新汴河大橋主橋支座病害研究與更換方案設計

摘要 為保障橋梁工程安全運行，處理好橋梁工程中主橋支座病害問題，文章以新汴河大橋支座更換為例，介紹了主墩支座病害及產生的原因；支座更換設計基本原則、頂升力的計算、頂升高度的控制、頂升系統的設計以及更換施工的工藝及控制要求，并結合工程實例總結了更換過程的關鍵技術、控制指標及養護建議，以期為此類工程提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞 支座；病害研究；更換方案設計

中圖分類號 U445.71 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0096-03

0 引言

橋梁工程建成投入運行使用后，隨著時間的推移，其在使用中面臨的各種負荷以及自然氣候等因素影響，容易出現各種病害問題，對橋梁工程的正常運行造成一定影響。因此，做好橋梁工程病害研究與更換設計，是確保橋梁工程安全運行的重要方法。

1 工程概況

新汴河大橋位于宿州市宿州大道上跨汴河處，是連接宿州和宿州東站的主要通道，大橋全長937 m，分左右雙副分離式設計，主橋為“（85+145+850）m” 三跨連續四索面矮塔斜拉橋，梁體為現澆預應力混凝土箱梁。該橋于2014 年5 月建成通車。

主橋上部結構采用85 m、145 m 現澆預應力混凝土箱梁；基礎采用樁接承臺墩柱形式，墩柱采用門形框架墩（如圖1 所示）；主橋采用抗震盆式橡膠支座，根據結構受力及變形需要，在不同位置選用固定支座、單項活動支座及雙向活動支座。

2 支座病害情況

根據《2022 年宿馬園區新汴河大橋結構檢測項目檢查報告》檢查結果及現場調查結果（如圖2 所示），新汴河大橋主橋右幅12# 橋墩右幅1# 支座的支座墊石出現嚴重破壞，其盆式支座底板及盆環均存在斷裂，12# 墩左1# 支座、4# 支座承壓橡膠板及阻尼橡膠圈被擠出支座底盆，12# 墩內側支座滑板磨耗工作高度低于1 mm，存在異常磨損和過度壓縮。

3 支座病害原因分析

根據對該橋支座承載力的計算，該橋原設計支座承載能力滿足要求，表明原橋支座規格選擇合理。

（1）支座拆除后發現，1# 支座壓潰斷裂的主要原因如下：支座中部灌漿層脫空呈鍋底狀，鍋底中心脫空深度約2 cm，導致支座中心底板受剪斷裂后將整個支座壓潰。2# 支座底板也出現局部斷裂裂縫。

（2）支座承壓橡膠板及阻尼橡膠圈被擠出支座底盆原因如下：支座安裝不平整，導致支座傳力不均勻，在汽車荷載、溫度效應等的反復作用下，使支座承壓橡膠和阻尼橡膠被循環擠壓出支座底盆。

（3）其他可能的原因：支座本身的缺陷因素，包括鑄鋼件的內部缺陷超差、橡膠質量問題、滑板質量問題以及承壓橡膠板密封構造設計不正確等。

4 更換設計基本原則

（1）更換設計應包括頂升方式、頂升力、頂升系統、交通組織、監控系統設計等內容。

（2）更換設計應在現場調查基礎上，結合橋梁設計、施工、運營及歷年養護維修資料研究制定。

（3）橋梁支座更換不應損傷原結構，不應降低橋梁原設計標準及設計使用年限。

（4）對于裝配式梁橋，當墩臺部分支座需更換時，若其他支座仍然存在使用壽命降低的現象，應將該墩臺上與之同排的支座全部更換。

（5）梁板在正式頂升之前應進行預頂升。

（6）梁體頂升后，應將原支座反力安全轉移到滿足原支座約束條件并可調節的臨時支撐上。

（7）以下情況應中斷交通更換支座：①頂升引起的伸縮縫處兩側橋面標高差大于5 mm，且無特殊處理措施。②對于縱坡≥ 4% 的大縱坡橋梁或曲線半徑≤ 500 m的小半徑彎橋，頂升施工時解除縱橋向和橫橋向約束且沒有增加限位裝置。③采用單墩頂升方式更換曲線半徑≤ 500 m 的小半徑彎橋支座。

（8）不中斷交通情況下更換設計應考慮車輛荷載的沖擊力，沖擊力應按JTGD60 的規定進行計算。

（9）不中斷交通條件下更換連續梁橋、剛構橋、斜拉橋、懸索橋等結構復雜橋梁支座，應對頂升更換過程進行施工監控方案設計。

按照更換設計的基本原則，結合主橋支座損壞狀況，設計方案為將12# 墩同排支座全部更換，更換支座型號維持原設計，同時考慮到支座墊石鋼筋高度不足，將原墊石鑿除后，增設鋼筋網片，采用UHPC 高性能混凝土灌注。

5 頂升期間交通組織及頂升方式

橋面按分離式設計，結合交通流量采用單側封閉交通單幅更換方式實施。支座更換可采用的頂升方式包括縱橋向逐墩同步頂升、縱橋向成比例頂升以及整聯或整橋同步頂升。因該橋主橋為三跨連續現澆預應力混凝土箱梁，結合工期及費用優先采用單墩同步頂升，當采用單墩頂升方式不能滿足頂升高度要求時，可在同一聯前后相鄰的橋墩處成比例輔助頂升。

6 頂升高度的確定

橋梁頂升高度控制指標主要包括墩臺處最大容許頂升高度、縱橋向頂升高差、橫橋向頂升不同步高差等。支座更換頂升高度的確定：①滿足原支座取出，新支座順利安裝空間操作要求，根據支座的結構，頂升高度3 cm 能滿足支座抽換的空間要求。②頂升點頂升高度允許值計算。考慮支座頂升過程中其他情況影響，頂升高度按照5 cm 進行控制驗算。采用有限元軟件對該橋頂升過程進行模擬驗算，并在恒載組合作用下進行結構驗算。計算結果標明該橋在頂升期間按照控制高度5 cm，僅在恒載作用下主梁承載能力驗算滿足規范要求。

綜上12# 墩的支座更換作業時，按照控制頂升高度不大于5 cm。若單墩頂升困難，可在13# 墩處同步頂升10 mm。

7 頂升力

根據橋梁恒載和活載設計荷載等級，考慮不中斷交通情況下汽車沖擊力的影響以及安全儲備，按式（1）計算單個支座頂升力：

Fd=k×R （1）

式中，Fd——所需的單個支座頂升力（kN）；k——安全系數，在1.5～2.0 之間取值，具體取值應根據計算及實際情況確定；R—— 按結構恒載標準值+ 汽車荷載標準值（考慮汽車沖擊力）計算的單個支座反力（kN）。因該橋在封閉交通條件下實施，不考慮汽車荷載，考慮1.5 倍安全系數，經計算12# 墩單幅頂升力為18 694.5 t。采用40 臺630 t 千斤頂同步頂升，單個千斤頂實際頂升力450 t。

8 頂升系統

8.1 同步頂升系統

PLC 多點同步控制系統能同時對多點實施頂升，同時具備對頂升過程中各點頂升力、位移等數據實時采集功能，將監測數據與安全閥值實時校核，確定并自動執行頂升系統各千斤頂的下一步動作，從而實現多液壓缸負載均衡同步自動升降。

采用一臺PLC 液壓系統，同時輸出兩組供油管路，一組供油管路控制20 臺千斤頂。液壓系統由計算機控制，可以全自動地完成同步位移，實現力和位移的控制、位移誤差的控制、行程的控制和負載壓力的控制；誤操作自動保護、過程顯示、故障報警、緊急停止等多種功能[1]。

8.2 千斤頂布置

（1）布置原則：縱橋向、橫橋向頂升千斤頂的合力點應與支座中心點盡量重合，在滿足支座拆裝操作空間的前提下，盡可能地靠近支座擺放。頂升千斤頂應布置于梁體腹板、肋板、內橫隔梁位置處，不應布置于箱梁或板梁內空腔處。當無法滿足上述要求時，應對千斤頂布置處局部加強。

（2）千斤頂布置及局部承壓計算。結合墩頂結構尺寸，單墩在支座墊石周邊布置40 臺雙作用螺母自鎖千斤頂（630 t）千斤頂作為頂升設備，同時設置臨時抄墊鋼板。為增大主梁底面受壓面積，千斤頂上部抄墊邊長45 cm、厚度2 cm 鋼板，主梁墩頂局部應力22.2 MPa，千斤頂頂升位置為實心段，主梁混凝土為C50 局部承壓滿足要求。

8.3 施工操作平臺及支座更換滑移軌道設計

12# 墩高10.5 m，梁底距橋面凈空高度為80 cm，搭設雙排鋼管腳手架作為施工平臺；主支座最大重8.7 t，因墩頂與梁底之間操作空間受限，采用在主墩側面植錨栓固定型鋼滑動平臺，作為主支座安拆的滑道。

9 施工監控

監控內容包括頂升高度、梁體縱橫向偏位、應力/應變、裂縫、橋面高程、伸縮縫變形、撓度、溫度、風速等。

10 施工作業

10.1 作業流程

施工準備→ 預頂升→ 正式頂升→ 支座墊石處理→ 支座更換→ 落梁。

10.2 施工準備

①施工前應根據實際需要合理配置施工班組、作業管理人員，并對所有操作人員進行技術交底和安全教育培訓。②施工所需材料、產品應進場驗收及檢驗，不得使用檢驗不合格的材料和產品。③新支座的規格、型號及技術要求應符合設計要求，并具有出廠合格證明及檢驗合格報告。④應對頂升系統進行安裝調試和校驗，并有充足備件。⑤千斤頂示值誤差不應超過2%，油壓表分辨率不大于0.1 MPa；千斤頂、油壓表應經標定合格后方可使用；安裝后、使用前應進行保壓試驗，保壓試驗的試驗壓力應維持在千斤頂公稱量程的70%，保壓時間不低于120 s。⑥安裝千斤頂時，上下接觸面應根據局部承壓驗算結果配置鋼墊板，并進行縱坡、橫坡調平處理，水平方向的平整度應控制在±1 mm 以內。⑦頂升千斤頂安裝時應保證其軸向垂直，圓心豎直偏差不應大于0.5 mm；⑧當采用墩臺頂作為千斤頂支撐平臺時，應清理墩臺頂部并做找平處理。⑨應確認梁體與墩臺結構各部位約束或聯系已完全解除；對橋上布設的管線障礙進行妥善處理，同時應落實防護措施。

10.3 預頂升

①預頂升荷載分為兩級：第一級頂升力為支座計算反力的50% 左右，持荷5～10 min 并檢查頂升設備的安全性，無異常后進行第二級頂升；第二級以頂升位移控制為主，頂升至梁體脫離原支座1～2 mm，保持持荷狀態達到10 min 以上且無任何異常后，方可認定系統工作正常并將千斤頂回落到原位[2]。②頂升過程中頂升位移速度不應大于1 mm/3 min。③在預頂升過程中如發現系統工作異常、管路滲漏、頂升力與理論頂升荷載偏差較大等情況，應立即停止作業，卸載后進行調試，合格后方可繼續實施預頂升。④如出現部分支座不脫空，應查找原因，并記錄不脫空支座位置，在正式頂升時對頂升力進行調整。

10.4 正式頂升

正式頂升分級頂升。每一級頂升標準行程為2 mm，設置最大頂升速度1 mm/min。每一級頂升到位時應及時調整千斤頂螺旋裝置（機械式支撐），保證安全。頂升過程中對頂升力和頂升位移進行雙控，并以頂升點處梁體位移作為主要控制指標。

整個頂升過程應保持橋墩兩側位移傳感器的位置同步誤差小于1 mm，一旦位置誤差大于1 mm 或任何一缸的壓力誤差大于5%，控制系統立即關閉液控單向閥，以確保梁體安全。

頂升到位后及時調整螺旋裝置（機械式支撐）支撐保護，并將上部結構荷載轉換到可調節的臨時支撐上。

10.5 支座更換

頂升高度滿足施工要求后，拆除支座上、下座板錨固螺栓，采用連接件將支座各元件進行臨時固結，采用葫蘆將病害舊支座牽引至滑道，采用吊裝設備將支座移出施工操作區域。

使用風鎬對破損的墊石進行破除，鑿除過程中注意原鋼筋的保護，然后使用UHPC 超高性能混凝土對墊石進行恢復。預留2～3 cm 作為支座灌漿調平層，使用重力式灌注高強支座灌漿料調平。支座墊石頂面高程允許誤差±2 mm，四角高差±2 mm，位置偏差5 mm。

支座灌漿調平層平整度密實度控制措施：①重力式灌漿。②自支座一側或一個角單點灌注。③采用拉細鋼筋或鋼絲等方式，確保支座中部灌漿密實及趕走灌漿層內氣泡，起到振搗作用。④正式灌注前應模擬灌注試驗，檢驗灌漿材料性能及灌注工藝。

新支座的安裝恢復原支座上下預埋板的聯結裝置，采用自上而下的順序安裝新支座。更換施工后支座頂面標高及水平偏位應符合設計要求，標高偏差不應大于±2 mm，水平偏位不應大于2 mm。

10.6 落梁

采用分級卸載方式落梁，確保各個支座受力均勻。落梁后應檢查確認各連接面密貼，新支座受力狀態正常。落梁到設計標高位置后，應通過千斤頂自鎖方式或設置臨時支撐的方式，確保高度座標不發生變化，并再次檢查支座頂面標高和四角高差是否符合規定要求[3]。

11 結論與建議

第一，支座更換施工實際采用12# 墩單墩頂升，頂升力為14 420 t，實際頂升高度4 cm（含支座病害下沉高度約1 cm）。

第二，因1# 支座完全壓潰后下沉約1 cm。梁體頂升過程中應先將梁體調平，然后再進行同步升高。

第三，梁體頂升的過程首先克服梁體自重，梁體與支座接觸面脫離，12# 墩位置帶動梁體整體抬高，頂升力逐漸增大，當頂升應力大于梁體變形產生的應力后，梁體開始變形。支座頂升力應考慮梁體變形產生的力。

第四，在原支座安裝相對高差無異常偏差的條件下，新支座安裝標高按照原樣恢復控制。標高控制以施工監控數據為準，同時可結合原套筒預埋高度及PLC 同步頂升設備控制高度進行復核。

第五，通過該橋支座病害處治情況發現大型盆式橡膠支座因支座底板面積大，施工時支座灌漿料調平層灌注平整度、密實度控制難度大，是支座施工質量控制的關鍵。該項目通過重力式灌漿、單點單側面灌注，同時輔以拉鋼筋、鋼絲調平及趕走灌漿層內氣泡等方式確保施工質量，通過工藝驗證試驗，顯示取得良好效果。

參考文獻

[1] 王娟. 橋梁支座病害成因及防治[J]. 磚瓦世界， 2019（22）： 231.

[2] 楊璞. 橋梁支座病害及更換技術研究[J]. 山西建筑，2019（15）： 108-109.

[3] 李振華. 橋梁支座病害成因分析及防治措施[J]. 科技創新導報， 2019（30）： 27-28.