狹窄地段橋梁重建方案設(shè)計(jì)

于 剛,于 娟

(濟(jì)南通達(dá)公路工程有限公司,山東 濟(jì)南 250200)

橋梁通常是建在河流、湖泊和海洋中,以保證車輛、行人和其他交通工具順暢通過。為了適應(yīng)現(xiàn)代運(yùn)輸工業(yè)的快速發(fā)展,橋梁也被擴(kuò)展為跨越山澗、地質(zhì)條件不良路段或?yàn)闈M足其它交通需求而建造的建筑物[1],被廣泛應(yīng)用到多種不同的場景中。然而由于橋梁的長時(shí)間使用,在外界環(huán)境以及車輛荷載的影響下,橋梁存在不同程度的損壞,不僅影響車輛通行的穩(wěn)定性,還可能會危及行人的出行安全。為了最大程度地保證行人以及車輛在橋梁區(qū)段上的通行安全,需要對存在明顯損傷的橋梁進(jìn)行重建處理。然而在狹窄地段,受到地理環(huán)境的限制,給橋梁施工帶來較大難度。為了能夠在有限的場地內(nèi)完成橋梁重建施工,需要制定具體的針對性重建方案,以期能夠在不影響周圍設(shè)施的情況下,以最快的速度獲取最優(yōu)的橋梁結(jié)構(gòu)。

1 狹窄地段橋梁工程概況

以濟(jì)南市東部某大橋工程為研究對象,原橋全長35 m,橋面中央設(shè)置隔離帶,兩側(cè)為機(jī)動車道,主輔路設(shè)置輔路和人行道,道路全寬4.8 m,凈寬為4.0 m。原橋體的上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土肋骨,面板為預(yù)制拼裝混凝土板和水泥混凝土鋪裝層,下部以鉆孔樁為基礎(chǔ),橋臺為重力式橋臺。橋梁座落在鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍內(nèi),四面都是住宅樓,西北、西南、東北和東南四個(gè)方位上的建筑物與橋身邊沿之間的距離分別為0.8、1.0、1.5、0.6 m。橋梁所處的地質(zhì)環(huán)境為軟土地質(zhì),在場地地面以下45 m處,按順序分布著素填土、粉土、粉砂土,土層的厚度分別為1.0、7.0、33.0 m,土體力學(xué)性能不佳[2]。由于橋體上出現(xiàn)明顯破損、鋼筋外露和腐蝕現(xiàn)象,因此需要拆除重建。

2 拆除狹窄地段原橋

由于原橋處于狹窄地段,且周圍為村莊,因此不能使用大型機(jī)械設(shè)備重?fù)魳蛎?只能采用小型風(fēng)鉆配合人工鑿除施工。在前期準(zhǔn)備工作完成后,為了保證橋梁拱圈和拱頂在拆除過程中不會產(chǎn)生位移,從破壞嚴(yán)重的一側(cè)拱腳進(jìn)行拆除。在拆除拱橋破裂后,拱圈圍繞拱腳向下旋轉(zhuǎn)下落時(shí)受到的約束為直線約束,從而確保了整體拱圈的下降方向是垂直的。全部橋面鋪裝、墊層至挑梁頂面標(biāo)高處,對挑梁之間已經(jīng)開裂破損的墊層混凝土要做鑿除處理,施工時(shí),小型風(fēng)鉆應(yīng)停靠在旁邊穩(wěn)定的地基上,不可上到拱腳頂端,以免發(fā)生翻轉(zhuǎn)而影響拱腳。在清理過程中,使用小型風(fēng)鉆和鑿巖機(jī)對破損的橋身進(jìn)行粉碎,用自卸車運(yùn)到指定的位置堆放。

3 確定狹窄地段橋梁重建結(jié)構(gòu)

根據(jù)橋梁的受力情況確定狹窄地段橋梁的重建結(jié)構(gòu),在不同的混凝土受壓高度下,橋梁正截面的承載力可以表示為

(1)

式中:Ψcon和Ψsteel分別為橋梁的抗拉和抗壓強(qiáng)度,MPa;H為橋梁達(dá)到應(yīng)變界限時(shí)的受壓區(qū)高度,m;Ay和Al分別為受壓和受拉鋼筋的截面面積,m2;hValid為橋面的有效高度,m;εl為橋梁的允許拉應(yīng)變;λ為彈性模量,Pa;h0和h分別為混凝土受壓高度的上下限值,m;b為截面寬度,m;d為橋梁重心到受壓區(qū)邊緣的距離,m[3]。

公式(1)中變量H的計(jì)算公式如下

(2)

式中:εconcrete和εe分別為橋梁材料的極限應(yīng)變和二次受力初始應(yīng)變;[εy]為橋梁施工材料允許的拉應(yīng)變。

通過對狹窄地段橋梁受力情況的分析,結(jié)合橋梁施工材料的基本參數(shù),確定重建橋梁的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋梁重建結(jié)構(gòu)圖(單位:m)

橋梁重構(gòu)工作中需要確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括橋面寬度、橋墩位置、橋臺位置等,確定的橋梁橋面寬度盡量保證道路和橋梁的承載能力與交通量的增加相一致。對于新橋,應(yīng)選用大跨徑,其跨徑應(yīng)為原跨徑的1.5～2倍,可減少橋墩數(shù)目,降低工程造價(jià),增大過水段[4]。橋墩橫橋的方位基本不變,順橋的定位以順橋?yàn)橹攸c(diǎn),應(yīng)結(jié)合孔徑的布局來綜合考慮。

4 實(shí)現(xiàn)狹窄地段橋梁重建

在橋梁重建方案設(shè)計(jì)中,應(yīng)在對施工場地進(jìn)行全面調(diào)研的基礎(chǔ)上,根據(jù)合理的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的施工工藝,確定最佳的結(jié)構(gòu)方案。

4.1 開挖回填與預(yù)壓地基

在狹窄地段橋梁重建施工過程中,開挖回填地基處理的基本原則是將劣質(zhì)地基中的土壤置換為具有良好性質(zhì)的填充物。在施工中,通過這種方法可以提高基礎(chǔ)的承載力,從而有效地控制結(jié)構(gòu)的沉降。在預(yù)設(shè)的施工場地,對橋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的等效載荷,會將孔隙水從地基中排出,從而使地基致密。在此項(xiàng)技術(shù)作業(yè)中,不會改變土壤的性質(zhì),只會使土壤更加致密,而且在施壓的時(shí)候,要注意逐漸增大預(yù)壓的范圍,以避免在預(yù)壓的時(shí)候出現(xiàn)土體凹陷。

4.2 支座構(gòu)造與灌漿施工

支座的結(jié)構(gòu)及注漿工程共分三個(gè)階段:支座襯砌、支座組合安裝、注漿。支架螺栓預(yù)留孔采用預(yù)埋PVC管孔,在支架安裝之前,必須先鑿開PVC管孔,然后對孔壁進(jìn)行鑿毛,以增強(qiáng)注漿劑與孔壁的結(jié)合。在進(jìn)行了上表面的鑿毛后,要清除孔洞和石塊上的浮渣和積水。選用高強(qiáng)度、不收縮的特殊支承注漿材料,以達(dá)到施工的需要。它的流動性好,能夠在超細(xì)縫內(nèi)進(jìn)行微重力注漿,且不會產(chǎn)生收縮而是微膨脹,從而防止支架下產(chǎn)生空洞;高強(qiáng)度、高彈性模量,可滿足各種安裝要求。在進(jìn)行灌漿時(shí),先將每一根螺栓孔灌入到墊石頂部2.5 cm處,再注入60 mm的間隙,直到所有的漿液都漏出。在灌漿時(shí),用竹條或繩索前后拉緊,以利于漿料的流通,中間不能缺漿、斷漿;實(shí)際注漿的高度應(yīng)該稍高于或與底板的上部平面平行[5]。注漿完畢30 min后,立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù),用塑料布將砂漿表面包覆,用繩索或透明膠帶將其上下粘合,以防水分流失,并定期灑水保濕,保持20 d左右。注漿8 h后,將高出設(shè)計(jì)墊石5 cm處的墊石,用刮板輕輕鏟到承臺下鋼板的位置,即設(shè)計(jì)墊石的頂部標(biāo)高,并對灌漿層進(jìn)行壓平處理。

4.3 搭設(shè)鉆孔樁

采用跳打法鉆進(jìn)的方式搭設(shè)鉆孔樁,在狹窄地段重建橋梁中的鉆孔樁布設(shè)情況,如圖2所示。

圖2 橋梁鉆孔樁布設(shè)示意圖

在樁基附近設(shè)置泥漿池,并在某一段進(jìn)行回收。用攪拌機(jī)攪拌泥漿,現(xiàn)場測試泥漿性能。在鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后,應(yīng)立即采取抽碴、吸泥等方法清孔,并對孔徑、孔深、孔形、垂直度及孔底地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)一致性進(jìn)行判斷用于調(diào)整。

4.4 狹窄地段橋梁植筋

狹窄地段重建橋梁植筋的目的是提升橋梁的穩(wěn)定性,植入鋼筋的抗剪能力設(shè)計(jì)值為

(3)

式中:Kbond和Kz分別為粘結(jié)系數(shù)和有效作用系數(shù);μ為摩擦系數(shù);ηp為植入鋼筋相應(yīng)于截面的配筋率,%;χsteel和χconcrete分別為鋼筋和橋面混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,MPa。

將滿足抗剪能力要求的鋼筋以綁扎的形式植入到橋梁內(nèi)部,鋼筋按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)讵M窄地段下料,運(yùn)輸至工地進(jìn)行鋼筋綁扎,鋼筋間距、尺寸、接頭應(yīng)符合設(shè)計(jì)及有關(guān)技術(shù)規(guī)范。在進(jìn)行基材焊接時(shí),應(yīng)注意連接的數(shù)目,在相同的斷面上,連接的數(shù)目不得多于30%,而且焊縫的位置必須是彎曲的,以確保在相同的軸線上[6]。由于頂板鋼筋必須在內(nèi)部模板安裝完畢后才能進(jìn)行,為了節(jié)省施工時(shí)間,必須提前將頂板鋼筋綁扎成形,并將齒板和鋼筋都提前綁扎好,等內(nèi)模組裝好后,將鋼筋網(wǎng)固定到位,然后進(jìn)行整體綁扎。

4.5 設(shè)置后澆帶與橋面防水層

后澆帶是在橋梁面板等超長建筑工程中,臨時(shí)預(yù)留的臨時(shí)變形縫,按設(shè)計(jì)施工需要,經(jīng)一段時(shí)間后進(jìn)行填充、封堵,使其成為一個(gè)整體。設(shè)置后澆帶,是為了在后澆帶關(guān)閉之前,使其更自由地干縮,并充分利用其前期收縮的特性,將大部分的干縮應(yīng)力釋放出去,減小了混凝土干縮引起的張應(yīng)力,從而更好地控制裂縫。在重建的橋面上設(shè)置兩層防水層,分別使用FTY-2橋面防水劑和FTY-1橋面防水劑,確保防水劑能滲透到橋面混凝土10 mm以下。對混凝土橋面的防水涂料也要有較好的附著力,以確保瀝青路面的附著力,同時(shí)也要保證橋面的緊密性。在防水層的粘接后,不能有夾帶空氣的情況下,其抗?jié)B率必須>0.3 MPa。

除此之外,根據(jù)水利水文計(jì)算的結(jié)果,對橋梁和下游河岸、河床的保護(hù)進(jìn)行了研究,對于重點(diǎn)排水渠道,要與水利部門進(jìn)行綜合整治。通常,為了防止或減輕橋位和下游段的水流沖刷,應(yīng)在橋位及下游一定長度的河段中進(jìn)行全覆蓋,并設(shè)截水墻、跌水等措施,以防止或減輕水流沖刷,尤其是為了防止新、老橋墩的并存而造成局部沖刷,從而保證橋梁的安全。

5 狹窄地段橋梁重建方案實(shí)測分析

將提出的狹窄地段橋梁重建方案應(yīng)用到該工程中,得出對應(yīng)的重建施工結(jié)果,根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際橋梁使用需求,對重建橋梁的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)、重建工期等參數(shù)進(jìn)行測試,并通過與預(yù)設(shè)值的比較,判斷提出的狹窄地段橋梁重建方案是否能夠達(dá)到預(yù)期效果。

5.1 布設(shè)重建橋梁測點(diǎn)

布設(shè)測點(diǎn)的目的是獲取重建橋梁各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置,從而判斷橋梁在使用過程中是否存在變形情況。分別在橋面、橋梁、橋墩等位置上設(shè)置測點(diǎn),保證任意兩個(gè)測點(diǎn)之間的距離不超過5 m,且不低于1 m。根據(jù)測點(diǎn)布設(shè)規(guī)則和橋梁幾何結(jié)構(gòu)的重建情況,確定布設(shè)的測點(diǎn)數(shù)量為62個(gè),按照空間規(guī)律對布設(shè)測點(diǎn)進(jìn)行編號處理。在布設(shè)的測點(diǎn)位置上安裝鋼弦式應(yīng)變計(jì),用來檢測在拉伸和受壓情況下的橋梁的應(yīng)變值。最終通過無線網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)變計(jì)設(shè)備與主測計(jì)算機(jī)連接,保證實(shí)時(shí)采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)能夠及時(shí)上傳給分析終端。

5.2 選擇測試內(nèi)容與指標(biāo)

此次實(shí)測試驗(yàn)分別從重建效果和重建成本兩個(gè)方面進(jìn)行測試,設(shè)置重建橋梁平均變形量作為重建效果的量化測試指標(biāo),其數(shù)值結(jié)果如下

(4)

式中:變量ζi為第i個(gè)測點(diǎn)的實(shí)際變形量,可通過測點(diǎn)位置上安裝的應(yīng)變計(jì)直接得出數(shù)值結(jié)果,mm;Nmea為重建橋梁上設(shè)置的測點(diǎn)數(shù)量,取值為常數(shù),個(gè)。

另外,重建成本的量化計(jì)算指標(biāo)設(shè)置為橋梁重建工期Trec和重建費(fèi)用C,具體的計(jì)算公式可以表示為

(5)

式中:tcompleted和tstart分別為橋梁竣工時(shí)間和起始重建時(shí)間;Cbody、Cpier、CSupport、Cabutment和Cprotect分別為橋體、橋墩、支座、橋臺和防護(hù)的建設(shè)費(fèi)用,元。

為了保證狹窄地段橋梁重建方案在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果,要求重建橋梁平均變形量≤2 mm,重建工期≤24個(gè)月,重建費(fèi)用≤50萬。

5.3 實(shí)測過程與結(jié)果分析

在狹窄地段橋梁重建方案執(zhí)行之前,切斷總干渠上游水源,施工期間不再通水,故將施工場地布設(shè)在總干渠內(nèi)。在施工區(qū)上下游修筑圍堰排干渠內(nèi)多余積水,并開設(shè)排水溝,及時(shí)排除地表雨水和地下滲水。在保證水、電供應(yīng)正常的情況下,通過原橋拆除、結(jié)構(gòu)計(jì)算等步驟,完成橋梁重建施工。在重建竣工7 d后,允許車輛與行人通行,經(jīng)過3個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月的使用,得到各個(gè)測點(diǎn)的變形統(tǒng)計(jì)情況,如表1所示。

表1 狹窄地段橋梁重建效果測試結(jié)果 單位:mm

將表1中的數(shù)據(jù)代入到公式(4)中,計(jì)算得出不同使用時(shí)間下,橋梁平均變形量分別為0.288、0.513、0.825 mm,均<2 mm。另外橋梁重建成本的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 狹窄地段橋梁重建成本計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過公式(5)的計(jì)算,得出狹窄地段橋梁重建方案的重建工期和重建費(fèi)用分別為16.7個(gè)月和32.6萬元,均低于預(yù)設(shè)值。

6 結(jié) 語

橋梁在狹窄地段中起著重要的作用,周圍環(huán)境的限制給橋梁的施工帶來較大難度。在此次研究中,以濟(jì)南市東部某大橋?yàn)檠芯繉ο?提出采用小型風(fēng)鉆配合人工鑿除的方法拆除原橋,根據(jù)橋梁的受力情況確定橋梁的重建結(jié)構(gòu)。通過開挖回填與預(yù)壓地基、支座構(gòu)造與灌漿施工、搭設(shè)鉆孔樁、植筋等步驟,實(shí)現(xiàn)狹窄地段橋梁重建施工。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,設(shè)計(jì)的橋梁重建方案能夠較好地解決狹窄地段橋梁施工難、工期長、投入大等問題。