既有立交桥抢险临时支撑结构设计及分析

庄泳浩

广州市市政工程设计研究总院有限公司 510060

引言

随着我国经济的快速发展，交通量迅猛增加，一些年代久远的桥梁，在沉重交通荷载及繁重交通量的作用下，桥墩会受到不同程度的影响，发生各种病害，有的已经威胁着过往人车的安全，迫切需要加固与维修；有些桥墩受到车辆的撞击而损坏，急需抢险加固［1］。而加固维修这些存在病害的桥墩或抢险加固受撞击的桥墩，从立项、检测、设计到施工完成消除病害的威胁，通常需要经历一段较长的时间。在这段时间内，当需继续保持桥上交通时，如何通过设置临时支撑进行抢险，确保交通运输及行人的安全是目前和今后面临的重要课题。采用钢管柱作为临时支撑一般运用于桥梁上部箱梁现浇施工［2］，或者用于既有桥梁的顶升改造［3］及上部结构顶升纠偏［4］，或者用于既有桥梁支座更换［5］，而用于抢险或加固维修的工程案例较少。

本文通过客村立交抢险工程，探索在不中断交通的基础上设置临时支撑进行支顶的抢险方案，以防止病害桥墩突然失效引发上部结构的垮塌，确保客村立交环形转盘桥正常使用。

1 工程背景

1.1 工程概况

客村立交位于广州大道和新港中路相交处，是广州大道通向海珠区和琶洲地区转换的重要节点，工程建成于1989 年。客村立交形式为环形，共四层，顶层（第四层）为新港中路东西方向高架桥；第三层（转向层）为闭合型连续环道桥及匝道连续刚构；第二层为斜腿刚构桥，供行人和非机动车使用；第一层为广州大道下穿道路。

2015年7 月病害普查时发现第三层环形转盘桥部分桥墩出现不同程度病害，存在较为严重的安全隐患。第三层桥梁上部结构为环形钢筋混凝土现浇变截面连续板结构，桥宽18m，内弧半径30m，外弧半径48m，桥梁共分18 跨，中心线处的跨径组合为（17.02 ＋11.91 ＋6 ×13.61 ＋12.59＋17.02 ＋11.23 ＋6 ×13.61 ＋11.91）m。梁体采用C35 混凝土，跨中梁高0.65m，墩顶梁高0.8m；下部结构桥墩为双柱墩，采用φ80 的柱接φ120 的桩，桥墩采用C25 混凝土，柱顶设盆式橡胶支座，设置沿径向的单向活动支座。结构平面及横断面见图1。

图1 客村立交第三层环形转盘桥平、横断面（单位：cm）Fig.1 Plan and cross section of circular turntable bridge on the third floor of Kecun interchange（unit：cm）

1.2 病害情况

病害主要表现在8、9、12、13 号桥墩底部混凝土剥落、开裂，钢筋锈蚀，经判断为受力裂缝。病害情况如图2 所示（以8 号轴为例）。

图2 桥梁病害情况Fig.2 Disease of the bridge

2 临时支撑的目的和原则

2.1 目的

本工程应急抢险，目的是在不中断交通的基础上，确保客村立交第三层环形转盘桥正常使用，消除安全隐患，避免发生突然性的垮塌，为制定、实施详细的加固维修争取时间，并在加固维修完成后拆除临时支撑墩。

2.2 原则

1.当既有桥墩发生失效破坏时，临时墩能充当新的支撑结构，且临时墩的位置选择满足既有上部结构纵梁及横梁的受力要求。

2.在8、9、12、13 号墩轴间布设的临时支撑位置满足既有结构受力要求，顶升过程不会破坏既有上部结构，临时支撑桩基础不影响既有桩基础。

3.通过计算得出临时墩的理论支反力，使得既有梁体在消除临时墩基础变形后，保持一定的顶升位移，既能保证临时墩充分受力，又能保证既有立交桥上部结构的受力安全。

3 计算分析

3.1 建模计算

建立客村立交第三层桥梁整体模型，采用8个临时墩支撑替换原8 根桥墩支撑，计算得出增加临时支撑后的上部结构纵梁及横梁的受力情况。采用桥梁有限元软件Midas程序的杆系单元进行建模，如图3 所示。汽车荷载为三车道加载，边界条件为：墩顶支座采用沿着桥径向可滑动，竖向及切向采用较大刚度弹性连接，墩底处刚接。计算得出基本组合下的剪力及弯矩满足受力要求，见图4。

图3 模型构造Fig.3 Model construction diagram

图4 基本组合下的剪力及弯矩Fig.4 Shear and bending moment under basic combination

3.2 分析过程

1.临时墩位置选择

（1）为了不改变既有桥梁上部结构纵向跨度及其受力，临时墩纵桥向位置选在既有圆柱墩同一轴线上。

（2）临时墩横桥向位置的选择则复杂得多。既有圆柱墩外侧为翼缘，高度较小，无法作为支顶位置，因此，临时墩只可设置于两个圆柱墩之间。同时，临时墩位置应尽量离开既有圆柱墩一定距离，不仅有利于临时墩基础的设置，且可保证既有基础的安全；但距离太远则会导致上部结构横梁悬臂太大而不满足横梁受力要求。通过计算，临时墩与既有圆柱墩中心距离取1.2m 时，上部结构横梁受力能满足要求，结果见表1。

温泉水电站坝址河谷呈V形，河流纵坡6.9‰。谷底高程870 m左右，两岸山顶高程1 182～1 600 m，右岸自然坡角多在70°～80°之间，局部近于直立。坝址分布下石炭统东图精河组和第四系地层，岩体呈厚层状—块状。坝址基岩强风化层厚2～5 m，弱风化层厚10～15 m。左岸卸荷带水平宽度 3～15 m，顺河长 95 m，垂直深度约65 m；右岸卸荷带水平宽度2～5 m。坝址区地震基本烈度Ⅷ度，大坝抗震设防烈度Ⅷ度。

表1 设置临时墩后横梁承载力验算Tab 1 Checking for bearing capacity of beam after setting temporary pier

2.顶升位移计算

本技术的关键是施工千斤顶进行顶升，保证临时墩承受上部结构部分荷载，一旦既有病害墩柱发生意外倒塌后由临时墩完全受力。因此，如何得出临时墩顶升控制位移就显得尤为重要。如果不产生顶升位移或顶升位移值太小，则临时墩不发挥作用或基础沉降不充分导致后期受力时发生二次不均匀沉降使支撑结构失效；如果顶升位移值过大，则会对既有上部结构产生超过其承受能力的附加应力，影响既有结构受力甚至破坏既有结构。通过计算并结合工程经验，得出顶升控制位移为4mm时，上部结构受力既能满足要求，临时墩也能承受一定的反力且基础充分沉降，满足设计要求。

3.临时墩支反力计算

通过计算得出各临时墩支点理论支反力的具体结果见表2。

表2 临时墩支点理论反力Tab 2 Theoretical reaction of temporary pier fulcrum

4 方案设计

4.1 总体思路

为防止病害桥墩突然失效引发上部结构的垮塌，在8、9、12、13号墩轴之间设置临时墩进行支顶，共设置8 个临时墩，临时墩平面位置见图5。

图5 临时墩布置Fig.5 Temporary pier layout

4.2 临时墩设计

每轴横向布置两个临时支顶墩，单个支顶墩沿顺桥向（法线方向）设置3 根φ600 ×14mm的钢管柱，柱顶、柱底各采用20mm厚钢板将三根钢管柱连成一个整体，顶部在钢板上焊接I25b 工字钢，在其上布置2 个千斤顶，并在两个千斤顶的中间部位布设临时支承，千斤顶顶升卸载后由临时支承受力，见图6。

图6 临时墩构造Fig.6 Temporary pier structure

临时墩基础采用微型钢管桩＋承台的方式。标准承台尺寸为4.1m×2.3m，微型钢管桩（φ168×6mm）桩长12m，桩端位于亚黏土层，桩底标高约为2.65m处，每个临时墩布置28 根，见图7。9 轴共两个临时墩需避让管线，调整桩位后需加大微型钢管桩尺寸，选择φ180 × 6mm，桩长15m，桩端位于强风化层，桩底标高约为－0.35m处，每个临时墩共布置21 根或23 根，承台根据微型钢管桩及管线位置设计成异形结构。微型钢管桩应与既有立交桩基础保持一定距离，避免影响其受力。

图7 标准微型钢管桩及承台平面Fig.7 Plan of standard mini steel pipe pile and bearing platform

5 顶升施工要点

5.1 顶升控制位移与理论支反力

结合上述计算分析得出临时墩的顶升位移控制值及理论支反力，通过千斤顶使得既有梁体顶升，在消除临时墩基础变形后保持某一数值的稳定位移，从而确保既有病害桥墩失效时临时墩能有效支撑。

5.2 顶升的顺序

5.3 顶升的工艺流程

1.千斤顶安装并试顶。搭设工作平台并安装千斤顶，待临时墩基础满足要求后，即开始试顶。试顶主要为了消除支撑本身的非弹性变形或沉降，在主梁还没有正式顶起时即可停止，并停放2h进行观察无任何变化后才能开始整体顶升，千斤顶受力方向一定要与梁底面垂直。

2.顶升现浇板梁。试顶完毕后，在专业人员统一指挥下均衡地对板梁施加顶升力，达到控制位移后，用临时支撑块塞入梁底形成临时支撑点，使上部板梁与临时墩临时支撑块密贴。

5.4 顶升监控点的布置

本工程为单轴整体顶升，应布置位移传感器监控梁体位移，合理布置梁体监测点，密切配合顶升作业。

5.5 顶升注意事项

1.千斤顶应带自锁功能，梁体位移应在控制值内，防止超顶。

2.顶升采用逐级加载的方式。

3.正式顶升按操作程序进行并作好记录。

4.顶升过程中要实时观测基础沉降、顶升系统垂直度等。顶升每完成一轮，就对电脑显示的千斤顶压力及各油缸位移数据进行收集并分析资料；如有异常，立即解决。完成顶升并固定后，对各标高观测点进行测量，计算各顶升观测点的顶升高度。

5.注意千斤顶的控制过程应严格按操作规程进行，进油和回油应做到慢而稳，直到全部工作结束千斤顶才能卸载，确保桥梁整体安全。

6.临时墩参与受力后，注意监控临时墩墩顶的沉降，如有沉降，宜按此前工艺再次顶升，确保临时墩参与受力。

6 本方案的优势

1.安全快捷。临时墩顶升施工存在可能破坏既有桥梁结构稳定、影响桥上行车安全等安全隐患。本方案通过受力计算及分析，得出顶升后保持稳定的梁体控制位移取4mm 时，既能保证临时墩充分受力，又能保证上部结构的受力安全。并通过全过程的位移控制，快速、自动地实现整个临时墩顶升的施工。

2.适用于低净空施工条件。既有环形转盘桥桥下实际净空小于2m，施工混凝土灌注桩或常规钢管桩的机械均较高，无法进场施工。本设计采用微型钢管桩，并通过改造施工钻机设备使其满足桥下低净空的施工要求。

3.保护既有地下管线。城市中往往既有地下管线众多，如均进行迁改，不但造价昂贵，且工期较长，发挥不出应急抢险、快速施工的效果。针对本工程临时墩位置既有管线众多、复杂的情况，为减少管线迁改，采取调整微型钢管桩位置并设置异形承台的方案避让既有管线，不仅极大地缩短了工期，而且节约了工程造价，具有一定的社会效益及经济效益。

4.施工周期短。本工程桩基础采用微型钢管桩，施工快速、噪音少，环境影响小；临时墩采用预制结构（包含微型钢管桩），在工厂制作，现场安装，装配化程度高，极大地缩短了工期，最大限度地减少对既有桥上交通的影响，达到应急抢险的目的。

7 结语

对于设置临时支撑的抢险工程来说，施工快速便捷是最基本的要求，应充分考虑方案的可行性，且因该临时设施后期需拆除，还需考虑方案的经济性。

客村立交抢险工程中既有客村立交第三层环形转盘桥桥下净空较低、桥下管线较复杂是该工程的重难点。桩基础采用微型钢管桩，既解决了既有立交桥桥下净空较低的技术难题，还无需迁改桥下管线节省大量的工程造价。结合墩柱采用钢管柱，整个项目施工快速、工期短，对周边环境、居民生活及交通影响较小，该技术具有较高的经济效益及社会效益。该工程施工完成后，既有桥梁使用情况良好，未出现墩柱病害继续恶化的情况，临时抢险支撑保障了既有立交桥的通行安全，为全面开展加固维修争取了时间。