某匝道桥支座更换整体顶升关键技术浅析

郝海峰，徐 凯，李廷斌

（西安市政设计研究院有限公司,陕西 西安 710068）

某匝道桥支座更换整体顶升关键技术浅析

郝海峰，徐 凯，李廷斌

（西安市政设计研究院有限公司,陕西 西安 710068）

随着桥梁顶升技术,特别是液压同步顶升技术的飞速发展,支座更换顶升方案得到越来越多的应用。现结合某连续梁匝道桥整体顶升更换支座工程实例,对顶升工程中涉及到设计、施工、监测等方面问题提出某些探讨,为其它类似顶升更换支座项目提供有益的参考。

连续梁桥；支座更换；加固设计；整体顶升；顶升监测

0 引言

随着桥梁顶升技术特别是液压同步顶升技术的飞速发展,顶升方案得到越来越多的应用。这其中,尤以在现浇连续箱梁桥改造中的应用更为突出[1]。在不改变上部结构完整性,不影响连续梁上部结构承载能力的情况下,达到更换支座增加原桥寿命周期的目标,使该方法具有无可比拟的优越性。现基于前人研究的基础,结合某连续梁匝道桥整体顶升更换支座工程实例,对顶升工程中涉及到设计、施工、监测等方面的问题提出某些探讨[2]。

1 工程概况

钢板顺桥向两板端高差最大为2.3 cm（倾斜度约为3.8%）,向桥台（北）倾斜,即墩柱裂缝侧的背面,第9跨、第10跨、第11跨、第12跨墩台支座顶面倾斜度平均为2.5%左右。

某互通式立交桥梁全长为256 m,分三联,跨径组成为[（4×20）+（20+2×25+20）+（4×20）]m。桥梁上部结构采用单箱三室钢筋混凝土连续箱梁,梁高均为1.3 m。下部结构为双柱式桥墩、肋板式桥台,基础均采用钻孔灌注桩基础。

该桥于2007年通车,2012年4月,巡查人员发现,匝道桥10#桥墩出现水平裂缝,并以10#墩曲线内侧桥墩的病害更为突出,并且第三联支座出现了不同程度的剪切变形,对桥梁安全造成隐患。根据桥梁外观查看结果,发现该桥存在如下病害。

1.1 支座剪切变形（见图1）

经检查,第三联桥梁支座均发生不同程度的剪切变形,方向均为大桩号侧,墩台盆式支座顶面

图1 支座剪切变形测量及示意图

1.2 10#桥墩裂缝

10-1#桥墩墩柱侧面共4条裂缝,基本位于地面以上1.5 m范围内,裂缝长度在0.9～1.9 m,宽度在0.04～0.06 mm范围内,缝呈现两端窄,中间宽的形态。裂缝发生在小桩号侧。10-2#桥墩墩柱侧面共出现13条水平裂缝,裂缝基本位于地面以上1.5 m范围内,长度在0.8～2.4 m,宽度在0.02～0.2 mm范围内,缝呈现两端窄,中间宽的形态。裂缝发生在小桩号侧。

2 匝道桥加固方案

2.1 病害原因分析

根据检测结果,10#桥墩的裂缝数量多,最大裂缝宽度达到规范限制值,经判断为典型的结构受力性裂缝。由于发生裂缝的桥墩仅为10#墩,位于第三联的中孔位置,根据受力特点,推断产生病害的原因主要为纵向水平力引起墩柱靠近墩底一定范围内产生较大的弯矩,从而造成墩柱出现水平裂缝,支座发生剪切破坏。具体原因分析如下:

（1）该桥第三联平面位于R=500 m的圆曲线和A-70的缓和曲线上,10#墩恰位于平曲线半径最小处,且此处纵断面为下坡路段,车辆行驶至10#墩柱附近经常紧急制动以降低车速,会对其产生较大的汽车制动力,尤其以曲线内侧10-2#墩柱受力更为不利。

（2）由桥梁支座设置的情况（见图2）来看,除10号墩（10-2#）对应的支座为固定支座外,其余均为单向支座。因此,10-2#桥墩类似两端固定杆件,在纵向水平力的作用下,受力呈“弓弦状”状态, 10#墩结构受力不利。

图2 第三联更换后支座类型设计示意图

（3）纵向水平力作用在桥面上,使主梁与桥墩均产生变位,但桥墩变位相对较大,导致第三联的支座整体发生向12#桥台方向地剪切变形。

2.2 桥梁维修加固设计

为确保桥梁的安全运营和耐久性,必须对其加固修复。结合桥梁现阶段裂缝分布、结构计算等基本状况,提出以下加固目标及措施。

2.2.1 加固目标

（1）恢复桥墩刚度,提高其承载能力；（2）更换支座,恢复使用功能。

2.2.2 加固措施

钢筋混凝土柱的开裂影响墩柱的刚度和强度,必须加固处理。对墩柱的处理为喷浆、封闭裂缝后外包混凝土,提高其承载能力；对支座的处理为采用顶升法将其更换。

（1）10#墩柱外包混凝土加固；

（2）第三联整体更换支座。

第三联支座均有不同程度的剪切变形,需将其全部更换。为减弱纵向水平力对墩柱受力的影响,采用曲线外侧支座类型更换为双向支座,曲线内侧除10#墩为固定支座,其余为单向支座的支座布置形式,支座吨位按原设计吨位。

3 支座更换要点

3.1 支座更换原则

新支座安装后,主桥纵桥向标高值和应力值应恢复或接近初始值,标高和应力差值不应超过相关规定。

3.2 支座更换过程

3.2.1 支座顶升方案

整个顶梁工作分为:承台施工—支架搭设—同时起顶—更换支座—箱梁回落—恢复桥梁伸缩装置。

3.2.1.1 承台施工

根据桩位平面图及主要轴线,使用水准仪定向,钢尺量距,确定基础位置,平整顶升支撑体系场地,用夯实机进行夯实,待承载力达到要求后,绑扎钢筋,安装模板,浇筑支撑体系基础,并同时预埋所需预埋件（见图3）。

图3 临时支撑基础承台施工图

3.2.1.2 支架搭设

型钢立柱支架搭设由于位于桥梁底下,采用装载机配合挖掘机的方法吊装,每墩位处支架立柱采用8根2I32b型钢立柱,支架立柱之间用剪刀撑进行平联,顶升平台采用2I32b组合型钢搭设而成,型钢立柱直接支承在基础上,型钢立柱用三角钢板加劲满焊于柱脚钢板上。

在各墩顶升平台位置安放相应吨位千斤顶（安全系数2倍以上）,进行油泵系统连接,形成顶升梁体系统（见图4）。

图4 顶升平台安放千斤顶之实景

3.2.2 顶升施工工艺及要点

3.2.2.1 前期准备工作

（1）根据桩位平面图及主要轴线,使用水准仪定向,钢尺量距,确定基础位置。

（2）根据现场实际情况,制定顶升方案,搭设顶升所需支撑,箱梁主要控制截面建立观测点并粘贴应变计。

（3）墩两侧设置临时顶升平台。

3.2.2.2 梁体起顶

箱梁采用一次性整体顶升的方法。千斤顶采用分级加载的办法进行起顶,使梁体脱离原支承体系,平托于各墩所设置的临时支承上,各墩位所设置竖向千斤顶同步加载。

3.2.2.3 更换支座及落梁

取出旧支座前应拍照记录其缺陷状况,并在支承垫石上标出支座位置中心线,同时在橡胶支座上也标出十字交叉中心线,将橡胶支座安放在垫石上,使支座的中心线与墩台的设计位置中心线重合。迅速清理放置支座处,确保无砂粒等杂物,安放新支座到原位置。新支座放置完成后开始落梁。为防止梁体损坏,或出现偏压等现象,落梁时应缓慢进行,且各个千斤顶应同步进行。

3.2.2.4 箱梁顶升要求

（1）顶升主梁时,要求每个千斤顶的顶升速度均匀,主梁顶升必须同步。每级顶升就位后,停止30 min,观察梁体的受力变化（对梁体变形、位移进行监控）,并对各墩位移进行调整,确保各墩顶升位移量相同。

（2）顶升时,在箱梁横梁处底面与千斤顶间设置钢梁,并在临时支撑上用钢板填充顶升间隙,随顶随垫,以防止千斤顶因意外事故突然失灵而造成事故。

（3）顶升到位后,进行临时支垫,支垫装置采用GJZ350×350×96板式橡胶支座,一侧设置5个,支垫过程不可放松千斤顶。

（4）支垫完成取出旧支座后,在安放新支座前,需在支座位置定位,以确保支座位置准确。

（5）支座安放完毕,先将梁底临时支垫解除,然后按起顶的逆顺序下落梁体就位。

4 支座更换施工监控要点

根据支座更换的施工步骤和组织,支座更换施工过程监测主要从以下几个方面进行。

4.1 标高监测

4.1.1 布置基准点和挠度测点

在施工过程中,采用梁体整体同步顶升。为监测顶升及更换支座施工期间梁体的变形情况,测量支座更换后主桥的线形变化,因此需要对施工前后的桥面标高进行监测。该项目在主桥各跨跨中和墩顶处距两侧防撞栏各50 cm处桥面布置挠度观测点,具体观测点布置图见图5所示,共布设2个基准点,18个挠度测点。

图5 挠度测点立面及平面布置图（单位:cm）

4.1.2 主梁底标高测量

在顶升过程中,顶升量按照千斤顶行程及毫米尺垂直测量,并在箱梁下缘(桥墩顶部)布置挠度测点,在每个墩顶支座垫石上设置百分表,对顶升高度进行精确测量和监控,采取双控措施。

4.1.3 反力基础沉降观测

在顶升过程中,在扩大基础上设置观测点,利用其进行全程监测,如发现沉降过大,立即停止顶升,待查明原因,采取措施后,再继续顶升,以防止发生意外。每级顶升桥墩下沉量,如30 min内不大于0.1 mm即可认为稳定,可以进行下一级顶升。

4.2 控制断面应力监测

在梁体的整体顶升过程中及各墩墩顶支座更换前后,由于各墩顶箱梁顶升的微小高程差均会在墩顶及跨中关键截面产生附加应力,因此必须对梁体关键部位的应力变化予以监控,以保证施工安全及指导支座更换施工。该项目在每跨跨中,墩顶共3个控制截面建立的应力监测断面,应变测点分布在梁底及腹板两侧（见图6～图8）。

图6 应变测点布置断面示意图（单位:cm）

图7 箱梁跨中截面梁底应变观测点设置示意图

4.3 裂缝观测

在顶升过程中,需在各跨墩顶及跨中位置,粘贴白纸或石膏板,通过其变化来观测裂缝。加强对主梁关键控制截面的观测,若梁体局部承压过大或出现裂缝等情况,应停止顶升,并在做好分析其严重程度之后才能决定是否继续顶升。

4.4 现场监控具体实施步骤

4.4.1 标高监测

（1）支座更换前读取桥面标高初值一次。

（2）在支座更换过程中,按照实际顶升行程,每顶升一个行程对桥面挠度点观测一次。

（3）支座更换完毕,主梁下降复位稳定后,进行最后一次桥面标高的监测。

在顶升时,桥墩沉降测量采用精密水准仪（见图9）。在桥梁两侧适当部位各架设一台水准仪进行观测,在每个基础上设置钢筋头作为观测点（测点位置可根据现场情况予以调整）；顶升量按照千斤顶行程和毫米尺垂直测量,并在箱梁下缘(桥墩顶部)布置挠度测点,采取双控措施。

图9 顶升过程中桥面标高测量之实景

支座顶升分为三级,第一级顶升量:0.3 cm；第二级顶升量:0.3 cm；第三级顶升量:0.4 cm,累计1 cm。每级顶升的观测时间规定为:每级顶升完毕后,持荷30 min观测一次；累计1 h后,每隔30 min观测一次。随时监测各点顶升量,使各块主梁保持一致,以避免出现顶升差异造成开裂,各千斤顶顶升量差异控制在0.5 mm以内。

图10为梁底顶升高度监测之实景。

图10 梁底顶升高度监测之实景

4.4.2 应力监测

（1）在支座更换开始之前读取各控制断面应力应变初值一次。

（2）在支座更换过程中,各应力断面进行实时监测,千斤顶每顶升一次,各测试断面测点进行一次读数。更换支座期间,梁体产生最大应力不超过活载作用下梁体产生的应力,通过计算,其允许最大应力变化值控制在0.2 MPa以内。如应力变化异常,应立即停止施工顶升,查清原因后方可继续施工,以防止结构开裂、保证结构安全。

（3）支座更换完毕,主梁下降复位稳定后,进行梁体关键断面控制应力的测量。通过支座更换前后梁体的实测应力对比,判定结构是否基本回复原有状态,梁体是否存在附加应力。

图11为梁底控制截面应力监测之实景。

图11 梁底控制截面应力监测之实景

4.4.3 监测结果

通过对顶升全过程监测和最后检测表明,每个墩柱主梁顶升高度均达到更换支座要求；主梁纵向坡度和高程及纵、横向位移均符合要求；顶升过程中应力变化在可控范围之内,同步顶升主梁没有产生裂缝,落梁后高程与原设计高程基本吻合。考虑到高速公路无法长时间中断交通的因素,采取仅在顶升箱梁时封闭桥面交通,其余加固施工期间对桥面交通进行管制的施工方案,最长中断交通的时间为5 h。目前该桥加固施工已经完成,桥梁运营状况良好。

5 结语

本文阐述了连续梁顶升更换支座的加固设计要点、施工工艺及顶升施工过程中的监测要点,依据现场实测数据验证了其可实施性与安全性,并得出以下结论:

（1）在整体顶升方案的设计前,需对既有桥梁存的在病害进行全面检测,尤其是结构本身承载力进行判定,做好相应的加固设计,确保顶升前结构的安全性。

（2）在顶升过程中,为保证桥梁的整体姿态所进行的监测,包括结构的平动、转动、倾斜等位移监测、全桥关键截面应力状态监测及裂缝监测。为了保证其顶升过程中的安全,必须严格按照加固设计的顶升步骤进行分级监测,严格控制误差范围,将监测贯穿于顶升全过程中。

（3）桥梁顶升更换支座后,与顶升前相比,结构受力状态、位移状态变化不大,且使用性能得到了较大的改善。桥梁整体顶升更换支座方案为一种经济、快速、安全的桥梁加固方法,是一种值得大力推广的加固技术。

通过对该连续梁匝道桥整体顶升更换支座工程实例的分析研究,验证了该项顶升方案的设计及其施工、监测方案的可实施性,也为今后类似工程提供了参考。

[1]桂学.桥梁顶升技术研究[D].陕西:长安大学,2005.

[2]李志峰.桥梁同步顶升技术的研究与展望[J].山西建筑,2010, (28):297-2988.

U443.36

B

1009-7716（2017）07-0131-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.038

2017-03-23

郝海峰（1985-）,男,陕西榆林人,工程师,从事桥梁工程设计工作。