高墩桥梁桥墩偏移病害分析与纠偏处理

吴宏业

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

1 研究背景

桥梁检查是对公路桥梁构造物进行周期性检查，系统地掌握其技术状况，及时发现桥梁缺陷和损伤的性质、部位、严重程度、发展趋势以及相关环境的变化，找出产生缺陷和损伤的主要原因，分析和评价其对桥梁使用功能和承载能力的影响，为桥梁维修加固设计提供数据和依据。在例行的桥梁定期检查中，我们发现部分高墩桥梁发生了如下病害(见图1～图4)：

(1)盆式支座超限滑移、破坏性滑移，部分四氟滑板从支座钢盆中滑移变位甚至脱出，已无法正常使用；梁与支座正常的面接触已变为支座钢盆单边接触，二者之间有一定的夹角。

(2)梁体从支座钢板顶接近脱落甚至已经脱落，导致梁体高程变化，桥面系伸缩缝处出现错台，给行车带来隐患。

(3)桥墩特别是墩顶部位向纵坡升坡方向偏移，部分桥墩偏移明显，竖直度严重超标，不满足规范要求；梁体分联伸缩缝中心线与墩顶中心线明显偏离。

(4)墩底附近出现大量环向裂缝，竖向裂缝。

图1 四氟滑板从支座钢盆中滑移变位脱出

图2 盖梁升坡方向爬移

图3 部分梁体从支座钢板顶接近脱落

图4 墩底大量的环向裂缝

2 桥墩偏移病害检查及原因分析

2.1 针对性检查主要检测内容

在进行桥梁定期检查时，针对前述的桥梁病害情况进行了竖直度测量检查。具体检测内容如下：

(1)上、下行墩柱裂缝调查、支座病害调查，重点关注过渡墩病害情况；

(2)墩柱的竖直度测量，包括顺桥向与横桥向；

(3)桩位坐标测量，并与设计值进行比较，确定桩的偏位；

(4)测量所有过渡墩盖梁尺寸及支座垫石、支座下钢板平面位置，测量过渡墩支座上钢板与梁底预埋钢板的平面尺寸，梁底预埋钢板及支座底钢板横、顺桥向的倾斜度；

(5)测量盆式支座尺寸、外环直径；

(6)测量盖梁尺寸及盖梁横坡；

(7)测量过渡墩墩顶T梁与过渡墩墩顶盖梁间的位置。

2.2 桥墩偏移病害的特点及原因分析

经过整理分析发现，发生此类病害的桥梁大多数有如下共性特点：T梁、长联、盆支、升坡、高墩、过渡墩位置、墩底开裂。即大多数发生病害的上部结构类型以T梁为主，桥梁上下行分幅，桥面净宽11.25m左右，5片T梁，罕有现浇预应力箱梁发生此类型病害；梁底采用的支座为盆式支座；多孔长联桥梁、跨径组成以5孔30m，4孔30m为主；坡度较大，一般纵坡坡度均大于1.5%，坡度越大，病害越严重；下部结构多为桩柱式基础，双柱式桥墩，墩高较高，一般为15～35m。发生病害的桥墩多为过渡墩或者过渡墩较为严重，中间墩较轻，而且所有整联与整联之间的过渡墩在纵向均往上坡方向即爬坡的方向偏移。竖直度偏离大的即墩顶偏移严重的墩位处的墩底出现了多道半环向裂缝。

究竟是什么原因引起的此种类型病害呢？原因分析如下：最直接最主要原因是由于采用的盆式支座滑动支撑面不水平导致的。

首先，T梁为预制桥梁结构，预制后T梁梁底的预埋钢板与梁体密贴，吊装安装时预埋钢板与总体纵坡基本一致，如未进行调平处理或者调平处理效果不理想，即造成支座滑动面处于倾斜状态。而常规现浇预应力箱梁施工时多为现浇结构，梁底找平钢板或者找平垫块相对好处理，这就解释了为什么大多数发生此类型病害的上部结构类型以T梁为主。

其次，桥梁上部结构荷载对墩柱产生的压力会对墩柱形成向上坡方向的水平分力，这个水平力作用于桥墩墩顶，桥墩向上坡方向偏移，表现为梁体与桥墩之间支座滑动面的相对滑移，桥墩竖直度远超规范要求标准。偏移值与上部结构荷载大小、支撑面纵坡大小、桥墩直径和高度等因素有关。上部荷载、桥墩直径和高度一定的情况下，支撑面坡度越大，桥墩偏移值越大。当偏移值超过了支座实际允许滑移量时，支座顶板的不锈钢板边缘伸入四氟滑板，呈现出支座超限滑移和四氟滑板被剪切破坏的病害。当墩柱偏移到一定程度，其地面以上与偏移相反方向一定范围内混凝土拉应力超过了允许值后，墩底混凝土表面可见区域就会出现环向裂缝。

3 桥墩偏移纠偏处理

针对以上的病害，必须快速作出反应，及时进行纠偏处理，防止病害进一步发展及扩大。同时，为了能更真实、更准确地进行纠偏处理，需要对纠偏工程进行实时监控，准确给出纵向顶推力，测准水平恢复位移值，做好弹性回弹位移记录。具体桥墩偏移纠偏过程及内容如图5。

图5 桥墩偏移纠偏过程

4 不同的纠偏施工工艺

工艺一：采用反力架形式纠偏复位桥梁墩柱。在桥梁墩帽位置安装反力架，通过千斤顶顶升反力架与横隔板对桥梁墩柱进行纠偏，由墩柱基础系统提供反力支持。根据现场情况，在墩盖梁上安装反力架，根据本次桥梁的上部荷载及安全角度考虑，确定出千斤顶的布置位置。千斤顶的位置均匀对称布置，并布置在T梁端横隔梁下部。见图6。

工艺二：采用摩阻反力形式纠偏复位桥梁墩柱。在桥梁纵梁梁底位置安装反力架，其中紧贴梁底底层设置摩阻力大的摩擦面，垫石顶层设置摩阻力小四氟滑板的摩擦面，通过千斤顶水平支顶，利用顶底层的摩阻力差来提供反力从而对桥梁墩柱进行纠偏，即借助自身来提供反力支持。在墩盖梁上无需安装反力架。见图7。

显然，对于纠偏工程，工艺二不破坏结构体本身，巧妙地利用了四氟滑板等材料的摩阻系数差，利用上部结构作为反力系统约束，无需在墩盖梁上安装反力架等操作，简单快捷。优于方案一。

5 水平顶推力的确定

以某高速公路大桥桥墩偏移病害为例，给出水平顶推力的确定原则。该桥为上、下行，上行跨径布置为11×30m，下行跨径布置为10×30m。上行4道型钢伸缩缝，下行3道型钢伸缩缝，上行设置在0、11号台顶，3、7号墩顶；下行设置在0、10号台顶，5号墩顶。支座均为盆式橡胶支座，上部结构均为预应力混凝土连续T梁，每孔5片梁，交角均为90°，设计桥梁纵坡为2.5%～4%；下部结构均为钢筋混凝土重力式台，扩大基础，钢筋混凝土双柱式桥墩，桩基础。桥墩高度约20～30m，墩径160cm。上行3-1号墩原始墩柱顺桥向偏移量为340mm，上行3-2号墩原始墩柱顺桥向偏移量为272mm。

图8 水平顶推力示意图

图9 墩柱偏移病害及水平支顶变位图

如何确定最大的水平力呢？假定墩底处承台顶为位移零点，墩顶处由于病害的发生，产生了位移为“Δ”的水平偏位。墩顶承受的水平分力为“f”，桥墩变形形成的弹性恢复力为“P”，二者平衡使得桥墩暂时稳定“f=P”。当施加逐渐增大的外力“F”时，桥墩变形形成的弹性恢复力逐渐减小为0，当“F=f”时，系统又重新平衡在了竖直位置，但是此时有一个外力“F”，如果撤掉外力“F”，系统又将重新弹性变形，甚至可以恢复到位移为“Δ”的水平偏位，因此需要继续增大水平外力，当“F=f+P”时，此时系统将反向产生一个弹性恢复力“P′”，二者可以重新平衡，使得桥墩稳定“f=P′”，水平顶推力即为2P，考虑桩基有一定的影响，因此最大的水平顶推力会稍大于2P。

将上行3-1号墩Δ=340mm和L=26330mm带入计算可得P=180kN,最大的水平力F=2P=360kN。

表1 上行3号墩纠偏过程中最大顶推力变化表

由表1中数据可见，实际纠偏时最大顶推力为378kN,比360kN增大5%，符合以上规律。

通过实际工程、现状调查等手段，对桥墩偏位病害进行研究。结合实际病害重点分析了这些病害发生的原因，总结了支座安装缺陷对高墩桥墩受力影响的规律，给出了几种纠偏处理方案并进行了说明与对比，以供工程项目参考。