某梁橋橋墩縱向位移原因分析與維修方案

劉輝 李云霞

(1.武漢裕申工程技術(shù)有限公司,湖北武漢 430056;2.山東職業(yè)學(xué)院土木工程系,山東濟(jì)南 261053)

某梁橋橋墩縱向位移原因分析與維修方案

劉輝1李云霞2

(1.武漢裕申工程技術(shù)有限公司,湖北武漢 430056;2.山東職業(yè)學(xué)院土木工程系,山東濟(jì)南 261053)

結(jié)合某梁橋橋墩出現(xiàn)縱向位移的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算分析,表明梁底支座墊板未調(diào)平是病害產(chǎn)生的主要原因。根據(jù)病害原因和現(xiàn)場(chǎng)條件制定糾偏方案及防止橋墩再次發(fā)生位移的措施。介紹實(shí)施步驟及施工過(guò)程中的控制要點(diǎn)。

橋墩 縱向位移 糾偏方案 支座調(diào)平

某梁橋位于山區(qū)高速公路上，自2011年建成運(yùn)營(yíng)3年多以來(lái)，其右幅R3#橋墩出現(xiàn)異常的縱向位移情況，隨著時(shí)間的推移縱向位移量有所增加。針對(duì)R3#橋墩的縱偏情況展開(kāi)調(diào)查，結(jié)合調(diào)查結(jié)果和理論計(jì)算分析其產(chǎn)生原因，并制定相應(yīng)的維修處治方案。

1 橋梁概況

某大橋?yàn)楦咚俟菲矫嫖挥谥本€上，為雙幅分離式橋梁，左右幅跨徑組合均為6×30m，橋梁全長(zhǎng)187m。上部結(jié)構(gòu)為兩聯(lián)3×30m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橫向布置7片梁，主梁間設(shè)5道橫隔板。中間墩上T梁與蓋梁固結(jié)，其余墩設(shè)直徑為35cm的四氟板橡膠支座。R3#橋墩采用雙柱式墩配鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋墩、樁基直徑分別為180cm、200cm。單幅橋?qū)挒?6m。縱向坡度為-4%、橫向坡度為±2%。 橋梁布置圖和橫斷面圖見(jiàn)圖1．1、1．2。

2 病害情況

通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)R3#墩縱向位移的具體病害情況如下:(1)R3#墩蓋梁中心線與伸縮縫中心線縱向位置偏差為24．8cm。蓋梁向上坡方向位移，如圖2．1所示。(2)R3#墩支座為四氟板支座，因此支座隨蓋梁一起移動(dòng)，使得支座與梁底上鋼板出現(xiàn)縱向錯(cuò)位，最大錯(cuò)位距離達(dá)到21．0cm，局部滑出上鋼板范圍。

(3)R3#墩蓋梁頂面往上坡方向位移量約為21．0cm；R2#墩蓋梁頂面往下坡(向3#墩)位移量約為4．0cm。

圖1.1 橋型布置圖(cm)

圖1.2 R3#墩橫斷面圖(cm)

(4)瀝青混凝土鋪裝層澆筑完成至今3年多的時(shí)間內(nèi)，蓋梁頂面位移量約為9．0cm。(5)將墩柱處地面向下開(kāi)挖至橫系梁(約2．5m深)檢查，墩柱、蓋梁均未發(fā)現(xiàn)裂縫。(6)R3#墩兩側(cè)T梁梁底支座上鋼板均未調(diào)平，上鋼板傾斜方向及傾角大小與橋梁縱坡一致。(7)支座除滑出上鋼板外，未見(jiàn)明顯的脫空現(xiàn)象。(8)經(jīng)測(cè)量，各支座墊石四角高差均小于2mm，滿足規(guī)范要求。(9)連續(xù)兩次間隔一周的時(shí)間進(jìn)行位移量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2．1。表中“+”表示往下坡方向；“-”表示往上坡方向。

測(cè)量結(jié)果顯示氣溫升高時(shí)R3#、R4#墩頂有往上坡方向位移的趨勢(shì)；R2#墩頂有往下坡方向位移的趨勢(shì)，但位移值很小。

3 縱偏原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，初步分析R3#墩縱向位移的原因是支座上鋼板未調(diào)平，存在4%的縱向坡度。受此影響，上部結(jié)構(gòu)自重對(duì)墩柱產(chǎn)生水平作用力，而雙柱墩抵抗縱向變形的能力稍弱，在過(guò)大的水平推力作用下產(chǎn)生縱偏。

3.1 支座及墩柱受力模式分析

圖2.1 R3#墩側(cè)面照片

當(dāng)支座上、下鋼板均為水平時(shí)，T梁自重作用下支座僅承受豎向力作用，無(wú)水平分力產(chǎn)生。當(dāng)上鋼板安裝存在一定坡度時(shí)，T梁自重在支座處會(huì)產(chǎn)生水平分力，支座頂面受力模式如圖3．1所示。

由于支座頂面存在一定坡度，T梁自重對(duì)支座的作用力P可分解為豎向分力Py和水平分力Px，Py等于T梁自重G。而支座上仍有水平力Px作用。

支座上表面為四氟板，其摩擦系數(shù)小于底面普通橡膠的摩擦系數(shù)，因此結(jié)構(gòu)的相對(duì)滑動(dòng)發(fā)生在支座上表面。

而相對(duì)滑動(dòng)有兩種結(jié)果:墩柱及蓋梁的縱向位移；T梁(上部結(jié)構(gòu))的縱向位移。本橋中間墩為墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)，橋梁和T梁形成的體系縱向剛度大，上部結(jié)構(gòu)的縱向位移很小。而R3#墩地面以上高度為26．5m，縱向抗推剛度相對(duì)較弱，因此上部結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的水平分力Px使得墩柱、蓋梁發(fā)生較大的縱向位移。

由于支座和T梁之間仍然存在滑動(dòng)摩阻力，因此縱偏的形成也有一定的過(guò)程。行車產(chǎn)生的振動(dòng)以及體外溫度的變化使得支座和T梁間摩阻狀態(tài)發(fā)生著緩慢的變化，墩頂、蓋梁的縱偏也相應(yīng)的慢慢增大。當(dāng)墩柱的水平恢復(fù)力與Px達(dá)到一定平衡時(shí)，墩柱的縱偏即保持相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)。

表2.1 墩柱縱向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4.1 縱向限位裝置布置示意圖(cm)

圖5.1 千斤頂布置示意圖

3.2 自重水平分力作用下墩柱縱偏計(jì)算分析

采用MIDAS/Civil結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立下部結(jié)構(gòu)空間模型，分析上部結(jié)構(gòu)自重水平分力作用下，下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向位移的大小。計(jì)算模型如圖3．2所示。

計(jì)算參數(shù):結(jié)構(gòu)幾何尺寸取用設(shè)計(jì)值；混凝土、鋼筋材料參數(shù)取用規(guī)范值；經(jīng)計(jì)算上部結(jié)構(gòu)在R3#墩支反力總和為8058kN，產(chǎn)生的水平分力為322kN，分7個(gè)節(jié)點(diǎn)在T梁對(duì)應(yīng)位置施加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)施加的水平力為46kN。樁基邊界條件采用土彈簧模擬，相應(yīng)參數(shù)根據(jù)樁位的地質(zhì)資料取用。

經(jīng)計(jì)算，在上部結(jié)構(gòu)自重水平分力作用下，蓋梁頂面縱向位移為19．1cm。而實(shí)測(cè)縱偏為21．0cm。

通過(guò)支座受力模式分析以及上部結(jié)構(gòu)自重水平分力作用下墩柱、蓋梁縱偏大小計(jì)算分析，可以看出支座上鋼板未調(diào)平，上部結(jié)構(gòu)自重水平分力是導(dǎo)致墩柱縱偏的主要原因。

4 維修方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，墩柱尚未出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象，縱向位移對(duì)墩柱受力性能及安全性產(chǎn)生的影響較小。因此采取的維修方案為:將墩柱糾偏復(fù)位，拆除支座上鋼板采用楔形鋼板將支座上表面調(diào)平，并在蓋梁頂面設(shè)置縱向限位裝置防止縱偏情況的再次發(fā)生。

本次墩柱糾偏復(fù)位驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為:糾偏后蓋梁頂面縱向位置偏差≤5mm；支座上鋼板四角高差≤2mm。

蓋梁兩側(cè)T梁各設(shè)4個(gè)鋼結(jié)構(gòu)縱向限位裝置，植入化學(xué)螺栓錨固。布設(shè)方案如圖4．1所示。

5 施工方案及步驟

5.1 施工方案

R3#墩糾偏施工方案為:使用千斤頂將T梁豎向頂升10mm，拆除支座上鋼板、安裝并調(diào)平楔形鋼板(按實(shí)際坡度加工)；支座頂面涂抹潤(rùn)滑油脂后將T梁落下；在蓋梁頂面設(shè)置反力架，使用千斤頂水平頂升，使墩柱復(fù)位；安裝縱向限位裝置，放松并卸下水平千斤頂。

每片T梁?jiǎn)味朔戳?7．6t，豎向頂升使用100t的千斤頂，行程50mm；橫向頂升使用50t千斤頂，行程85mm。頂升時(shí)共布置14臺(tái)豎向千斤頂和8臺(tái)水平千斤頂，布置圖見(jiàn)圖5．1。

豎向千斤頂布置于隔板下方，頂部加墊300×200×20mm的鋼板；反力架的橫向扁擔(dān)梁支撐于墊石側(cè)面，端部通過(guò)植入螺栓錨固于蓋梁頂面。

由于豎向千斤頂?shù)牟贾命c(diǎn)的支撐反力不同，且差別較大。因此豎向頂升時(shí)采用PLC同步控制系統(tǒng)，每片T梁下方各布置一個(gè)位移測(cè)點(diǎn)控制豎向頂升時(shí)的位移。豎向頂升總高度不大于20mm。

5.2 施工步驟

(1)施工準(zhǔn)備。施工準(zhǔn)備工作包括的內(nèi)容有:搭設(shè)工作平臺(tái)；制作反力架；加工楔形鋼板；購(gòu)買支座；布設(shè)T梁高程測(cè)量點(diǎn)。(2)測(cè)量T梁標(biāo)高。測(cè)量每片T梁的梁底標(biāo)高初始值，測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)布置在橋臺(tái)或堅(jiān)固地面上。糾偏復(fù)位工作完成落梁后，相鄰T梁的高差不大于1．5mm。蓋梁兩側(cè)T梁相對(duì)高差不大于2mm。(3)安裝反力架、千斤頂。按圖5．1的布置安裝反力架、布設(shè)千斤頂、連接油管及PLC控制系統(tǒng)。橫向千斤頂和豎向千斤頂分別由兩臺(tái)油泵控制。每片T梁下方布置頂升位移測(cè)點(diǎn)。(4)橫向糾偏復(fù)位啟動(dòng)豎向千斤頂，支座可以抽出時(shí)即穩(wěn)住停止頂升。在支座頂面涂抹潤(rùn)滑油脂再安裝回原位。放松豎向千斤頂落梁。啟動(dòng)水平千斤頂，進(jìn)行墩柱復(fù)位工作。墩柱復(fù)位至設(shè)計(jì)位置，在反力架上進(jìn)行抄墊，防止墩柱回位。注意墩柱復(fù)位量不要超過(guò)設(shè)計(jì)值。(5)安裝楔形鋼板。再次啟動(dòng)豎向千斤頂，頂升15mm左右時(shí)停止頂升并進(jìn)行抄墊，防止T梁回落。拆除支座上鋼板，安裝新加工的楔形鋼板。楔形鋼板安裝完畢，將新支座安放就位。放松豎向千斤頂落梁。落梁后測(cè)量每片T梁標(biāo)高，若T梁高差不滿足要求，則通過(guò)在支座下方加墊薄鋼板的方式進(jìn)行調(diào)整。(6)安裝縱向限位裝置。拆掉豎向頂升千斤頂及油管等。按設(shè)計(jì)位置植入螺栓、安裝縱向限位裝置。(7)復(fù)位及驗(yàn)收。放松水平千斤頂，測(cè)量墩柱位置偏差是否滿足≤5mm的要求，不滿足時(shí)通過(guò)在限位裝置上加墊薄鋼板進(jìn)行調(diào)整。直至墩柱位置偏差≤5mm，滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.3 注意事項(xiàng)

(1)豎向頂升時(shí)須采用PLC同步控制系統(tǒng)，頂升過(guò)程中滿足任何兩片T梁高差≯2mm的要求。(2)橫向糾偏復(fù)位時(shí)須同步測(cè)量蓋梁兩端的位移值，保持同步復(fù)位，防止蓋梁出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的情況。(3)安裝楔形鋼板時(shí)需要特別注意兩個(gè)問(wèn)題:一是既要調(diào)整縱向坡度又要關(guān)注橫向坡度，調(diào)整后楔形鋼板底面四角高差≯2mm；二是每片T梁楔形鋼板至支座下鋼板的距離須保持一致，保證落梁后各片T梁相對(duì)高差保持不變。另外，楔形鋼板與T梁底面須壓注粘鋼膠。(4)計(jì)算楔形鋼板與支座下鋼板間距時(shí)須考慮支座的壓縮變形、頂升后T梁的相對(duì)高差等因素，保證落梁后伸縮縫兩側(cè)型鋼頂面高差≯2mm。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某梁橋墩柱縱向位移的檢測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果分析，得出由于支座上鋼板未調(diào)平，上部結(jié)構(gòu)的自重對(duì)支座產(chǎn)生的水平分力是導(dǎo)致墩柱縱偏的根本原因。在對(duì)墩柱縱向糾偏復(fù)位的基礎(chǔ)上，采用楔形鋼板調(diào)平，使得維修后的支座保持水平狀態(tài)。同時(shí)增設(shè)縱向限位裝置可以有效的防止墩柱縱偏的再次發(fā)生。該梁橋墩柱維修后運(yùn)營(yíng)狀態(tài)正常，達(dá)到了預(yù)期的處理效果。

[1] 交通部．公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D62-2004)[S]．中華人民共和國(guó)交通部,2004.

[2] 交通部．公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG/T J22-2008)[S]．中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部,2008.

[3] 交通部．公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范(JTG/T J23-2008) [S]．中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部,2008.