獨柱墩橋梁抗傾覆加固施工技術應用

孫鵬旭

(山西省交通新技術發展有限公司,山西 太原 030006)

0 引 言

獨柱墩橋梁因其美觀簡潔的外形,占地面積少等特點曾被廣泛用于城市立交橋和高速公路天橋及匝道橋中,但由于獨柱墩頂較窄,橫橋向單點支承在汽車偏心荷載作用下,很容易造成梁體的傾覆,給橋梁的安全運行帶來較大的隱患[1]。近年來,我國發生多起獨柱墩橋梁梁體傾覆安全事故,引起了業內的高度重視,所以應該對獨柱墩橋梁進行抗傾覆分析和加固,排除安全隱患,確保獨柱墩橋梁的行車安全。

依托江西省贛州市G45大廣高速公路贛定段廖坑分離立交橋,對獨柱墩橋梁進行橫向抗傾覆穩定驗算,并采取合適的方案進行加固,為今后同類工程提供參考。

1 項目概況

贛定高速公路(贛州—定南)是G45大廣(大慶—廣州)高速公路的一段,也是贛粵高速公路最南端一段,是山西省“十五”交通重點建設項目。起于南康市龍嶺鎮,與泰和至贛州高速公路的終點相接,途經南康、信豐、龍南、定南4縣(市),終于定南縣贛粵交界處的野豬塘,與粵贛高速公路相接,全長126.758 km。

廖坑分離立交橋位于贛定高速公路K3045+780處。橋梁全長57 m,上部結構采用(10+2×16+10)m鋼筋混凝土連續板,下部結構采用樁基礎。設計荷載:汽車-20級,掛車-100級。

2 橋梁抗傾覆問題分析方法

2.1 單向受壓支座脫空驗算

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)4.1.8條相關要求執行,對結構按不利車道進行加載,在作用基本組合下,汽車荷載效應分項系數為1.4時驗算支座是否出現負反力,從而判定單向受壓支座是否保持受壓狀態[2]。

2.2 上部結構抗傾覆穩定性系數驗算

在作用標準值組合下,橋梁的作用效應應符合下式要求[3-4]。

∑Sbk,i/∑SSk,i≥Kqf

(1)

∑Sbk,i=∑RGkili

(2)

∑Ssk,i=∑RQkili

(3)

式中:Kqf為抗傾覆穩定性系數,取2.5;∑Sbk,i為使上部結構穩定的效應設計值;∑Ssk,i為使上部結構失穩的效應設計值;li為第i個橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距,在傾覆失穩極限狀態各橋墩僅存在一個有效支座;RGki為第i個橋墩處失效支座的永久作用反力,按全部支座有效的支承體系計算;RQki為第i個橋墩處失效支座的可變作用反力,按全部支座有效的支承體系計算。

結構計算采用橋梁結構專業分析軟件《橋梁博士》V4.3進行,建立施工階段模型,考慮施工順序、支座沉漿、收縮徐變、溫度作用等對支座反力的影響。經驗算,在不利荷載下,橫向抗傾覆安全系數僅為0.75,不滿足規范要求的2.5,橋臺支座存在脫空風險。相關驗算見表1、表2。

表1 支座脫空驗算表

表2 原橋墩傾覆驗算表

3 獨柱墩加固方案

結合建設條件要求,從經濟性、施工難度、景觀等方面列舉以下加固方案,按照方便實施,對交通通行影響大小和造價費用進行方案選擇。

3.1 方案一:設置抗拔約束裝置

通過在邊墩設置抗拔裝置[5],避免因邊支座的脫空而改變結構體系,從而達到增強橋梁橫向抗傾覆性能。該方案具有構造設計幾乎不影響結構原有受力模式、抗拔裝置構造簡單、工程規模小、施工方便、造價較小等優點,但因錨固構造及空間限制,抗拔裝置的抗拔力設計值一般較小,適用范圍較小。

3.2 方案二:墩柱增設鋼蓋梁、墩身加鋼套筒

通過在兩側墩柱墩頂增設鋼蓋梁,墩身加鋼套筒,在原設計為單支承的兩側各增設一個支座。正常恒載作用下,新增支座不參與受力。在活載作用下,發生偏載時,相應位置的新增支座才參與受力,由單支承變為多支承[6-7],加強了結構抗扭變形能力,可以保證梁體不會發生傾覆。該方案對墩柱強度要求較高,施工中涉及植筋、鋼蓋梁安裝、增設支座等步驟,在凈空滿足通行條件下,造價適中,可以選用。

3.3 方案三:增加墩柱

通過增加混凝土或鋼管樁柱,實現單支承變為多支承,提高橋梁的抗扭傾覆能力,同時可以改善原墩柱的受力,提高墩柱的安全性。該方案對橋下凈空要求高,施工過程涉及樁基施工、混凝土澆筑或鋼管安裝、頂升梁體等步驟,施工周期長,造價較高[8]。

3.4 加固方案選擇

廖坑分離立交橋按照兩端獨柱墩進行加固改造,所需工程量及考慮技術、經濟和社會方面的因素,方案比選見表3。

表3 方案比選表

廖坑分離立交橋橫跨大廣高速主線,墩柱位于大廣高速道路兩側,高速車流量大,為了便于施工,縮短工期,同時考慮景觀、造價和社會影響等因素,依據上表數據,選用方案二,即墩柱增設鋼蓋梁、墩身加鋼套筒方案。該方案施工操作便捷,可靠性高,施工質量易于控制,且保留了獨柱墩結構簡單、外觀美觀、基本不影響周邊地形地物的優點。

4 獨柱墩施工質量要點

(1)鋼蓋梁、鋼套筒工廠預制加工

施工中所用鋼蓋梁、鋼套筒全部采用在工廠內預制生產,生產時采用左右對稱的半圓構件,待運至施工橋址處,現場拼裝合格后焊接成一體[9-10]。

(2)墩柱表面鑿毛處理

首先在墩柱頂預安裝鋼套筒的位置畫好線,標記出安裝位置,再利用小型鑿毛機或者電鎬鑿除墩柱表面3～5 mm的厚度,露出堅硬的碎石面,并將表面松動的浮層剔除干凈,最后用高壓氣槍吹掃表面干凈,等待一段時間后,用脫脂棉沾取少量丙酮溶液將鑿毛后的表面擦拭干凈即可。

(3)墩柱、鋼構件鉆孔

墩柱鉆孔前,首先用鋼筋探測儀檢測墩柱的主筋布置位置,鉆孔應盡最大可能避開主筋,一是為了保護墩柱主筋受力不被影響,二是為了鉆孔方便快捷。鉆孔應按照設計要求的深度分段進行,待檢查未發現異常情況,才可以繼續鉆進,切不可一次鉆到設計深度,墩柱所有孔鉆好后,對鋼構件進行測量定點,采用鉆孔機械對鋼構件對應位置依次鉆孔。

(4)安裝鋼蓋梁、鋼套筒,并植筋

安裝前再次檢查鋼蓋梁、鋼套筒的內側貼合面,對存在銹斑的采用磨光砂輪機再次打磨干凈,打磨時應垂直于鋼蓋梁或鋼套筒的受力方向,打磨干凈后用脫脂棉沾少量丙酮溶液擦拭。吊裝前,在梁底設置吊點,采用4套電動葫蘆將鋼套筒和鋼蓋梁對正、找平,安裝錨固螺栓進行吊裝,待起吊到設計位置后,檢查調整并擰緊螺栓。

錨栓的施工質量屬于鋼蓋梁加固施工的控制性因素,所以錨栓植筋前首先應做好清孔工作,使用毛刷配合空壓機清孔,經檢查孔壁干燥、無塵,孔深、孔徑符合要求后,方可打入植筋膠,植筋膠應注滿孔體積的2/3,植入錨栓后應測量其外露長度,保證符合設計要求。

(5)墊石混凝土、支座安裝

鋼蓋梁安裝好后,在蓋梁頂墊石位置焊接錨固銷,綁扎墊石鋼筋,由于空間受限,墊石模板采用鋼板焊接而成,墊石澆筑后,模板無需拆除,保留的模板可以提高墊石的強度。為加快施工進度,墊石混凝土澆筑采用高強灌漿料。混凝土達到規定強度后,安裝支座,支座和墊石之間的縫隙采用薄鋼板填充。

(6)配膠、封邊、灌注膠黏劑

按照設計要求準備好封縫膠和灌注膠,按照材料使用說明書的要求進行膠體的配制,配置過程中計量工具要規范、準確,按照規定的比例充分攪拌均勻,先配制封縫膠將墩柱和鋼套筒的底部封堵密實,再采用同類型封堵材料對鋼構件表面的錨固螺栓頭進行封堵,防止膠液從縫隙中滲漏流失,待封堵工作做好后,按照同樣的工序配制灌注膠,待灌注膠準備好后,封邊材料正好凝固,這時可以開始灌注膠黏劑。

大部分施工現場為了省時省力,灌注膠黏劑采用從墩頂倒入,由于鋼蓋梁和墩柱之間縫隙較小、膠黏劑的流動性較小等因素導致鋼蓋梁和墩柱之間的縫隙無法填充密實,將會影響灌注的效果,影響墩柱整體的受力。為避免這種問題,首先將注漿嘴按照2～3 m的間距粘結在鋼板的注入孔上,再在鋼板邊緣插入排氣管,采用注漿泵以0.2～0.4 MPa的壓力將灌注膠黏劑從注漿嘴壓入鋼板和混凝土的空隙中,當排氣孔出現漿液后停止加壓,灌注工作持續到所有排氣管均有膠液流出,以較低壓力維持10 min以上,整個灌注過程中,用橡皮錘敲打鋼板以確認是否灌注密實。

(7)表面防腐

經檢驗確認鋼套筒黏貼固化密實效果可靠后,去除所有注漿嘴和排氣孔,采用設計要求的材料對鋼板表面進行防腐噴涂,防腐噴漆前一定要再次核驗鋼構件表面的銹蝕情況,采用打磨機或鋼絲刷進行手工除銹,在濕度和溫度合適的條件下,按照設計規定的防腐材料和涂層厚度進行防腐,做到噴涂面均勻、不流淌。

5 獨柱墩加固效果驗算

廖坑分離立交橋在1#、3#獨柱墩上增設鋼蓋梁,將1#、3#橋墩單支座變為三支座,并盡可能增大支座間距,在此加固基礎上再次采用《橋梁博士》V4.3對橋梁進行抗傾覆驗算。經驗算,增設支座后,橋梁的橫向抗傾覆系數由原來的0.75提高至7.38,大于規范要求的2.5,支座無脫空風險。相關驗算見表4、表5。

表4 支座脫空驗算表

表5 加固后橋墩傾覆驗算表

6 結 語

通過對廖坑分離立交橋獨柱橋墩抗傾覆分析,經過方案比選,最終采用墩頂增設鋼蓋梁、墩身加鋼套筒的加固方案,經過規范的施工,對廖坑分離立交橋獨柱墩加固效果進行驗證,獨柱墩加固后橋墩的抗傾覆能力顯著提高,消除了橋梁傾覆的隱患。該方案施工便捷可靠,可以在不中斷交通的情況下快速完成施工,造價合理,外形美觀,橋梁結構體系由單支承變為多支承,加強了橋梁結構抗扭變形能力,提升了橋梁結構的抗傾覆穩定能力。另外,鋼蓋梁、鋼套筒的工廠標準化施工,既保證了施工質量,又加快了施工進度,而且鋼結構后期維護費用少,對今后同類型橋梁加固提供了參考。但是此研究是限于鉆孔后的墩柱不削弱原墩柱受力的基礎之上,由于國內獨柱墩加固施工是近兩年才出現的,鉆孔后的墩柱是否受影響還有待驗證,后期需針對鉆孔對墩柱受力的影響,適時調整和優化獨柱墩加固方案,使其更加符合實際,滿足要求。