高速匝道獨柱墩橋梁加固維修應用

葉鑫

（太倉市公路事業發展中心，江蘇 蘇州 215400）

1 工程背景

獨柱墩橋梁在視覺上具有線條流暢、視覺通透、外形美觀等優點；在工程上具有下部結構工程量小、節約占地，跨線時對橋下交通影響小等突出優勢。由于箱梁結構被廣泛應用于國內外市政高架、立交樞紐、公路互通等結構，為滿足通行要求，橋下空間受限時，常采用獨柱式橋墩。但是，此類橋梁存在的突出問題也逐步顯現，如：聯端支座脫空導致主梁撓曲變形明顯、曲線橋中出現的主梁橫向爬移、墩柱或者蓋梁開裂、支座的擠壓變形、整體側向傾覆等。其中，橋梁整體側向傾覆沒有明顯的預兆，猝然發生，危害極大。在偏心偶然超載作用下，獨柱墩橋梁由于本身抗傾覆的能力較弱可能發生整體橫向失穩，從而引發橋梁安全事故。橋梁傾覆隱患如果是橋梁支座脫空或橋梁上部結構側翻、傾覆，都直接影響橋梁的安全和正常使用性能。自2007年以來，國內連續發生多起獨柱墩（單支點）橋梁上部結構傾覆事故。特別是2019年，江蘇省內發生的獨柱墩（單支點）橋梁上部結構傾覆的重大安全事故，造成重大社會影響。所以，針對我市高速公路匝道獨柱墩橋梁的加固維修就顯得迫在眉睫。

2 橋梁現狀

獨柱墩橋梁主要分布在高速公路及普通國省干線公路上。在太倉市境內，沿江高速互通為連接S339和沿江高速的互通式立體交叉，根據《2019年蘇州市普通國省干線公路長大橋梁定期檢測評定報告》可知，沿江高速互通C 匝道橋，如圖1所示，技術狀況評定結果為二類橋。外觀檢查結果發現主梁的翼板存在橫向裂縫，縫寬為0.08～0.14mm。腹板存在豎向裂縫，縫寬為0.08～0.14mm。底板存在1 處0.005m的破損；支座存在鋼盆銹蝕病害，位于5臺2支座輕微鋼盆銹蝕；橋臺臺帽存在鋼筋銹蝕和7 處鋼筋銹脹病害；臺背也存在斜向裂縫、豎向裂縫等病害。

圖1 S339 沿江高速互通C 匝道橋平面布置圖

此次加固橋梁位于S339 沿江高速互通C 匝道上，共計1 座。該橋梁設計于2007年，原設計汽車荷載：公路-I 級。該橋平面位于A=179.764m 的緩和曲線上，跨徑組成為5～20m，橋寬8.5m。上部結構采用等截面鋼筋混凝土連續箱梁，下部結構橋墩采用柱式墩，基礎采用群樁多樁承臺基礎。根據現場調查及老橋資料，匝道橋聯端采用雙支座布置，其余連續墩位置均采用獨柱單支座布置，如圖2所示。獨柱墩立柱直徑1.3m，承臺寬度5.7m，厚度2.0m。樁基直徑1.2m。橋下無下穿道路及河流，該橋梁梁體及所有獨柱墩均具備改造條件。

圖2 獨柱墩橋梁側面照現狀

3 加固設計方案選擇

根據現場條件、結構合理性、施工難易程度、后期養護、造價等方面的考慮，提出了3 個方案。方案一：增大墩身截面，提高墩柱的承載力，支座能夠靈活調整，橫向雙支座不會脫空，混凝土墩柱后期易養護，但是施工時間長，墩柱自重加大，從而增加了墩頂反力，單墩改造的建安費約為37 萬元。方案二：增大設樁基增大墩身截面，優點在于新增樁基、加大橋墩截面尺寸，提高了墩柱和樁基的承載力，安全性好。支座位置可根據計算需求靈活調整，橫向雙支座布置，落梁后每個支座受力均勻、明確，最不利偏載作用下支座不會脫空，混凝土后期易養護，但是施工時間長，新增樁基受橋下凈空限制，施工較為困難，新老樁基樁長、樁徑不同，易產生沉降差，后期需要注漿。橋下空間受限，樁基施工較麻煩。單墩改造的建安費約為62 萬元。方案三：增設鋼蓋梁，優點在于橋梁頂升過程中僅需進行支座安裝及拆除，中斷交通時間較短，可利用新增鋼蓋梁作為頂升基礎，無需搭設頂升臨時支撐，橋墩恒載增加較小，對樁頂反力影響較小，施工工藝相對簡單，工期較短。但是缺點也同樣明顯，新增鋼蓋梁通過錨栓與原有混凝土橋墩連接，錨栓長期外露，錨栓孔易滲水，耐久性較差，且鋼蓋梁存在腐蝕、銹蝕問題，需定期養護。新增鋼蓋梁后引起了墩頂橫向彎矩，需對墩身強度進行驗算校核，必要時需對墩身進行適當加固。鋼蓋梁與墩柱之間通過錨栓連接，錨栓連接的可靠性不易保障。單墩改造的建安費約為25 萬元。

針對S339 沿江高速互通C 匝道橋，經過多方面比對、篩選，最終太倉確認使用方案一進行橋梁墩柱的加固方案。

3.1 獨柱墩改為實體墩

S339 沿江高速互通C 匝道橋采用多排樁承臺基礎，采用增大墩身截面的加固方案，將C 匝道橋所有獨柱單支座橋墩通過加大截面，改造為實體墩。新老混凝土通過植筋連接，原墩柱表面需進行鑿毛處理。實體墩頂部斷面尺寸為380cm×250cm，與承臺相連部分斷面尺寸為230cm×250cm，為降低新老混凝土不均勻收縮產生的影響，采用C40 微膨脹混凝土澆筑。新澆筑實體墩墩頂高程與原有柱頂高程保持一致。

3.2 支撐體系改造

此次改造對原獨柱墩支座進行更換，將原單支座更換為雙支座，支座間距布置280cm，采用GPZ(2009)3.5SX、GPZ(2009)3.5DX、GPZ(2009)3.5GD 型 支 座。盆式支座錨固相關的預埋件應在墩身鋼筋綁扎時提前預埋，梁底支座錨固鋼筋通過植筋進行設置，施工時應現場探明箱梁主筋位置，避免截斷主筋。對于橋臺支座，此次加固全部更換為原設計同型號支座，施工單位應確保支座高度、套筒孔位與原支座一致。

3.3 梁體表面病害處治

運營橋梁在車輛荷載、地基沉陷等因素影響下，可能出現主梁下撓、開裂、下沉、移位等病害。根據該橋梁定期檢查報告獲悉，C 匝道橋結構存在的所有可見裂縫，如圖3所示，均應進行封閉處理，由于梁體裂縫寬度均小于0.15mm，采用透明樹脂封閉膠封縫處置；對主線橋C 匝道橋的箱梁表面出現麻面、露筋等現象，對于橋梁日常養護來說，需要進行定期處治，將表面麻面進行鑿除，再利用混凝土進行修復。對于箱梁露筋病害，應該先進行人工除銹，再利用除銹漆涂抹，最后再利用環氧砂漿進行修復，如圖4所示。確保梁體表面病害應處盡量處治，提高橋梁的使用壽命年限。

圖3 橋梁翼板橫向裂縫

圖4 梁體表面病害處治現場

4 工程實施效果

根據以上加固方案，需要對該方案分別進行抗傾覆驗算、橫梁驗算、橋墩驗算、樁基驗算。其中，抗傾覆驗算需要進行支座脫空及抗傾覆安全系數驗算，如圖5所示；橫梁驗算需要根據橫梁受力及配筋，進行不同支座間距的橫梁強度驗算；橋墩驗算需要進行墩頂橫向拉桿驗算，橋墩強度驗算；樁基要進行樁基承載力驗算。

圖5 抗傾覆驗算模型示意圖

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）第4.1.8 條對橋梁抗傾覆能力進行驗算，在增大墩身截面后，主線橋C 匝道橋在作用基本組合下單向受壓支座保持受壓狀態；按作用標準值進行組合時，支座抗傾覆驗算系數顯著提高至12.7 以上，大于規范要求的2.5，滿足規范要求。增設支座后改變了橫梁受力模式，根據計算結果可知，橫梁的承載能力可以滿足現行規范要求，安全系數1.61。頻遇效應組合下橫梁最大裂縫寬度0.147mm，小于規范允許的0.2mm。同時，橋墩驗算和樁基承載力驗算均符合規范要求。現場加固后的效果圖如圖6所示。

圖6 現場加固后效果

5 結語

首先，增大墩身截面的方案具有諸多優點，如：增大橋墩截面尺寸，提高墩柱的承載力，安全性好。但是也存在施工工期較長，需要臨時封閉交通，單墩改造造價高等不利影響，后期需要結合造價做出最優選擇。由于S339 沿江高速互通C 匝道橋存在橋下車輛、行人通行較少等利于封閉交通的情形，能夠克服施工工期較長等不利因素，現場增大墩身截面的方案可行性強，為后期太倉轄區內獨柱墩橋梁的加固帶來較重要的借鑒意義。

其次，對公路養護工程運營管理方面提出了更高要求。橋梁工程師不僅要做好橋梁的日常巡查、經常性檢查、定期檢查、特殊檢查，還要從日常檢查方式、檢查重點、橋梁病害研判等多方面學習獨柱墩橋梁管護經驗。同時，不僅需要定期對橋梁的梁體病害如箱梁表面麻面、露筋等進行處治，還要對橋梁混凝土防撞墻、伸縮縫、錐坡等易損壞部位進行定期維修保養。

橋梁運營管理是一項系統工程，對整個系統每個部位都要管控到位，獨柱墩橋梁傾覆的重大安全事故既給每個“公路人”敲響了警鐘，更對現代橋梁工程師的管養工作提出更高的要求，只有不斷地總結教訓、積累橋梁管養經驗，才能做好公路養護橋梁運營管理工作。