山区公路桥梁墩柱偏位原因分析及处治措施研究

夏志强

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

0 引言

桥梁墩柱是连接桥梁上部结构与桥梁基础的关键构件，对桥梁结构安全起着非常重要的作用。由于受设计、施工以及自然环境等因素的影响，桥梁墩柱经常会发生偏位现象[1]。墩柱偏位不仅对桥梁结构安全产生不利影响，而且对桥梁结构的安全运营也会形成严重威胁。以山西省阳城县境内某座山区高速公路桥梁为依托，该桥因受人为因素以及自然环境等诸多不利因素的综合影响，桥梁墩柱在横桥方向产生了墩柱偏位，通过分析其病害原因，提出了桥梁墩柱纠偏处治措施。

1 工程概况

1.1 项目概况

某高速公路一座大桥上部结构为13×40m装配式预应力混凝土简支T梁，桥面连续，右前夹角90°，全桥共分四联：(3×40+4×40+3×40+3×40)m。桥墩分别采用钢筋混凝土柱式墩、实体墩以及门式墩，桥台采用柱式台，墩台均采用桩基础。

1.2 检测结果

管养单位在巡检过程中发现该桥右幅7#桥墩存在桥墩横向偏位等病害。为了查明该桥墩病害程度，并采取合理的处治措施，委托专业检测单位对该桥墩进行了全面检测，发现该桥墩有如下问题：

(1)盖梁位置偏移

右幅7#桥墩采用钢筋混凝土实体墩、桩基础。桥墩墩高36m，顺桥向宽度2.2m，横桥向宽度6m。在实际施工过程中，由于施工人员操作不当，墩柱施工完毕后墩顶向外侧偏移了7cm，导致盖梁相对原设计位置也向外侧偏离了7cm。桥墩原设计构造图和墩柱施工完成后实测横断面分别见图1和图2。

图1 右幅7#桥墩原设计构造图

(2)墩顶位置偏移

桥墩墩顶向外侧偏离了10cm。由于该地区多次普降暴雨，使该桥左侧边坡多次出现滑塌，滑塌土体直接堆积在右幅7#墩附近，堆积层最厚时达8.5m。堆积土对墩柱的挤压致使桥墩墩身向外侧产生了偏移。

图2 右幅7#桥墩实测横断面

本次检测采用全站仪对右幅7#墩柱分别在墩柱底部、墩柱中部以及墩柱顶部3个截面各取左侧、中间、右侧3个测点(见图3)，分别计算出墩柱各截面处平均偏位值，并结合各桥墩墩柱施工完成后的测量数据，对比分析墩柱位移变化趋势及垂直度。右幅7#墩墩柱偏位值及垂直度统计见表1。

图3 墩身测点分布图

表1 右幅7#墩墩柱偏位值及垂直度统计表

2 墩柱偏位原因分析

(1)施工过程中的误差使桥梁产生墩柱偏位。桥梁盖梁和墩柱初始偏位对桥墩形成的初始弯矩会使桥梁墩柱发生变形，经过上部荷载长期作用，桥梁墩柱底部承受的弯矩将不断增大。

(2)桥梁上部荷载长期作用会降低墩柱刚度，继而使桥梁墩柱偏位进一步增大。根据《混凝土结构设计规范》，受弯构件考虑荷载长期作用影响的刚度B=Bs/θ，其中Bs为混凝土受弯构件的短期刚度，θ为考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数[2]。

(3)横桥向土侧压力会使桥墩横向框架内产生较大次弯矩。理论上最大弯矩分布在横桥向右幅7#墩柱底处，该弯矩引起的最大墩柱偏位在桥墩柱顶处。

实际情况表明，如果桥梁在建设及运营阶段存在上述问题，桥梁墩柱将会发生偏位现象。久而久之，桥梁墩柱在墩底弯矩不断加大、墩柱刚度降低以及墩柱次弯矩等一系列不利因素的作用下，桥梁墩柱的偏位和偏心距将会明显增大，也更进一步加重了墩柱的倾斜程度。

3 墩柱计算及纠偏处治措施

3.1 墩柱强度计算

如前文所述，桥墩盖梁施工完成后相对原设计向外侧偏移了7cm，原设计桥墩盖梁配筋完全能满足抗弯、拉应力要求，不予重新计算桥墩盖梁配筋，主要进行墩身强度计算。

3.1.1桥墩截面力学参数

式中：b为桥墩顺桥向宽度(m)；h为桥墩横桥向宽度(m)。

3.1.2墩身强度计算

(1)作用的标准值计算

桥墩墩底轴力标准值：Nk=N1k+N2k+N3k+N4k+N5k=8347+2254+860+1755+11810=25026kN

式中：N1k为上部结构T梁重量标准值；N2k为桥面铺装重量标准值；N3k为护栏重量标准值；N4k为盖梁、垫石及挡块重量标准值；N5k为墩身重量标准值。

可变作用汽车荷载标准值：Qk=[qk×L0+2(L0+130)]×2=1270kN

式中：qk为均布荷载标准值；L0为计算跨径。

(2)作用的设计值计算

(3)墩身应力状态分析

根据《混凝土结构设计规范》，取墩身C35混凝土轴心抗压强度设计值fc=16.7N/mm2。

3.2 纠偏处治措施

为了防止因桥梁墩顶偏位造成桥梁进一步加剧倾斜，并延长桥梁结构的使用寿命，需对偏位桥墩进行纠偏处治。在采取处治措施时首先考虑了对左侧滑塌体进行卸载的方案。在对局部滑塌体清除之后，经实测，偏位墩柱墩顶回弹值约为10mm。另外，因受施工人员的人为因素影响，墩柱在左侧滑塌体未产生不利作用之前即已发生偏位。综上分析可见，卸载措施对处治墩柱偏位的效果不明显。经对比研究，确定采用通过钢绞线对墩柱施加张拉力并复位的纠偏处治方案。

3.2.1纠偏处治施工方案

该桥墩柱纠偏处治主要采用先用千斤顶支撑桥梁上部结构、然后沿墩柱倾斜方向的反向施加张拉力对桥墩拉拽、复位的方式进行。

具体的施工方法与步骤：

(1)施工准备及前期工作：准备辅助设备，施工临时墩基础，埋设地锚。

(2)搭设辅助支架作为操作平台，并施工钢抱箍。

(3)在临时墩顶部安置千斤顶；在抱箍处挂设纠偏用钢绞线，采用拉力计控制纠偏张拉力。

(4)预紧钢绞线，预紧力控制为50kN；封闭施工侧路幅交通，同步采用千斤顶顶升T梁，每片梁在竖直方向顶升高度不应超过30mm，梁片之间顶升高差控制在2mm以内。

(5)开放交通，并限制重载交通；对上部梁体进行支顶，支顶完成后取消限载。

(7)如因受纠偏张拉力的作用，墩身可能会出现局部环向裂缝，此时应在墩柱裂缝较大处，沿墩柱外围一圈采用外包50cm厚C35混凝土的增大截面法对墩柱进行加固处理。待混凝土强度达到100%后方可落梁。

(8)将千斤顶放置在盖梁上，再次顶升T梁。凿除原支座垫石，重新浇筑支座垫石，更换支座，增加楔形钢板并调平梁底预埋钢板。

(9)卸载张拉力，拆除钢绞线。

(10)拆除辅助支架和临时墩柱。

墩柱纠偏处治示意图见图4。

图4 墩柱纠偏处治示意图

3.2.2纠偏处治施工要点

在纠偏处治过程中严格控制了施工质量。主要施工要点如下：

(1)在搭设完临时墩柱之后及时预顶了桥梁上部结构，以消除地基和临时墩柱的非弹性变形。预顶过程必须保证持荷时间不小于24h。

(2)顺桥方向以桥墩中心为对称轴对称逐级加载张拉多根钢绞线，并采用拉力计控制纠偏张拉力。钢绞线之间张拉力差值不能太大，应控制在5kN以内，以确保纠偏墩柱均匀受力。在张拉过程中逐级加载张拉力，待墩柱变形趋于稳定之后，采集了墩柱偏位的监测数据。

(3)同步进行墩柱纠偏施工和墩柱纠偏监测，实时掌握墩柱的纠偏状况，通过监测数据和研判结果及时指导墩柱纠偏施工。

3.2.3混凝土裂缝处理

右幅7#墩由于原墩柱顶部发生较大偏位以及纠偏复位施工，墩身可能出现环向受力裂缝，墩身刚度和承载力会有所降低。因此，在施工过程中如墩身出现裂缝，应及时对墩身裂缝进行处理和修补。

裂缝修补施工前组织专业技术人员对全桥裂缝进行全面检测，准确定位，测量裂缝的长度及宽度，绘制裂缝分布图(标明裂缝长度及宽度)。本次裂缝处理采用表面封闭法和压力注胶法。

4 纠偏处治效果

倾斜墩柱在纠偏处治完成后，经检测和长期观察，可发现处治效果十分良好。主要体现在：

(1)墩柱柱顶处偏位值明显减少：右幅7#墩柱原偏位值为100mm，纠偏处治后偏位值为8.6mm。

(2)在无地质灾害及其它不利自然环境因素影响下，该桥墩柱未再次产生墩柱偏位等类似病害。

5 结语

山区公路桥梁一般桥墩较高、坡桥较大、曲线半径较小，且桥位处地形复杂、地质灾害也较多。由于上述诸多不利因素，山区公路桥梁在运营过程中发生墩柱偏位等病害十分常见。该类桥梁在设计过程中，应通过绕避不良地质路段、适当放缓桥梁纵坡、尽量增大桥梁曲线半径，或者采取改变桥梁墩柱形式、增大墩柱截面尺寸和增加桥梁墩柱刚度等方法防止墩柱产生偏位。另外，桥梁在施工过程中，应加强对施工质量的监管，防止因人为因素造成墩柱偏位现象的发生；在运营阶段管养单位要做到定期巡查和养护，一旦发现问题，应仔细分析出现该病害的原因，并积极采取行之有效的处治方案及时解决[3]。