桥梁纠偏维修加固顶升施工技术分析

杨泽君

(武汉中和工程技术有限公司，湖北 武汉 430080)

城市桥梁在运营过程中，由于桥墩附近堆土不当导致桥墩倾斜、墩梁错位等情况时有发生，以某城市高架桥为研究背景，阐述桥梁纠偏加固施工的技术方法及注意事项，为城市桥梁加固改造提供必要的参考。

1 工程概况

1.1 项目背景

某5跨一联预制小箱梁，上部采用25 m跨预制小箱梁结构，按预应力构件设计，采用先张法张拉，结构简支，桥面连续(每5跨)，单幅横向布置5片梁；桥墩采用柱式桥墩，柱墩直径1.2 m；基础采用钻孔桩基础，如图1所示。

由于桥墩附近堆土，导致该联桥墩部分倾斜率超限，主梁发生横向位移，172号墩处桥面伸缩缝处两联的梁体错位、挡块挤裂，诸多墩柱的水平方向出现典型受力裂缝，初步分析判断桥墩、主梁相关异常错动现象的发生与附近施工、堆土及近期暴雨等因素有关。

1.2 主要病害

1.2.1 上部结构

1)左幅172号、177号墩伸缩缝橡胶条破损；右幅177号墩伸缩缝橡胶条破损，172号墩伸缩缝挤死。

2)172号墩处两联主梁的防撞护栏横向相互错位10.5 cm。

3)左幅桥172号墩两侧小箱梁梁底有8条纵向裂缝，裂缝长度0.6 m～3.2 m，裂缝宽度0.09 mm～0.28 mm。172号墩两侧小箱梁梁底有4条纵向裂缝，裂缝长度1.1 m～4.5 m，裂缝宽度0.10 mm～0.25 mm。

1.2.2 桥墩

1)172号墩右幅和左幅最外侧的桥墩盖梁侧向挡块均被错位梁体挤裂破坏。

2)左幅5个墩柱共有10条环向裂缝，裂缝长度0.9 m～2.0 m，裂缝宽度0.15 mm～0.63 mm。

3)右幅9个墩柱共有39条环向裂缝，裂缝长度0.5 m～2.4 m，裂缝宽度0.12 mm～4.2 mm，裂缝最大宽度4.2 mm。

1.2.3 墩柱倾斜、沉降及平面位置

1)纵横向倾斜率。

172号～176号墩共20个墩柱，8个墩柱纵向倾斜率大于3‰；11个墩柱横向倾斜率大于3‰，其中5个墩柱纵横向倾斜率均大于3‰。纵向倾斜率最大为10.7‰，横向倾斜率最大为-10.5‰。

2)墩柱平面位置。

根据墩柱中心平面坐标测量结果，167号～177号桥墩的右幅3号和4号的墩柱横向位置相对设计理论位置总体上向北侧偏移，其中3号、4号墩柱横向偏移值较大，在5 mm～82 mm之间；左幅墩柱平面位置横向偏移相对较小，在±20 mm以内。

2 病害处治方案及加固流程

根据现场桥梁实际情况，在立即对桥墩附近堆土进行转运卸载后，拟定进行以下几个施工工序：

1)桩基处理。在原桩基附近新增桩基并进行新浇筑承台施工，新浇筑承台略高于原承台。

2)反力托换。在先浇筑承台上安装临时支撑，将原桥墩所受上部结构荷载转换至临时支撑上，临时支撑代替原桥墩支座受力，释放主梁及原墩柱内力。

3)应力释放。在原桥墩两侧钻应力释放孔，释放桥墩附近由于堆土产生的局部土压力。

4)桥墩加固。先处理桥墩裂缝、露筋剥落等病害，然后对桥墩进行包钢处理。

5)后浇筑承台施工。将原桩基和新桩基通过后浇筑承台形成整体，提高原桩基承载力。

6)卸载落梁。将临时支撑所受上部结构荷载转换至加固后的桥墩及基础。

7)横向复位。a.顶升梁体，在支座顶面放置四氟滑板，减小摩擦系数；b.横推，根据梁体复位目标值进行。

根据现场施工条件，为确保顶升施工过程安全可控，在时间节点上工序2为逐个桥墩台进行施工，工序7为单幅整联施工，维修加固施工流程如图2所示。

3 反力托换过程分析

3.1 准备工作

钢结构支撑的安装需逐步顺序安装，同一墩柱两侧临时钢管柱安装完成后，检查钢管柱安装质量，墩处梁体之间的相互连接。根据设计图纸，单个桥墩台单幅所受上部结构荷载为：恒载(包括二恒)约510 t,最大活载为272 t,最不利情况总质量为780 t。为确保桥梁安全，顶升安全系数取2(顶升力大于1 560 t)，顶升时采用200 t千斤顶，200 t千斤顶外径20.6 cm,高度23 cm。钢管柱顶面垫梁尺寸为：1 100 mm×800 mm×10 mm,计划中间摆放2台200 t千斤顶，两侧摆放临时支撑，临时支撑顶面与分配梁间布置橡胶垫片，摆放位置如图3所示。

3.2 顶升设备的安装

根据现场实际情况桥梁顶升时在单根钢结构临时支撑顶面设置2台200 t千斤顶进行主梁顶升，按设计172号～174号墩 顶升钢架布置图单排横向设置2根钢管柱(单侧共计摆放4个200 t千斤顶)如图4所示，而175号横向设置4根钢管柱(单侧共计摆放8个200 t千斤顶)，176号横向设置3根钢管柱(单侧共计摆放6个200 t千斤顶)，上节分析梁体顶升需要1 560 t顶升力即可满足安全顶升的需求，由此172号～177号墩皆可满足顶升的需求。

在实际顶升过程中，172号～174号墩同一墩柱两侧钢管柱全部安装完成后，采用PLC进行同步顶升[1]系统进行同步顶升，合计顶升力：2×4×200 t=1 600 t。所有千斤顶由同一油泵控制，保证梁体在顶升的过程中同步受力。

4 临时支撑设计

根据桥梁的具体情况，共设计了3种临时支撑，其中172号～174号墩临时支撑钢管柱最少，分配梁跨度最大，该工况为最不利控制情况，选取172号～174号墩临时支撑进行计算。

4.1 计算参数

1)材料参数。

型钢、分配梁按照JTG D64—2015公路钢结构桥梁设计规范[2]取值，材质为Q345B钢材，具体为：[σ]=275 MPa，[τ]=160 MPa；钢弹性模量：Es=2.06×105MPa。

2)荷载参数。

a.荷载取值。

经设计图纸，恒载(包括二恒)约510 t,最大活载为272 t，计算时以此为基础进行计算。

施工人员及运输机具荷载：q2=2.5 kN/m2。

制动力按照0.1选取，这里考虑27.2 t。

b.该部分荷载组合分为两部分。

标准组合：

计算刚度变形时荷载组合为1.05×(控制荷载+临时支撑自重)+1.0×活载。

基本组合：

其他结构组合为1.35×(控制荷载+临时支撑自重)+1.4×活载。

3)结构尺寸。

临时支撑结构均采用型钢钢管临时支撑的方式，钢管采用φ1 220×14 mm，墩顶分配梁采用箱梁焊接截面，具体尺寸为1 050 mm×670 mm，材质为Q345B；连接系水平杆采用φ325×8 mm，斜拉杆采用φ273×8 mm。

4.2 临时支撑计算

采用MIDAS CIVIL2016建立模型，钢管柱底部为固结约束(铰接结构也进行了类比，固结约束偏大)，上下分配梁之间全部为铰接，即上层分配梁的弯矩不传递至下层分配梁[3-4]，如图5所示。

4.2.1 分配梁计算

分配梁受力如图6所示。

分配梁受力：

σ=160 MPa<[σ]=275 MPa;，τ=64 MPa<[τ]=110 MPa。

分配梁最大相对变形为：

ΔI=8 mm<7 500/400=18.75 mm。

满足要求。

由于分配梁存在8 mm的挠度，在安装前应根据分配梁的相对变形情况，设置抄垫，确保加载后梁部偏差控制在1 mm以内。

由于箱型分配梁满足规范要求的：

可不进行整体稳定性计算。

4.2.2 钢管柱结构稳定验算

平面内稳定计算：

(1)

(2)

其中，φx为弯矩作用平面内轴心受压构件稳定系数；Wx为毛截面模量；βmx为等效弯矩系数(此处取1.0)。

钢管柱为φ1 220×14 mm钢管柱，钢管最大轴力、弯矩如图7所示。

钢管柱最大轴力为：N=276.0 t，最大弯矩为：M=162.0 t·m。

自由深度按照6 m计算。

查表可得：φ=0．985 3；代入式(1)，式(2)计算得：

钢管柱结构稳定满足设计要求。

4.2.3 连接系结构稳定验算

连接系水平杆采用φ325×8 mm，斜拉杆采用φ273×8 mm，连接系最大轴力为：N=1.0 t；最大弯矩M=1.6 t·m。

自由深度按照8.9 m计算。

查表可得：φ=0.68；代入式(1)，式(2)计算得：

连接系结构稳定满足要求。

4.2.4 柱脚计算

柱脚水平力较小，约8 t，荷载较小，焊缝长度较大，且轴力较大，该部分柱脚荷载不进行计算。

4.2.5 整体屈曲计算

整体屈曲特征值为10>5，满足要求。

4.2.6 整体变形计算

临时支撑按照无桥式起重机进行侧向变形控制，临时支撑整体侧向变形为：

18.1 mm<5 000/150=33.3 mm，满足要求。

5 横向顶推施工

根据本工程的特点，横向顶推施工需5孔一联进行同步横向顶推。施工思路如下：待所有桥墩桩基加固完成并卸载落梁后，在墩柱上安装千斤顶进行顶升。顶升后在原支座顶面安装一块四氟板(四氟板与梁体之间设置不锈钢板)并涂抹硅脂油，减少梁体与支座之间的摩擦力，然后进行横向分级顶推施工。单跨单幅梁体恒载+活载为780 t,在四氟板表面涂抹硅脂油后摩擦系数为0.03，单幅墩柱需横向顶推力为24 t，顶推施工完成后进行顶升施工更换支座，修补垫石。

5.1 竖向顶升

竖向顶升采用三台PLC同步顶升系统进行顶升[5]，每台设备控制2个墩位的千斤顶，每个墩位上的千斤顶由同台PLC设备的同一个节点控制。顶升前右幅(左幅)一联提前安装千斤顶、监控设备等，时间安排在晚上12：00进行，采用分级同步顶升方式，每一顶升标准行程为2 mm，最大顶升速度3 mm/min，总顶升高度预设为1 cm，实际操作时，以整联桥梁最后一片梁与支座分离为停泵标准。同时，以顶升力进行校核，一联主梁恒载约为2 550 t(510 t×5)，若顶升力达到恒载极限值梁体仍未与支座分离，则需停止顶升，分析原因，排除障碍后再继续顶升。

5.2 横向顶推

梁体顶升完成后，在反力装置和梁体之间安装千斤顶，保证反力支架及千斤顶设备安装平稳，检查整个设备、平台安装情况。检查无误后，开始同时进行主梁横向顶推。主梁横向顶推采用两台PLC同步顶升系统进行，其中1台控制172号～175号墩4个墩位的横移，1台控制176号墩的横移，通过PLC设备的控制系统，设定每个墩位横向顶推千斤顶合力不超过30 t(半幅墩柱受横向推力开裂限值)。主梁横向顶推每次顶推标准行程为2 mm，最大顶推速度3 mm/min，同时，以顶推力进行双控，当顶推力达到限值(每个墩位30 t)，而梁体仍未移动，则需停止顶推，分析原因，排除障碍后再继续顶推。每次顶推完成后，对桥梁整体截面位置进行观察、量测，确保梁体移动在计算范围之内，检查、记录并分析梁体移动情况，确认无误后继续顶推，依次操作，直至梁体复位。

横向千斤顶的行程通过在千斤顶与反力支架之间抄垫钢板来调节；根据横向复位目标值加大竖向千斤顶底部四氟板和不锈钢板面积，使其满足在整个横移过程中千斤顶不偏出四氟板工作范围。

6 注意事项

6.1 顶升同步性

同一横断面上的小箱梁梁体应同步顶升，顶升前将各千斤顶调零，在顶升过程中注意每个千斤顶受力状况及油缸活塞伸出情况，并以千斤顶活塞伸出2 mm作为一个控制步长，停留1 min～2 min，检查每个千斤顶受力及活塞伸出情况，并做好记录。若各千斤顶油压相同，活塞伸出量不同，则必须检查原因，进行调整，直到可以同步顶升后，才允许进行下一步的顶升工作。

6.2 竖向顶升对连续桥面的影响

反力托换过程为逐个桥墩施工，相邻桥墩的主梁由于高程变化不同步，会导致墩顶附近桥面板局部应力过大，且桥梁一直处于服役过程中，施工过程不中断交通，甚至可能造成桥面板或护栏开裂等局部损伤，在采用有限元计算软件模拟桥面板高程变化不同步对桥面板造成的局部应力分析时，需要明确主梁对桥面板的边界约束条件，同时应参考桥面板实际应力监测结果，这个问题有待进一步研究和探讨。

反力托换时,在同一墩柱顶面进行同步顶升，降低对连续桥面的影响，同时对顶升墩柱相邻主梁高程进行监测，监测数据表明：172号墩反力托换时，通过对172号、173号墩墩顶主梁高程监测分析，相邻墩顶主梁顶升最大高度差为9.6 mm，反力托换完成后，桥面及护栏未见可视裂缝，说明反力托换过程未对桥面造成明显损伤。

6.3 横向顶推

因竖向顶升以后整联主梁都处于千斤顶顶部的滑动面上，为确保安全，竖向顶升过程需封闭交通。为缩短主梁横向复位周期，减少对交通的影响，竖向顶升前应做好横向顶推的各项准备，反力支架、限位装置、四氟板必须准备到位，主梁与周边构造物之间的约束必须解除，由施工组织领导小组共同检查确认合格方可进行顶升。

横向顶推距离确定：由于桥梁处于服役状态，部分墩柱存在轻微偏位，内力集中现象，待梁体竖向顶升应力释放后现场测量桥梁线型，以相邻原桥面中心为准，测量顶推目标值。

7 结语

通过对桩基础和承台进行置换及对桥墩包钢加固、释放了因墩梁错位产生的结构内力，增强了桥梁下部结构承载能力，提高了桥墩基础刚度。

通过对临时支撑设计及验算，表明临时支撑结构强度、刚度、稳定性均满足要求；由于分配梁存在8.7 mm的挠度，在安装前应根据分配梁的相对变形情况，设置抄垫，确保加载后梁部偏差控制在1 mm以内。

反力托换、横向复位过程监测数据表明，主梁线形没有出现突变、变化异常的情况。反力托换阶段，相邻墩顶主梁顶升最大高度差为9.6 mm，横向复位阶段，主梁横向偏位复位至1 cm 以内，符合预期要求。反力托换后及横向复位后，桥面、护栏、桥墩均未见可视新增裂缝，说明反力托换及横向复位过程未对桥梁造成损伤。

综上所述，经本工程实施的主梁复位和墩柱倾斜纠偏方法后，实桥的结构病害等到较为彻底有效的处治，桥梁恢复了正常使用功能。