山區公路橋梁墩柱偏位原因分析及處治措施研究

夏志強

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

橋梁墩柱是連接橋梁上部結構與橋梁基礎的關鍵構件，對橋梁結構安全起著非常重要的作用。由于受設計、施工以及自然環境等因素的影響，橋梁墩柱經常會發生偏位現象[1]。墩柱偏位不僅對橋梁結構安全產生不利影響，而且對橋梁結構的安全運營也會形成嚴重威脅。以山西省陽城縣境內某座山區高速公路橋梁為依托，該橋因受人為因素以及自然環境等諸多不利因素的綜合影響，橋梁墩柱在橫橋方向產生了墩柱偏位，通過分析其病害原因，提出了橋梁墩柱糾偏處治措施。

1 工程概況

1.1 項目概況

某高速公路一座大橋上部結構為13×40m裝配式預應力混凝土簡支T梁，橋面連續，右前夾角90°，全橋共分四聯：(3×40+4×40+3×40+3×40)m。橋墩分別采用鋼筋混凝土柱式墩、實體墩以及門式墩，橋臺采用柱式臺，墩臺均采用樁基礎。

1.2 檢測結果

管養單位在巡檢過程中發現該橋右幅7#橋墩存在橋墩橫向偏位等病害。為了查明該橋墩病害程度，并采取合理的處治措施，委托專業檢測單位對該橋墩進行了全面檢測，發現該橋墩有如下問題：

(1)蓋梁位置偏移

右幅7#橋墩采用鋼筋混凝土實體墩、樁基礎。橋墩墩高36m，順橋向寬度2.2m，橫橋向寬度6m。在實際施工過程中，由于施工人員操作不當，墩柱施工完畢后墩頂向外側偏移了7cm，導致蓋梁相對原設計位置也向外側偏離了7cm。橋墩原設計構造圖和墩柱施工完成后實測橫斷面分別見圖1和圖2。

圖1 右幅7#橋墩原設計構造圖

(2)墩頂位置偏移

橋墩墩頂向外側偏離了10cm。由于該地區多次普降暴雨，使該橋左側邊坡多次出現滑塌，滑塌土體直接堆積在右幅7#墩附近，堆積層最厚時達8.5m。堆積土對墩柱的擠壓致使橋墩墩身向外側產生了偏移。

圖2 右幅7#橋墩實測橫斷面

本次檢測采用全站儀對右幅7#墩柱分別在墩柱底部、墩柱中部以及墩柱頂部3個截面各取左側、中間、右側3個測點(見圖3)，分別計算出墩柱各截面處平均偏位值，并結合各橋墩墩柱施工完成后的測量數據，對比分析墩柱位移變化趨勢及垂直度。右幅7#墩墩柱偏位值及垂直度統計見表1。

圖3 墩身測點分布圖

表1 右幅7#墩墩柱偏位值及垂直度統計表

2 墩柱偏位原因分析

(1)施工過程中的誤差使橋梁產生墩柱偏位。橋梁蓋梁和墩柱初始偏位對橋墩形成的初始彎矩會使橋梁墩柱發生變形，經過上部荷載長期作用，橋梁墩柱底部承受的彎矩將不斷增大。

(2)橋梁上部荷載長期作用會降低墩柱剛度，繼而使橋梁墩柱偏位進一步增大。根據《混凝土結構設計規范》，受彎構件考慮荷載長期作用影響的剛度B=Bs/θ，其中Bs為混凝土受彎構件的短期剛度，θ為考慮荷載長期作用對撓度增大的影響系數[2]。

(3)橫橋向土側壓力會使橋墩橫向框架內產生較大次彎矩。理論上最大彎矩分布在橫橋向右幅7#墩柱底處，該彎矩引起的最大墩柱偏位在橋墩柱頂處。

實際情況表明，如果橋梁在建設及運營階段存在上述問題，橋梁墩柱將會發生偏位現象。久而久之，橋梁墩柱在墩底彎矩不斷加大、墩柱剛度降低以及墩柱次彎矩等一系列不利因素的作用下，橋梁墩柱的偏位和偏心距將會明顯增大，也更進一步加重了墩柱的傾斜程度。

3 墩柱計算及糾偏處治措施

3.1 墩柱強度計算

如前文所述，橋墩蓋梁施工完成后相對原設計向外側偏移了7cm，原設計橋墩蓋梁配筋完全能滿足抗彎、拉應力要求，不予重新計算橋墩蓋梁配筋，主要進行墩身強度計算。

3.1.1橋墩截面力學參數

式中：b為橋墩順橋向寬度(m)；h為橋墩橫橋向寬度(m)。

3.1.2墩身強度計算

(1)作用的標準值計算

橋墩墩底軸力標準值：Nk=N1k+N2k+N3k+N4k+N5k=8347+2254+860+1755+11810=25026kN

式中：N1k為上部結構T梁重量標準值；N2k為橋面鋪裝重量標準值；N3k為護欄重量標準值；N4k為蓋梁、墊石及擋塊重量標準值；N5k為墩身重量標準值。

可變作用汽車荷載標準值：Qk=[qk×L0+2(L0+130)]×2=1270kN

式中：qk為均布荷載標準值；L0為計算跨徑。

(2)作用的設計值計算

(3)墩身應力狀態分析

根據《混凝土結構設計規范》，取墩身C35混凝土軸心抗壓強度設計值fc=16.7N/mm2。

3.2 糾偏處治措施

為了防止因橋梁墩頂偏位造成橋梁進一步加劇傾斜，并延長橋梁結構的使用壽命，需對偏位橋墩進行糾偏處治。在采取處治措施時首先考慮了對左側滑塌體進行卸載的方案。在對局部滑塌體清除之后，經實測，偏位墩柱墩頂回彈值約為10mm。另外，因受施工人員的人為因素影響，墩柱在左側滑塌體未產生不利作用之前即已發生偏位。綜上分析可見，卸載措施對處治墩柱偏位的效果不明顯。經對比研究，確定采用通過鋼絞線對墩柱施加張拉力并復位的糾偏處治方案。

3.2.1糾偏處治施工方案

該橋墩柱糾偏處治主要采用先用千斤頂支撐橋梁上部結構、然后沿墩柱傾斜方向的反向施加張拉力對橋墩拉拽、復位的方式進行。

具體的施工方法與步驟：

(1)施工準備及前期工作：準備輔助設備，施工臨時墩基礎，埋設地錨。

(2)搭設輔助支架作為操作平臺，并施工鋼抱箍。

(3)在臨時墩頂部安置千斤頂；在抱箍處掛設糾偏用鋼絞線，采用拉力計控制糾偏張拉力。

(4)預緊鋼絞線，預緊力控制為50kN；封閉施工側路幅交通，同步采用千斤頂頂升T梁，每片梁在豎直方向頂升高度不應超過30mm，梁片之間頂升高差控制在2mm以內。

(5)開放交通，并限制重載交通；對上部梁體進行支頂，支頂完成后取消限載。

(7)如因受糾偏張拉力的作用，墩身可能會出現局部環向裂縫，此時應在墩柱裂縫較大處，沿墩柱外圍一圈采用外包50cm厚C35混凝土的增大截面法對墩柱進行加固處理。待混凝土強度達到100%后方可落梁。

(8)將千斤頂放置在蓋梁上，再次頂升T梁。鑿除原支座墊石，重新澆筑支座墊石，更換支座，增加楔形鋼板并調平梁底預埋鋼板。

(9)卸載張拉力，拆除鋼絞線。

(10)拆除輔助支架和臨時墩柱。

墩柱糾偏處治示意圖見圖4。

圖4 墩柱糾偏處治示意圖

3.2.2糾偏處治施工要點

在糾偏處治過程中嚴格控制了施工質量。主要施工要點如下：

(1)在搭設完臨時墩柱之后及時預頂了橋梁上部結構，以消除地基和臨時墩柱的非彈性變形。預頂過程必須保證持荷時間不小于24h。

(2)順橋方向以橋墩中心為對稱軸對稱逐級加載張拉多根鋼絞線，并采用拉力計控制糾偏張拉力。鋼絞線之間張拉力差值不能太大，應控制在5kN以內，以確保糾偏墩柱均勻受力。在張拉過程中逐級加載張拉力，待墩柱變形趨于穩定之后，采集了墩柱偏位的監測數據。

(3)同步進行墩柱糾偏施工和墩柱糾偏監測，實時掌握墩柱的糾偏狀況，通過監測數據和研判結果及時指導墩柱糾偏施工。

3.2.3混凝土裂縫處理

右幅7#墩由于原墩柱頂部發生較大偏位以及糾偏復位施工，墩身可能出現環向受力裂縫，墩身剛度和承載力會有所降低。因此，在施工過程中如墩身出現裂縫，應及時對墩身裂縫進行處理和修補。

裂縫修補施工前組織專業技術人員對全橋裂縫進行全面檢測，準確定位，測量裂縫的長度及寬度，繪制裂縫分布圖(標明裂縫長度及寬度)。本次裂縫處理采用表面封閉法和壓力注膠法。

4 糾偏處治效果

傾斜墩柱在糾偏處治完成后，經檢測和長期觀察，可發現處治效果十分良好。主要體現在：

(1)墩柱柱頂處偏位值明顯減少：右幅7#墩柱原偏位值為100mm，糾偏處治后偏位值為8.6mm。

(2)在無地質災害及其它不利自然環境因素影響下，該橋墩柱未再次產生墩柱偏位等類似病害。

5 結語

山區公路橋梁一般橋墩較高、坡橋較大、曲線半徑較小，且橋位處地形復雜、地質災害也較多。由于上述諸多不利因素，山區公路橋梁在運營過程中發生墩柱偏位等病害十分常見。該類橋梁在設計過程中，應通過繞避不良地質路段、適當放緩橋梁縱坡、盡量增大橋梁曲線半徑，或者采取改變橋梁墩柱形式、增大墩柱截面尺寸和增加橋梁墩柱剛度等方法防止墩柱產生偏位。另外，橋梁在施工過程中，應加強對施工質量的監管，防止因人為因素造成墩柱偏位現象的發生；在運營階段管養單位要做到定期巡查和養護，一旦發現問題，應仔細分析出現該病害的原因，并積極采取行之有效的處治方案及時解決[3]。