏復(fù)位后，拆除原支座以及施工臨時(shí)支座，替換為新型球型支座。該新型球型支座利用中間球型鋼襯板和球面聚四氟乙烯板的滑動(dòng)以實(shí)現(xiàn)支座轉(zhuǎn)動(dòng)，除具有豎向轉(zhuǎn)動(dòng)角度大(設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角可達(dá)±0.05rad)的特點(diǎn)之外，最大的創(chuàng)新之處在于球型鋼襯板凸球面朝向支座上部，球面聚四氟乙烯板位于支座上頂板鋼盆內(nèi)，并包裹球型鋼襯板，圓形平面聚四氟乙烯板以及平面底鋼板位于支座底部。糾偏施工完畢再次落梁后，該新型球型支座頂板鋼盆能與帶有傾斜角度的梁底面相適應(yīng)，使得支座頂?shù)撞恐蚊孀詣?dòng)調(diào)整為豎直方向，進(jìn)而從根本上解決墩柱偏位的誘因。新型球型支座具體實(shí)物如圖7～圖9所示。

圖7 新型球型支座頂鋼盆及球型鋼襯板

圖8 新型球型支座球面鋼襯板及下底板

圖9 新型球型支座

2.3 墩柱加固處治措施

對(duì)于墩柱偏位較嚴(yán)重的情況，墩柱底部已經(jīng)產(chǎn)生橫向裂縫病害，則需要對(duì)墩柱進(jìn)行加固維修。對(duì)于裂縫寬度小于等于0.15mm的墩柱，先對(duì)裂縫進(jìn)行封閉處理，并采用在墩柱周圍粘貼碳纖維布的維修加固措施[5]。對(duì)于裂縫寬度大于0.15mm的墩柱可采用增加截面的方法在原墩柱底部外包混凝土進(jìn)行加固維修。

3 墩柱偏位維修后監(jiān)測

針對(duì)本文背景橋梁存在的墩柱偏位病害，經(jīng)過糾偏復(fù)位、更換新型球型支座以及墩柱外包混凝土加固綜合維修處治之后，為了驗(yàn)證所提出的綜合處治措施的有效性，特對(duì)該橋5號(hào)墩、9號(hào)墩進(jìn)行跟蹤測量，測量結(jié)果如圖10所示。

圖10 墩柱偏位綜合處治豎直度跟蹤測量結(jié)果

通過近三年的跟蹤測量結(jié)果表明，提出的針對(duì)墩柱偏位的綜合維修處治措施可以有效地解決因梁底支撐面不水平造成的墩柱偏位及衍生病害，維修處治后的橋梁墩柱豎直度未見明顯發(fā)展，證明該綜合處治方案的有效性。

4 結(jié)語

橋梁定期檢查過程中發(fā)現(xiàn)的墩柱偏位的病害較為常見，如不及時(shí)維修處治，將會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營帶來極大隱患，針對(duì)該類病害分析總結(jié)了該類橋梁發(fā)生墩柱偏位所具有的病害特征以及橋梁結(jié)構(gòu)特征，提出的綜合維修處治措施，可在較短的工期內(nèi)使其恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

通過該類橋梁病害特征總結(jié)，可以得到以下幾點(diǎn)提示：

(1)縱坡較大的橋梁，在施工過程中要嚴(yán)格控制支座上下支撐面的施工精度，尤其是預(yù)制裝配式橋梁在落梁后保證其梁底支撐面為水平面。

(2)對(duì)于落梁后梁底傾斜面未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的，可及時(shí)在梁底增加調(diào)平楔形鋼板的方式進(jìn)行支撐面調(diào)平，確保支座水平。

(3)墩柱底部未見橫向裂縫的，墩柱偏位對(duì)墩柱底部產(chǎn)生的附加作用力未超過墩柱承載能力，可不必對(duì)墩柱進(jìn)行維修加固，只進(jìn)行墩柱糾偏復(fù)位以及更換新型球型支座即可。

(4)墩柱底部存在堆土壓力或地基不穩(wěn)定，也會(huì)造成墩柱偏位，此病害的產(chǎn)生機(jī)理與梁底支撐面不水平造成的墩柱偏位不同，維修加固措施也不同。