公路桥梁墩柱偏位典型病害特征分析及维修处置措施研究

马宁

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

在公路桥梁建设中，墩柱在桥梁上部结构与梁基础连接中发挥着重要作用，作为桥梁关键构件，其病害的解决有助于提升桥梁的整体安全性。但是受各种因素的共同影响，在施工与运营阶段，墩柱经常会发生病害，墩柱偏位便是其中较为常见的典型病害之一。由于此病害的产生会直接威胁到整座桥梁结构的安全性，因此需加强对此类典型病害特征的分析，重视相关维修处置研究工作的开展。

1 工程概况

1.1 墩柱偏位典型病害介绍

本文选取了山西省阳城县内某山区公路桥梁作为研究对象，由于周边地理环境较为复杂，桥梁极易受到多种不利因素的影响，管养单位在定期维护检测中发现该桥梁存在墩柱偏位等病害。该桥梁详细信息如表1 所示。

在对桥梁进行定期维护检查中发现梁端中心线出现偏离简支墩盖梁中心线的情况，墩柱与盖梁偏斜方向为上坡方向，同时墩柱底部已经存在最大宽度为0.4mm 的多道横向裂缝，呈小桩号侧底部均匀分布，为此对该桥梁展开专项检测，具体检测结果如表2 和表3 所示。

表2 桥墩纵桥向墩柱竖直度测量结果表

表3 简支墩梁底预埋钢板坡度测量结果表

1.2 桥梁墩柱偏位成因分析

通过对现场病害的检测发现，无论是5 号柱顶还是9 号柱顶的伸缩缝均未见异常，开口较为匀称，且只有5 号柱与9 号柱存在着偏移，其他桥墩以及两侧桥台并没有检测到位移情况的发生，从而表明整座桥的上部结构并未发生纵向整体位移。基于该桥梁墩柱偏位特点进行综合分析，可将此墩柱偏位的典型特征总结为如下方面。

第一，受支座上钢板倾角、主梁重量以及桥梁运营荷载等因素的影响，导致盖梁产生水平分力，致使墩柱底部出现受弯情况，从而产生纵向偏位。

第二，由于支座上方钢板未能保持水平，造成了支座难以正常滑动复位，从而阻碍大纵坡梁体的伸缩变形运动，增大水平推力，具体受力情况如图1 所示，即在附加水平推力的作用下，致使墩柱逐步发生偏位。

图1 墩柱与梁体之间受力图

第三，现场分析结果表明，由于该桥梁所在线路纵坡坡度较大，并且桥面纵坡由桥梁上部结构形成，导致梁底面随梁体产生纵向倾斜面，而为了将支座顶底钢板支撑面作为水平面，在施工期间就需要在梁底支撑位置对支座调平钢板进行预埋[1]。同时，由于该桥梁上部结构为预制装配式，所以一旦在施工中存在控制不到位的情况，就有可能造成梁底预埋钢板和楔形找平钢板难以与梁底倾斜面保持一致，从而无法实现落梁时支座顶钢板支撑面为水平面的要求。在该桥梁运营时，受上部结构自身重量、来往车辆荷载的影响，会在支撑面形成沿桥梁纵坡的水平分力，并对桥墩与盖梁顶部产生作用，进而导致墩柱出现变形或偏位的现象，即主要原因是梁底支撑面未能保持水平。

第四，在该桥梁中，墩柱选用了较高的柔性墩，这种墩柱在受到同等纵向水平分力作用的情况下，其整体的抗弯能力较弱，因此也更加容易发生纵向偏位，墩底也极易产生横向裂缝。

第五，通过现场检测发现，发生偏位的5 号柱与9号柱均属于简支柱。此类柱体在温度的影响下，很容易在支座钢板处发生“年轮”现象，即受外界温度变化的影响，会使柱体两侧出现梁体伸缩现象，从而导致柱顶或盖梁顶产生水平分力的差值，由于水平分力合力所指方向为上坡向，从而加剧桥墩出现上坡方向变形偏位[2]。而柱顶与盖梁受到自重的影响，就会产生不可恢复的残余位移，而逐年累积的位移在支座钢板上留下的痕迹即为“年轮”现象。

2 墩柱偏位维修处置措施及施工

2.1 墩柱纠偏复位处置措施

通过对产生偏位的桥梁墩柱进行检测，发现其竖直度均超过了标准限值，因此最为有效的处置措施便是将墩柱进行反方向纠正，直至其竖直度保持在规定范围内，唯此方可确保该桥梁安全运营。为此，需借助临时设置的支座，利用滑动摩擦系数差原理，制定墩柱双控纠偏方案，其间使用了数控同步多点顶推施工方法，在使墩柱竖直度得以修正的前提下，保证其水平顶推力控制在较小范围内。

在进行纠偏时，需将主梁整体进行抬升，拆除原有支座，然后安装临时支座，并专门设置滑动面，最后完成落梁。在纠偏期间，还需对梁体与墩柱异常情况进行观察，确保在一切正常的情况下开展水平顶推施工，同时对竖直度恢复量与顶推位移量进行动态观测，直到水平顶推施工完成后，再对墩柱竖直度变化进行检测[3]。通过采取上述措施，虽然能将墩柱竖直度有效恢复到标准范围内，但是难以从根本上解决该桥梁墩柱偏位的诱因。详细的施工过程如图2、图3所示。

图2 墩柱纠偏临时 支座安装

图3 纠偏施工过程中 数值监控

2.2 更换新型球型支座

为达成对墩柱偏位诱因的根本解决，需从该桥梁典型病害特征着手，基于支座位置支撑面难以保持水平这一现象，专门设计新型球型支座。在上文纠偏复位处置措施开展后，需对原有支座与临时安装的支座统一进行拆除，并替换为新型球型支座[4]。此新型支座能充分借助中间位置的球型钢衬板与球面聚四氟乙烯板的滑动完成支座的顺利转动，不仅具备竖向转动角度大的优势，而且球面聚四氟乙烯板还能实现对球型钢衬板的包裹，以确保在纠偏施工落梁后，使支座顶板钢盆能与倾斜的梁底面相适应，还能实现支座顶底部支撑面的自动调整，从而完成对墩柱偏位根本诱因的解决。实物如图4、图5 所示。

图4 新型球型支座顶 钢盆及球型钢衬板

图5 新型球型支座球面 钢衬板及下底板

2.3 墩柱加固处置措施

针对5 号墩与9 号墩均出现偏位较为严重的问题，且底部也发生了横向裂缝病害，为此还需对墩柱采取加固处置措施。其间针对裂缝宽度不大于0.15mm 的墩柱展开维修处置时，首先需对裂缝采取封闭处理，然后再通过粘贴碳纤维布完成加固处置。在对裂缝宽度大于0.15mm 的墩柱展开维修处置时，则选择了增加截面的方法进行维修，即在原墩柱底部外包混凝土进行加固[5]。

3 墩柱偏位维修后监测与处置效果

对于该桥梁发生的墩柱偏位病害，在采取纠偏复位、更换新型球型支座以及加固处置等措施后，为了对偏位维修处置效果进行确认，针对5 号墩柱、9 号墩柱进行了长达三年的跟踪监测。详细测量结果如图6所示。

图6 墩柱偏位综合处置竖直度跟踪测量结果

从图6 可以看出，在经过三年跟踪监测后发现，本文采取的墩柱偏位综合处置措施产生了十分可观的效果，能够对因梁底支撑面不水平引发的墩柱偏位等衍生病害实现有效处置，在经过综合处置的三年后，5号墩、9 号墩的竖直度没有发生明显变化，并且在有自然环境因素影响的情况下，5 号墩、9 号墩并未再次发生墩柱偏位等病害，充分说明了本文处置方案的有效性。

4 结论

山区公路桥梁通常有着桥墩较高、坡桥较大以及曲线半径较小的特点，加之周围地形、环境较为复杂，地质灾害频发，因此很容易导致桥墩偏位等病害的发生。本文通过检测分析得出梁底支撑面不水平是该桥梁墩柱偏位病害发生的主要诱因，然后开展了一系列综合维修处置措施，使该桥梁在短期内重新投入正常使用，并通过三年的跟踪监测得出该方案对因梁底支撑面不水平引发的墩柱偏位等衍生病害能实现有效解决。

综合此类桥梁病害特征与综合处置效果，可得出如下结论。

第一，针对坡度较大的桥梁，施工时需重视对精度的控制，尤其是支座上下支撑面的施工，并确保梁底支撑面的水平。

第二，如果桥梁梁底倾斜面未达到设计规范，可以通过在梁底设置调平楔形钢板实现对支撑面的调平，从而避免支撑面不水平的现象发生。

第三，如果墩柱底部并未出现明显的横向裂缝，且偏位对墩柱底部附加的作用力小于整体承载能力，则只需对墩柱加以纠偏复位，并更换新型球型支座，而无须对其进行维修加固。