某梁桥桥墩纵向位移原因分析与维修方案

刘辉 李云霞

(1.武汉裕申工程技术有限公司,湖北武汉 430056;2.山东职业学院土木工程系,山东济南 261053)

某梁桥桥墩纵向位移原因分析与维修方案

刘辉1李云霞2

(1.武汉裕申工程技术有限公司,湖北武汉 430056;2.山东职业学院土木工程系,山东济南 261053)

结合某梁桥桥墩出现纵向位移的现场检测结果和理论计算分析,表明梁底支座垫板未调平是病害产生的主要原因。根据病害原因和现场条件制定纠偏方案及防止桥墩再次发生位移的措施。介绍实施步骤及施工过程中的控制要点。

桥墩 纵向位移 纠偏方案 支座调平

某梁桥位于山区高速公路上，自2011年建成运营3年多以来，其右幅R3#桥墩出现异常的纵向位移情况，随着时间的推移纵向位移量有所增加。针对R3#桥墩的纵偏情况展开调查，结合调查结果和理论计算分析其产生原因，并制定相应的维修处治方案。

1 桥梁概况

某大桥为高速公路平面位于直线上，为双幅分离式桥梁，左右幅跨径组合均为6×30m，桥梁全长187m。上部结构为两联3×30m先简支后结构连续预应力混凝土T梁，横向布置7片梁，主梁间设5道横隔板。中间墩上T梁与盖梁固结，其余墩设直径为35cm的四氟板橡胶支座。R3#桥墩采用双柱式墩配钻孔灌注桩基础，桥墩、桩基直径分别为180cm、200cm。单幅桥宽为16m。纵向坡度为-4%、横向坡度为±2%。 桥梁布置图和横断面图见图1．1、1．2。

2 病害情况

通过检查发现R3#墩纵向位移的具体病害情况如下:(1)R3#墩盖梁中心线与伸缩缝中心线纵向位置偏差为24．8cm。盖梁向上坡方向位移，如图2．1所示。(2)R3#墩支座为四氟板支座，因此支座随盖梁一起移动，使得支座与梁底上钢板出现纵向错位，最大错位距离达到21．0cm，局部滑出上钢板范围。

(3)R3#墩盖梁顶面往上坡方向位移量约为21．0cm；R2#墩盖梁顶面往下坡(向3#墩)位移量约为4．0cm。

图1.1 桥型布置图(cm)

图1.2 R3#墩横断面图(cm)

(4)沥青混凝土铺装层浇筑完成至今3年多的时间内，盖梁顶面位移量约为9．0cm。(5)将墩柱处地面向下开挖至横系梁(约2．5m深)检查，墩柱、盖梁均未发现裂缝。(6)R3#墩两侧T梁梁底支座上钢板均未调平，上钢板倾斜方向及倾角大小与桥梁纵坡一致。(7)支座除滑出上钢板外，未见明显的脱空现象。(8)经测量，各支座垫石四角高差均小于2mm，满足规范要求。(9)连续两次间隔一周的时间进行位移量监测，监测结果见表2．1。表中“+”表示往下坡方向；“-”表示往上坡方向。

测量结果显示气温升高时R3#、R4#墩顶有往上坡方向位移的趋势；R2#墩顶有往下坡方向位移的趋势，但位移值很小。

3 纵偏原因分析

根据现场检测结果，初步分析R3#墩纵向位移的原因是支座上钢板未调平，存在4%的纵向坡度。受此影响，上部结构自重对墩柱产生水平作用力，而双柱墩抵抗纵向变形的能力稍弱，在过大的水平推力作用下产生纵偏。

3.1 支座及墩柱受力模式分析

图2.1 R3#墩侧面照片

当支座上、下钢板均为水平时，T梁自重作用下支座仅承受竖向力作用，无水平分力产生。当上钢板安装存在一定坡度时，T梁自重在支座处会产生水平分力，支座顶面受力模式如图3．1所示。

由于支座顶面存在一定坡度，T梁自重对支座的作用力P可分解为竖向分力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。

支座上表面为四氟板，其摩擦系数小于底面普通橡胶的摩擦系数，因此结构的相对滑动发生在支座上表面。

而相对滑动有两种结果:墩柱及盖梁的纵向位移；T梁(上部结构)的纵向位移。本桥中间墩为墩梁固结结构，桥梁和T梁形成的体系纵向刚度大，上部结构的纵向位移很小。而R3#墩地面以上高度为26．5m，纵向抗推刚度相对较弱，因此上部结构自重产生的水平分力Px使得墩柱、盖梁发生较大的纵向位移。

由于支座和T梁之间仍然存在滑动摩阻力，因此纵偏的形成也有一定的过程。行车产生的振动以及体外温度的变化使得支座和T梁间摩阻状态发生着缓慢的变化，墩顶、盖梁的纵偏也相应的慢慢增大。当墩柱的水平恢复力与Px达到一定平衡时，墩柱的纵偏即保持相对的稳定状态。

表2.1 墩柱纵向位移监测结果

图4.1 纵向限位装置布置示意图(cm)

图5.1 千斤顶布置示意图

3.2 自重水平分力作用下墩柱纵偏计算分析

采用MIDAS/Civil结构计算软件建立下部结构空间模型，分析上部结构自重水平分力作用下，下部结构产生纵向位移的大小。计算模型如图3．2所示。

计算参数:结构几何尺寸取用设计值；混凝土、钢筋材料参数取用规范值；经计算上部结构在R3#墩支反力总和为8058kN，产生的水平分力为322kN，分7个节点在T梁对应位置施加，每个节点施加的水平力为46kN。桩基边界条件采用土弹簧模拟，相应参数根据桩位的地质资料取用。

经计算，在上部结构自重水平分力作用下，盖梁顶面纵向位移为19．1cm。而实测纵偏为21．0cm。

通过支座受力模式分析以及上部结构自重水平分力作用下墩柱、盖梁纵偏大小计算分析，可以看出支座上钢板未调平，上部结构自重水平分力是导致墩柱纵偏的主要原因。

4 维修方案

根据现场检测结果，墩柱尚未出现开裂的现象，纵向位移对墩柱受力性能及安全性产生的影响较小。因此采取的维修方案为:将墩柱纠偏复位，拆除支座上钢板采用楔形钢板将支座上表面调平，并在盖梁顶面设置纵向限位装置防止纵偏情况的再次发生。

本次墩柱纠偏复位验收标准为:纠偏后盖梁顶面纵向位置偏差≤5mm；支座上钢板四角高差≤2mm。

盖梁两侧T梁各设4个钢结构纵向限位装置，植入化学螺栓锚固。布设方案如图4．1所示。

5 施工方案及步骤

5.1 施工方案

R3#墩纠偏施工方案为:使用千斤顶将T梁竖向顶升10mm，拆除支座上钢板、安装并调平楔形钢板(按实际坡度加工)；支座顶面涂抹润滑油脂后将T梁落下；在盖梁顶面设置反力架，使用千斤顶水平顶升，使墩柱复位；安装纵向限位装置，放松并卸下水平千斤顶。

每片T梁单端反力为57．6t，竖向顶升使用100t的千斤顶，行程50mm；横向顶升使用50t千斤顶，行程85mm。顶升时共布置14台竖向千斤顶和8台水平千斤顶，布置图见图5．1。

竖向千斤顶布置于隔板下方，顶部加垫300×200×20mm的钢板；反力架的横向扁担梁支撑于垫石侧面，端部通过植入螺栓锚固于盖梁顶面。

由于竖向千斤顶的布置点的支撑反力不同，且差别较大。因此竖向顶升时采用PLC同步控制系统，每片T梁下方各布置一个位移测点控制竖向顶升时的位移。竖向顶升总高度不大于20mm。

5.2 施工步骤

(1)施工准备。施工准备工作包括的内容有:搭设工作平台；制作反力架；加工楔形钢板；购买支座；布设T梁高程测量点。(2)测量T梁标高。测量每片T梁的梁底标高初始值，测量基准点布置在桥台或坚固地面上。纠偏复位工作完成落梁后，相邻T梁的高差不大于1．5mm。盖梁两侧T梁相对高差不大于2mm。(3)安装反力架、千斤顶。按图5．1的布置安装反力架、布设千斤顶、连接油管及PLC控制系统。横向千斤顶和竖向千斤顶分别由两台油泵控制。每片T梁下方布置顶升位移测点。(4)横向纠偏复位启动竖向千斤顶，支座可以抽出时即稳住停止顶升。在支座顶面涂抹润滑油脂再安装回原位。放松竖向千斤顶落梁。启动水平千斤顶，进行墩柱复位工作。墩柱复位至设计位置，在反力架上进行抄垫，防止墩柱回位。注意墩柱复位量不要超过设计值。(5)安装楔形钢板。再次启动竖向千斤顶，顶升15mm左右时停止顶升并进行抄垫，防止T梁回落。拆除支座上钢板，安装新加工的楔形钢板。楔形钢板安装完毕，将新支座安放就位。放松竖向千斤顶落梁。落梁后测量每片T梁标高，若T梁高差不满足要求，则通过在支座下方加垫薄钢板的方式进行调整。(6)安装纵向限位装置。拆掉竖向顶升千斤顶及油管等。按设计位置植入螺栓、安装纵向限位装置。(7)复位及验收。放松水平千斤顶，测量墩柱位置偏差是否满足≤5mm的要求，不满足时通过在限位装置上加垫薄钢板进行调整。直至墩柱位置偏差≤5mm，满足验收标准要求。

5.3 注意事项

(1)竖向顶升时须采用PLC同步控制系统，顶升过程中满足任何两片T梁高差≯2mm的要求。(2)横向纠偏复位时须同步测量盖梁两端的位移值，保持同步复位，防止盖梁出现扭转的情况。(3)安装楔形钢板时需要特别注意两个问题:一是既要调整纵向坡度又要关注横向坡度，调整后楔形钢板底面四角高差≯2mm；二是每片T梁楔形钢板至支座下钢板的距离须保持一致，保证落梁后各片T梁相对高差保持不变。另外，楔形钢板与T梁底面须压注粘钢胶。(4)计算楔形钢板与支座下钢板间距时须考虑支座的压缩变形、顶升后T梁的相对高差等因素，保证落梁后伸缩缝两侧型钢顶面高差≯2mm。

6 结语

本文结合某梁桥墩柱纵向位移的检测结果和理论计算结果分析，得出由于支座上钢板未调平，上部结构的自重对支座产生的水平分力是导致墩柱纵偏的根本原因。在对墩柱纵向纠偏复位的基础上，采用楔形钢板调平，使得维修后的支座保持水平状态。同时增设纵向限位装置可以有效的防止墩柱纵偏的再次发生。该梁桥墩柱维修后运营状态正常，达到了预期的处理效果。

[1] 交通部．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)[S]．中华人民共和国交通部,2004.

[2] 交通部．公路桥梁加固设计规范(JTG/T J22-2008)[S]．中华人民共和国交通运输部,2008.

[3] 交通部．公路桥梁加固施工技术规范(JTG/T J23-2008) [S]．中华人民共和国交通运输部,2008.