某斜交T 梁橋偏位成因分析及糾偏技術(shù)探析

林廣宇

（甘肅省蘭州公路事業(yè)發(fā)展中心高速公路養(yǎng)護(hù)所，甘肅蘭州 730030）

引言

我國建于21 世紀(jì)初的高速公路中、大梁橋中，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩、肋板式橋臺的梁橋占一定比例，此橋梁結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于大角度斜交梁橋設(shè)計(jì)中，若剛度儲備不足，易發(fā)生梁體偏位，影響橋梁運(yùn)營安全。隨著高速公路交通量劇增、重載交通發(fā)展，大角度斜交橋梁體橫向爬移偏位病害進(jìn)一步加劇，如不干預(yù)極易發(fā)生落梁事故，國內(nèi)關(guān)于此類事故的報(bào)道屢見不鮮，因此，對于大角度斜交梁橋偏位糾偏加固迫在眉睫。結(jié)合某高速公路斜交T 梁橋-王家灣大橋糾偏加固工程，探討大角度斜交T 梁橋偏位病害成因及糾偏加固方法，為同類工程提供參考。

1 工程概況

王家灣大橋位于某高速公路緩和曲線和直線上，橋面縱坡-1.651%，斜交角50°，橋梁全長181.0 m，全寬24.5 m，共2 聯(lián)，跨徑組合3×25 m+4×25 m，分左右兩幅，單幅橫向設(shè)6 片梁，單幅橋面橫向布置為：0.5 m(護(hù)欄）+11 m(行車道）+0.5 m(護(hù)欄）。上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁，梁高1.5 m，跨中T 梁肋板厚0.15 m，支座處T 梁肋板厚0.4 m，預(yù)制吊裝，先簡支后連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩(柱徑1.2 m，柱高16～17 m），墩蓋梁高1.2 m，肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)(樁徑1.5 m，樁長15～22 m）；橋面鋪裝為8 cm 瀝青混凝土+防水層+16 cm 鋼筋混凝土，橋臺及過渡墩處設(shè)FD-80 型模數(shù)式伸縮縫。

2 橋梁偏位及主要病害概況

2.1 主梁病害

圖1 上部結(jié)構(gòu)總體變位示意圖

2.2 橫隔板病害

本橋T 梁僅設(shè)與T 梁一起預(yù)制的端橫隔板。上部結(jié)構(gòu)拼裝時，相鄰兩片橫隔板采用焊接鋼板連接，鋼板銹蝕、勾縫砂漿局部脫落普遍，相鄰跨橫隔板間無墩頂現(xiàn)澆段。橫隔板豎向裂縫40.4 m/46 條，最大縫寬0.5 mm。

2.3 支座病害

全橋支座多數(shù)存在順、橫橋向剪切變形，部分支座剪切變形呈“整體扭轉(zhuǎn)”趨勢，多數(shù)支座剪切變形方向與“梁體逆時針旋轉(zhuǎn)”趨勢一致，越靠近橋臺，支座剪切變形方向越明顯向T 梁聯(lián)端銳角方向；全橋支座墊石上表面平整度差，部分呈“中間高、四角低”狀，導(dǎo)致部分支座尤其橋臺處主梁支座滑動明顯，個別支座有滑出墊石趨勢。見圖2、圖3。

圖2 左幅0 號臺3 號支座滑動

圖3 左幅3 號墩3 號支座剪切變形

2.4 蓋梁病害

蓋梁正彎矩區(qū)底部存在較多橫向裂縫共121.2 m/183 條，間距20～50 cm，最大縫寬0.15 mm，部分裂縫延伸至蓋梁側(cè)面，呈“L”型，部分蓋梁頂部有垃圾堆積。

2.5 擋塊病害

橋臺銳角處擋塊部分完全損毀，部分開裂傾斜。T 梁相對支座墊石有明顯向銳角滑動痕跡；擋塊與梁體抵死30 處、破損10 處。

2.6 橋墩病害

左、右幅橋墩均存在不同程度的傾斜，傾斜度絕大多數(shù)不滿足規(guī)范要求，柱頂最大傾斜值12.9 cm，最大傾斜度1.1%；以路線前進(jìn)方向?yàn)檎较?，絕大多數(shù)墩柱均有向左偏后方傾斜趨勢；第二聯(lián)橋墩傾斜度較第一聯(lián)大，見圖4。左幅橋臺側(cè)墩背均有環(huán)向裂縫35.6 m/48 條，最大縫寬0.24 mm。右幅地面線以上橋臺側(cè)全部墩背有環(huán)向裂縫55.2 m/48 條，最大縫寬1 mm。橋梁右側(cè)因工業(yè)園區(qū)建設(shè)，有大量土方堆積，高度10～16 m，堆載底面緊靠右幅第二聯(lián)橋墩。

圖4 橋墩傾斜度測量結(jié)果示意圖

2.7 系梁病害

左幅4-1#墩系梁前側(cè)面、頂面、后側(cè)面有環(huán)向裂縫5.5 m/3 條，最大縫寬0.4 mm。右幅4-2#、5-2#、6-2#墩系梁前側(cè)面、頂面、后側(cè)面有環(huán)向裂縫16.1 m/7 條，最大寬0.4 mm。

2.8 橋臺病害

左右幅7#臺帽相對移動，右幅較左幅臺帽向小樁號方向水平位移5～6 cm。右幅0 號臺背墻破損露筋2m2。0#、7#臺前護(hù)坡坡比不足1:1.5，坡面漿砌片石防護(hù)多處沉陷、鼓包。

3 有限元模擬與病害成因分析

3.1 橋梁整體有限元數(shù)值模擬

通過MidasCivil 橋梁有限元模型驗(yàn)算原橋承載力及剛度結(jié)果表明：王家灣大橋原設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)滿足要求；橋臺肋板承載力和抗裂滿足要求，但肋板頂截面裂縫計(jì)算值0.15 mm 儲備較小，在土壓力平衡打破、支座卡死等情況下橋臺肋板受力狀態(tài)超限；橋臺樁頂反力2 943.8 kN 小于承載力3 199.7 kN，滿足要求，但儲備很小，裂縫寬度計(jì)算值0.1 mm；橋墩及樁基承載力滿足要求，裂縫寬度計(jì)算最大值0.153 mm，儲備較?。簧w梁承載力和抗裂滿足要求，墩頂截面最大縫寬計(jì)算值0.167 mm，儲備較小。綜上，該橋符合建設(shè)時期規(guī)范，屬于經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，承載力及剛度儲備不足。

1) 霧滴飄移是由于自然氣流運(yùn)動產(chǎn)生的作用力推動其運(yùn)動產(chǎn)生的。輔助氣流通過改變自然氣流速度方向，脅迫其向下運(yùn)動而減少飄移量。

3.2 梁體偏移數(shù)值分析

上部結(jié)構(gòu)在恒載、活載（包括汽車沖擊力）以及溫度作用下呈逆時針旋轉(zhuǎn)，蘭州方向銳角向偏移-26 mm，白銀側(cè)銳角向偏移4.9 mm；在地震作用下呈逆時針旋轉(zhuǎn)，與橋梁實(shí)際變形吻合，銳角處最大橫向位移48 mm；以上為理論計(jì)算值，實(shí)際橋梁偏移在恒載、活載、溫度、地震等多項(xiàng)荷載作用下不斷疊加，逐步增大。此外，由于斜交橋梁自身“爬移”特性，綜合荷載因素以及全橋墩柱剛度偏低、墊石不平、支座局部脫空、粱與梁及梁與臺背間局部抵死等原因加劇了梁體偏移[4]。

3.3 墩柱偏移、開裂分析

墩柱在荷載作用下順橋向最大位移30.9 mm，與橋梁實(shí)際變形吻合。墩柱在地震作用下順橋向最大位移43 mm，與橋梁實(shí)際變形吻合。綜合斜橋爬移特性及原橋墩、樁基設(shè)計(jì)剛度儲備值低等因素，墩柱發(fā)生偏移、變形和開裂。廠區(qū)堆載加重了墩柱偏位。

3.4 橋臺偏移分析

由于臺前護(hù)坡坡比不足1:1.5 且護(hù)坡沉降導(dǎo)致臺前土壓力降低，臺前后土壓力不平衡，導(dǎo)致橋臺向橋跨方向偏移。

3.5 病害成因綜合分析

綜合以上分析，橋梁上下部結(jié)構(gòu)偏位主要由以下幾方面原因造成：

（1） 該斜交橋上部結(jié)構(gòu)形心與轉(zhuǎn)動中心不重合且50°斜交角偏大，在溫度、恒活載作用下，產(chǎn)生不平衡力矩，引起上部結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，梁體偏移。

（2） 與近年設(shè)計(jì)的橋梁相比，該橋上部結(jié)構(gòu)梁高偏小，腹板及翼緣偏薄，全橋未設(shè)置中橫隔板，橫向剛度偏低；下部結(jié)構(gòu)墩蓋梁及橋臺帽梁高度偏小，墩臺樁基樁徑小、樁數(shù)少，縱橫向剛度偏低。橋梁整體剛度及承載力儲備不足，導(dǎo)致橋梁抗扭轉(zhuǎn)能力較差，是該斜交橋偏位的內(nèi)因之一。

（3） 伸縮縫堵死、支座偏移后，荷載作用下斜交橋不平衡力矩增大且持續(xù)存在，導(dǎo)致本橋上部結(jié)構(gòu)變位持續(xù)發(fā)展。

（4） 橋梁右側(cè)大方量堆載加劇了橋墩與上部結(jié)構(gòu)偏移的相互影響。

（5） T 梁與橋臺背墻抵死，梁體相對支座滑移，此“基礎(chǔ)爬移”疊加溫度、外載因素加劇了上部結(jié)構(gòu)“爬移”及橋墩偏位。

4 加固及糾偏方案設(shè)計(jì)

4.1 整體加固工序

a. 施工前對橋梁構(gòu)造尺寸及技術(shù)狀況進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)查，測量梁墩等關(guān)鍵部位高程。b.清理梁、墩混凝土破損、滲水、泛堿及鋼筋外露銹蝕區(qū)域，對裂縫進(jìn)行灌縫處理。c.混凝土破損及露筋、滲水區(qū)域表面涂刷強(qiáng)滲透型阻銹劑，破損處聚合物砂漿修復(fù)，滲水泛堿處涂刷防腐涂料。d.頂升上部結(jié)構(gòu)釋放墩柱彈性變形，待橋墩變形穩(wěn)定后上部結(jié)構(gòu)復(fù)位。e.開挖基坑，原系梁裂縫處治、加設(shè)樁基礎(chǔ)、增設(shè)承臺。f.依次進(jìn)行橋墩、蓋梁、梁橫隔板增大截面施工。g.上部結(jié)構(gòu)糾偏。h.頂升更換全橋支座，修復(fù)墊石。i.澆筑擋塊，修復(fù)伸縮縫。j.橋臺前夯填土方反壓，錐護(hù)坡及防排水設(shè)施修復(fù)。

4.2 糾偏工序

糾偏前鑿除原伸縮縫、擋塊，清理梁與墩、臺間混凝土垃圾，切斷梁與墩、臺聯(lián)系[5]。糾偏分兩步進(jìn)行，先進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)整體頂升使原偏位橋墩恢復(fù)彈性形變，待墩柱在有限范圍內(nèi)自然回位穩(wěn)定后，復(fù)測各墩、臺位置梁體偏移情況，修正設(shè)計(jì)糾偏量，然后進(jìn)行橋梁上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)加固[3]。增加結(jié)構(gòu)剛度包括樁、承臺、墩、蓋梁、橫隔板加固：原橋墩下增直徑1.2 m 樁40 個；增設(shè)連接新舊樁承臺20 個；24 根墩截面直徑由1.2 m 增至1.6 m；墩蓋梁增大截面；端橫隔板厚由15 cm 增至30 cm；最后進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)整體橫縱向糾偏復(fù)位。整體頂升后，所有支座頂面設(shè)帶硅脂的四氟滑板作為上部結(jié)構(gòu)臨時滑動面，為防止落梁事故，需在支座周圍設(shè)置臨時鋼墊塊支撐后再落梁[2]。依托蓋梁兩端鋼反力架及梁肋頂點(diǎn)混凝土鍥塊，按設(shè)計(jì)要求分步頂推，頂推方向與橫隔板一致，橫、縱向頂推間歇進(jìn)行，直至梁體復(fù)位達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2.1 安裝反力架

墩柱蓋梁兩側(cè)設(shè)頂推鋼反力架，采用錨栓植入蓋梁連接。順橋向伸縮縫處每條梁肋后設(shè)千斤頂，將相鄰聯(lián)跨過渡墩和橋臺梁端間隙用千斤頂卡頂。

4.2.2 安裝水平頂推裝置[1]

安裝水平滑動裝置時，千斤頂承壓不宜長時間作業(yè)。須在橫向反力架與千斤頂后座間加設(shè)臨時鋼板，以保證在梁在有限的千斤頂行程下達(dá)到更大的橫向位移。

4.2.3 橫向復(fù)位[1]

在橫向頂推前須進(jìn)行頂推力計(jì)算。橫向頂推力加載必須分級進(jìn)行，每級加載后須在千斤頂后座與橫向反力架間設(shè)支墊鋼板，以保證下一級頂推順利進(jìn)行。分級次數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定，每次頂推后暫停5 min，復(fù)檢全部系統(tǒng)，無異常后再進(jìn)行下級加載。

4.2.4 頂升更換支座、落梁、限位

確認(rèn)橫向頂推到位且無異常后，拆除千斤頂及反力架。最后，再次頂升各墩位主梁，安裝新支座后落梁[1]。對照原設(shè)計(jì)圖紙，檢測梁、支座、墊石三者之間位置關(guān)系，確認(rèn)符合原設(shè)計(jì)要求。通過有限元分析梁體安全性能滿足成橋后狀態(tài)，即可設(shè)置限位擋塊，完成限位。

4.2.5 施工監(jiān)控

王家灣大橋糾偏復(fù)位施工監(jiān)控主要包括梁體及墩柱位移監(jiān)測、蓋梁及墩柱應(yīng)力監(jiān)測兩項(xiàng)內(nèi)容，通過實(shí)時監(jiān)控來保證復(fù)位準(zhǔn)確，應(yīng)力控制得當(dāng)，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。通過位移及應(yīng)變檢測，王家灣大橋糾偏后，左幅第一聯(lián)0#臺銳角右側(cè)邊梁伸縮縫處最大糾偏量0.066 m，左幅第二聯(lián)7#臺銳角左側(cè)邊梁伸縮縫處最大糾偏量0.126 m；右幅第一聯(lián)0#臺銳角右側(cè)邊梁伸縮縫處最大糾偏量0.089 m，第二聯(lián)7#臺銳角左側(cè)邊梁伸縮縫處最大糾偏量0.085 m；墩柱橫橋向水平位移最大值0.012 m，縱橋向水平位移最大值0.014 m，墩柱垂直度均滿足規(guī)范要求。墩底應(yīng)力最大微應(yīng)變值出現(xiàn)在左幅第1 聯(lián)3-1#墩底部左側(cè)面，為116 με；蓋梁局部應(yīng)力最大微應(yīng)變值出現(xiàn)在左幅4#蓋梁后側(cè)面，為28 με。墩柱及蓋梁最大應(yīng)變均滿足規(guī)范要求。

5 加固及糾偏效果

通過有限元數(shù)值模擬驗(yàn)算，加固后梁體偏移量、墩柱偏移量與加固前變形相比，偏移量減少，說明加固提高了結(jié)構(gòu)剛度儲備，上部結(jié)構(gòu)逆時針旋轉(zhuǎn)及墩柱偏位趨勢減弱。通過增設(shè)樁基，樁頂反力減小，提高了樁基承載力儲備，加固效果滿足設(shè)計(jì)需求。王家灣大橋糾偏加固工程于2019 年實(shí)施完成，截至2022 年已運(yùn)營近三年，目前上部結(jié)構(gòu)未發(fā)生爬移病害反彈，墩柱垂直度未發(fā)現(xiàn)超過現(xiàn)行規(guī)范允許值，結(jié)構(gòu)常使用狀態(tài)良好，糾偏加固效果顯著。

6 結(jié)論

大角度斜交橋梁在恒活載作用下，梁體受力狀態(tài)較為復(fù)雜，存在扭轉(zhuǎn)及橫向爬移趨勢，若受結(jié)構(gòu)本身剛度儲備不足，橋梁存在支座脫空、剪切變形、伸縮縫變形、伸縮縫處有填塞物擠死、梁與臺背間抵死等病害，橋梁上、下部結(jié)構(gòu)極易發(fā)生橫向偏位，危及結(jié)構(gòu)安全。斜交橋梁的糾偏及加固需要綜合考慮結(jié)構(gòu)剛度、承載力因素，先提高結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)、抗“爬移”能力，再結(jié)合千斤頂頂升糾偏復(fù)位技術(shù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)位，效果較好。