某斜跨拱橋維修設(shè)計(jì)與施工控制研究

唐學(xué)慶

(大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 大連市 116024)

1 工程概況

該橋于2008年12月建成通車,實(shí)景照片如圖1所示,采用的道路等級(jí)為雙向六車道城市快速路。拱肋斜跨主梁,其水平投影與主梁跨中軸線切向夾角為19.5°。鋼拱肋最大矢高62.12m,拱腳間距180.00m,矢跨比0.35。主梁為跨徑190.00m的扁平鋼箱彎梁,彎曲半徑600.00m,主梁與拱肋之間由28根吊索相連。整個(gè)大橋由斜拱、彎梁以及網(wǎng)狀的斜向交叉吊索構(gòu)成,形成了獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)形式,橋型平面布置如圖2所示。

圖1 大橋?qū)嵕罢掌?/p>

圖2 橋型平面布置圖(單位:m)

拱肋為單箱單室截面,寬7.04m,高3.80m。主梁為單箱五室截面,梁寬33.30m,中心梁高3.00m。橋墩橫向?yàn)樗膫€(gè)花瓶墩,墩頂設(shè)蓋梁并在中間處分縫,蓋梁外輪廓尺寸為25m×3.5m×1.5m,承臺(tái)相互連接,下設(shè)支承樁基礎(chǔ)。伸縮縫采用模數(shù)式伸縮裝置,東側(cè)型號(hào)為GQF-MZL400,西側(cè)型號(hào)為GQF-MZL80。支座采用球型支座,主梁每端布置2個(gè),全橋共計(jì)4個(gè)。主梁兩端設(shè)有限位裝置,并有混凝土配重塊。

2 病害分析

2.1 病害現(xiàn)狀

運(yùn)營(yíng)5年,該橋出現(xiàn)了支座脫空、墩頂蓋梁斜裂縫、限位擋塊壓碎等病害,經(jīng)維修重新投入使用后,2017年該橋又出現(xiàn)了一些新病害,尤其梁端發(fā)生了較大的橫向偏移,導(dǎo)致橋面上出現(xiàn)較大的主、引橋間車道線錯(cuò)位。為確保安全,主管部門(mén)獲批后對(duì)大橋做了立即斷交處置,并委托檢測(cè)單位對(duì)該橋進(jìn)行了一次全面檢測(cè),依據(jù)檢測(cè)報(bào)告,大橋存在以下主要病害。

(1)支座

通過(guò)量測(cè)梁底鋼墊板與支座間的相對(duì)位置關(guān)系,發(fā)現(xiàn)主梁兩端相對(duì)于支座均發(fā)生了較大的橫向位移,其中東側(cè)支點(diǎn)處主梁向上游(偏北方向)偏移25cm,西側(cè)支點(diǎn)處主梁向上游(偏北方向)偏移12cm,且四個(gè)支座的上座板均與梁底鋼墊板無(wú)可靠連接,東側(cè)兩個(gè)支座銹蝕嚴(yán)重。

(2)橋墩及限位裝置

墩頂蓋梁出現(xiàn)大量裂縫,大部分經(jīng)過(guò)灌膠修補(bǔ),但仍有小部分裂縫沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理,且修補(bǔ)過(guò)的裂縫有繼續(xù)擴(kuò)展的趨勢(shì)。梁端底限位銷失效,蓋梁頂限位塊開(kāi)裂。

(3)伸縮縫

東側(cè)伸縮縫橫向錯(cuò)動(dòng)變形較大,型鋼彎曲、銹蝕嚴(yán)重;西側(cè)伸縮縫型鋼變形嚴(yán)重、局部斷裂;兩側(cè)伸縮縫橡膠止水帶幾乎全部脫落。

2.2 綜合分析

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),東側(cè)主梁與支座的相對(duì)位置較原設(shè)計(jì)圖紙向上游偏移了25cm,橋面伸縮縫的變形、車道線的錯(cuò)位及限位裝置的失效情況,也可印證主梁發(fā)生了較大的橫向位移,且大部分的偏移是在運(yùn)營(yíng)階段發(fā)生的。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),西側(cè)主梁與支座的相對(duì)位置較原設(shè)計(jì)圖紙向上游偏移了12cm,但在橋面檢測(cè)時(shí),并未發(fā)現(xiàn)伸縮縫有橫橋向的相對(duì)錯(cuò)動(dòng),主、引橋間的防撞護(hù)欄和車道線位置也能彼此對(duì)應(yīng),說(shuō)明西側(cè)主梁的橫向位移不是在運(yùn)營(yíng)階段發(fā)生的,而是在成橋前就已經(jīng)發(fā)生了。

(3)由于東、西側(cè)主梁均發(fā)生了較大的橫向偏位,因此支座并未支撐在主梁結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)造最合理的位置,這將導(dǎo)致主梁結(jié)構(gòu)受力不利,同時(shí)主梁限位裝置失效,也將給結(jié)構(gòu)帶來(lái)很大的安全隱患。

(4)計(jì)算分析表明,溫度作用下支承約束體系水平力過(guò)大是產(chǎn)生病害的主要原因,過(guò)大的水平力使橋梁限位裝置失效,進(jìn)而引發(fā)梁體側(cè)移、梁端伸縮縫破壞等次生病害。

3 維修設(shè)計(jì)

3.1 總體思路

本次維修設(shè)計(jì)旨在通過(guò)主梁復(fù)位后建立新的豎向支撐和水平限位體系,來(lái)改變結(jié)構(gòu)的約束形式,從而減小溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響,以達(dá)到從根本上調(diào)整并改善整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力性能。并通過(guò)更換能更好適應(yīng)該橋變形特點(diǎn)的伸縮縫,以及對(duì)橋墩蓋梁安裝鋼結(jié)構(gòu)加固裝置,消除蓋梁現(xiàn)存的主要病害,同時(shí)提高其承載力和耐久性。

3.2 主要內(nèi)容

(1)蓋梁加固

首先拆除蓋梁上原有的混凝土擋塊并對(duì)新增的裂縫灌漿修復(fù),然后對(duì)蓋梁采用外包鋼板的方式進(jìn)行加固。即在蓋梁的四周安裝加固鋼板和鋼梁,并在鋼混結(jié)合面的縫隙中灌注結(jié)構(gòu)膠,此舉旨在提高現(xiàn)狀蓋梁的承載力和耐久性,同時(shí)用于固定主梁水平約束的銷孔裝置,與其形成一體共同工作。

(2)水平約束設(shè)置

彎梁由溫度作用引起的變形屬于弧段膨脹或收縮性質(zhì)的變形,不僅產(chǎn)生切向位移,還產(chǎn)生徑向位移[1-3],根據(jù)彎梁這一變形特點(diǎn),采用銷軸式水平約束裝置取代原限位裝置。銷軸式約束裝置由限位銷和銷孔裝置兩部分組成,其中限位銷與主梁連接,銷孔與蓋梁的鋼結(jié)構(gòu)加固裝置連接。通過(guò)東西兩側(cè)銷孔不同形狀的設(shè)定,實(shí)現(xiàn)東側(cè)主梁徑向位移約束、切向位移釋放(切向活動(dòng)端),西側(cè)主梁徑向和切向位移均約束的效果(可轉(zhuǎn)動(dòng)固定端)。東西兩側(cè)銷軸式約束裝置示意圖見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 東側(cè)銷軸式約束裝置示意圖(單位:mm)

圖4 西側(cè)銷軸式約束裝置示意圖(單位:mm)

(3)主梁張拉復(fù)位

主梁張拉復(fù)位裝置為臨時(shí)結(jié)構(gòu),安裝在大橋的東南角,主要由錨固裝置和鋼絞線索構(gòu)成,待主梁復(fù)位、東側(cè)約束裝置安裝后拆除。錨固裝置由焊接于梁底的固定端裝置和焊接于蓋梁加固鋼結(jié)構(gòu)的張拉端裝置組成,其間穿入兩根8ΦS15.2鋼絞線索。通過(guò)張拉鋼絞線拖拽主梁實(shí)現(xiàn)東端徑向復(fù)位,張拉端錨具下安裝穿心式壓力傳感器,用于精確控制復(fù)位過(guò)程中的張拉力。

(4)支座更換

將原有的球型支座全部拆除,更換為帶測(cè)壓功能的四氟滑板橡膠支座。橋梁東側(cè)支座均采用GYZF4φ850型,要求縱橋向容許位移量不小于±200mm,橫橋向不小于±25mm;橋梁西側(cè)支座均采用GYZF4φ750型,要求縱橋向容許位移量不小于±50mm,橫橋向不小于±25mm。每個(gè)支座下設(shè)4個(gè)壓力傳感器,用于讀取支反力,一方面為調(diào)索工作提供依據(jù),同時(shí)也可監(jiān)測(cè)大橋的受力狀態(tài)。

(5)伸縮縫更換

將原有的模數(shù)式伸縮縫拆除,更換為單元式多向變位梳型板伸縮縫,后者可適應(yīng)梁端轉(zhuǎn)角變形,容許梁端發(fā)生較小平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),其中東側(cè)采用RBKF400型,西側(cè)采用RBKF120型。

3.3 施工流程

施工準(zhǔn)備、拆除蓋梁上原有混凝土擋塊、裂縫修補(bǔ)、清理蓋梁→東西兩側(cè)蓋梁安裝鋼結(jié)構(gòu)加固裝置→安裝西側(cè)主梁限位裝置、西側(cè)蓋梁鋼混結(jié)合面縫隙中灌注結(jié)構(gòu)膠、安裝東側(cè)主梁徑向復(fù)位張拉裝置→拆除東西兩側(cè)原有限位裝置和伸縮縫→東側(cè)主梁張拉復(fù)位→安裝東側(cè)主梁限位裝置→拆除張拉裝置→東側(cè)蓋梁鋼混結(jié)合面縫隙中灌注結(jié)構(gòu)膠→梁端頂升、支座更換→調(diào)整索力和支反力→安裝新伸縮縫→進(jìn)行荷載試驗(yàn)→根據(jù)加載結(jié)果判斷是否需要進(jìn)一步調(diào)整索力。

4 施工控制

4.1 目標(biāo)與內(nèi)容

該橋施工控制的目標(biāo)有兩個(gè),一是保證結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的安全,二是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件所規(guī)定的成橋狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo),在進(jìn)行理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及時(shí)做出誤差修正和預(yù)告[4-5]。

該橋施工控制的主要內(nèi)容包括:(1)確定主梁張拉復(fù)位過(guò)程中的張拉力及各構(gòu)件內(nèi)力變化,確保整個(gè)結(jié)構(gòu)受力安全;(2)確定支座更換時(shí)所需的頂升力及頂升過(guò)程主體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),確保結(jié)構(gòu)受力安全;(3)確定主梁復(fù)位和支座更換后的吊桿力,并與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比分析,制定調(diào)索方案,使最終索力滿足設(shè)計(jì)要求;(4)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(應(yīng)力、變位、索力等)輸入施工監(jiān)控分析軟件進(jìn)行誤差分析和參數(shù)擬合,對(duì)下一階段的施工參數(shù)進(jìn)行修正;(5)在施工結(jié)束后總結(jié)整個(gè)施工控制過(guò)程,給出成橋狀態(tài)參數(shù),為今后運(yùn)營(yíng)管理及健康監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

4.2 計(jì)算模型

采用Midas Civil軟件,建立如圖5所示的大橋空間有限元模型,進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力、索力及支反力的分析和控制。模型共739個(gè)節(jié)點(diǎn)、733個(gè)單元,其中梁?jiǎn)卧?05個(gè),桁架單元28個(gè),包含主梁、拱肋、吊桿、橋墩、蓋梁、承臺(tái)、樁基等。支座采用彈性連接模擬,樁周采用土彈簧約束,彈簧剛度通過(guò)m法計(jì)算確定。

圖5 大橋空間有限元計(jì)算模型

4.3 主梁張拉復(fù)位

張拉復(fù)位前,對(duì)主梁東側(cè)梁端的偏移量及全橋的吊桿力進(jìn)行了復(fù)測(cè),其中梁端實(shí)測(cè)的偏移量為21cm。通過(guò)模擬計(jì)算,主梁復(fù)位過(guò)程中吊桿力變化較大,尤其是靠近東側(cè)梁端的吊桿,其中B1吊桿(編號(hào)見(jiàn)圖2)索力增大54%,拱肋等其他構(gòu)件受力均處于安全狀態(tài)。

為減小東側(cè)短吊桿B1～B3對(duì)復(fù)位過(guò)程的不利影響,在張拉施工前對(duì)上述吊桿的索力分別釋放1000kN、800kN、600kN,經(jīng)計(jì)算,理論復(fù)位張拉力為2305kN。通過(guò)實(shí)測(cè),張拉力達(dá)到3100kN時(shí)主梁開(kāi)始滑動(dòng),之后保持在2400～2800kN之間,較理論值偏大,主要原因是滑動(dòng)接觸面間灰塵較多,導(dǎo)致摩擦系數(shù)變大。東側(cè)梁端向下游方向移動(dòng)20cm時(shí),與東側(cè)引橋連接較為平順,滿足行車要求,主梁復(fù)位完成。

4.4 支座更換

為滿足支座更換及便于施工的要求,兩側(cè)梁端需頂升30mm。通過(guò)模擬計(jì)算,梁端分別頂升后,鄰近吊桿索力影響較大,其中西側(cè)頂升后,B14吊桿索力減小13%;東側(cè)頂升后,B1吊桿索力減小17%;拱肋等其他構(gòu)件受力均處于安全狀態(tài)。

支座更換按照先西側(cè)后東側(cè)、相同的方案進(jìn)行,梁體頂升采用4套500t液壓千斤頂。為確保結(jié)構(gòu)受力安全,千斤頂橫橋向分別布置在蓋梁頂四個(gè)墩柱對(duì)應(yīng)的位置上,順橋向均布置在梁端第二道橫隔板(即支點(diǎn)處橫隔板)對(duì)應(yīng)的位置上。為滿足梁體頂升后臨時(shí)支撐的需要,分別在4套千斤頂旁設(shè)置鋼墊板臨時(shí)支撐。為方便控制梁體頂升高度,在梁體頂面距梁端1m位置處設(shè)置4個(gè)標(biāo)高測(cè)點(diǎn)。

支座更換完成后(新支座見(jiàn)圖6)即可拆除臨時(shí)支撐,使主梁回落到原位置,整個(gè)升降過(guò)程,標(biāo)高測(cè)點(diǎn)的高程變化如表1所示。

表1 標(biāo)高測(cè)點(diǎn)高程變化 單位:mm

圖6 新支座安裝后照片

主梁回落就位后,通過(guò)支座下的壓力傳感器可測(cè)讀支反力,具體數(shù)值如表2所示,可見(jiàn)各支座均有一定的壓力儲(chǔ)備。

表2 主梁就位后各支座反力 單位:t

4.5 索力調(diào)整

在調(diào)索前對(duì)全橋索力進(jìn)行了通測(cè),以獲得當(dāng)前狀態(tài)下的索力,為后續(xù)工作提供依據(jù)。經(jīng)測(cè)量,目前索力與目標(biāo)索力相差較大,偏差在0～5%的吊桿有12根,占比42.9%;偏差在5%～10%的吊桿有7根,占比25.0%;偏差大于10%的吊桿有9根,占比32.1%;其中B1～B3吊桿由于在主梁張拉復(fù)位前進(jìn)行了索力釋放,最大偏差達(dá)53.4%。

為保證調(diào)索過(guò)程結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲(chǔ)備、減小吊桿力之間的相互影響,采用分批張拉、逐次逼近的方法進(jìn)行。經(jīng)三輪調(diào)整,最終索力與目標(biāo)索力相差較小,偏差在0～2%的吊桿有15根,占比53.6%;偏差在2%～3%的吊桿有10根,占比35.7%;偏差在3%～4%的吊桿有3根,占比10.7%;同時(shí)實(shí)測(cè)支反力如表3所示。

表3 調(diào)索結(jié)束后各支座反力 單位:t

伸縮縫安裝完成后進(jìn)行了荷載試驗(yàn),經(jīng)測(cè)量,在最不利的布載工況下,支座仍有較大的壓力儲(chǔ)備,無(wú)需進(jìn)一步調(diào)索。

5 結(jié)論與建議

(1)基于彎梁在溫度等作用下的變形特點(diǎn),采用銷軸式約束裝置取代傳統(tǒng)的限位裝置,較好地解決了主梁一系列的側(cè)移病害。

(2)銷軸提供水平約束,多向活動(dòng)支座提供豎向支承,該體系受力簡(jiǎn)單明確,從根本上調(diào)整并改善了整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能。

(3)鋼結(jié)構(gòu)加固裝置的安裝極大的提高了原蓋梁的承載力和耐久性,新支座下壓力傳感器的布設(shè)提供了跟蹤監(jiān)測(cè)支反力的手段。

(4)通過(guò)模擬計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)控制,保證了整個(gè)結(jié)構(gòu)在主梁復(fù)位、支座更換和索力調(diào)整過(guò)程中的受力安全,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖。

(5)2017年11月1日,大橋維修完成順利通車,目前運(yùn)營(yíng)狀況良好,鑒于該橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,后期需加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)管理、日常巡檢。