大纵坡柔性高墩墩柱偏位原因分析及处治方案
0 引言
近年来,随着国家大开发战略的深入,各地区的高速公路得到空前发展。山区高速公路桥梁受地形影响,多以曲线、大纵坡、高墩的形式呈现。
大纵坡柔性高墩(结构连续的墩梁刚接体系)刚构桥的交界墩偏位病害已在多条高速公路桥梁上发生,目前,国内外对这种偏位病害产生的原因观点不一,病害发生后的处治措施也是千秋百态,本文主要以出现类似病害的某桥墩4号墩为背景,对交界墩出现的病害处治措施进行较全面的解析。
1 工程概况
以先简支后结构连续的墩梁刚接体系的刚构桥为例,该桥设计纵坡-2.5%,曲线半径1 000m,跨径组合(4×30+5×30)m。2,3,5,6,7号墩位采用墩梁刚接,4号为交界墩,0,9号为桥台。4号墩位支座采用GPZ(Ⅱ)1.5SXF,GPZ(Ⅱ)1.5DXF盆式支座。0,9号桥台采用80型伸缩缝,4号墩采用160型伸缩缝。
右幅4号墩:墩高26.5/26.7m、墩柱直径1.6m,桩基直径1.8m、设计桩长13m,桩进入中风化花岗岩基岩3m。
2 桥梁病害
1)右幅4号桥墩墩身顺桥向发生偏位,内、外侧立柱顶分别偏移254,319mm,方向为下坡侧往上坡侧偏移(见图1)。
2)右幅4号桥墩内、外侧立柱下坡侧分别有8,9条较宽环状裂缝,宽度为0.2～0.5mm,深度为7.6～10.9cm,长度为L/2～3L/4(L为柱圆周长),仅施工接缝砂浆抹面处裂缝通长;裂缝主要集中在柱底到第1道墩身系梁底范围内(见图2)。
3)T梁10个支座均产生滑移现象,支座滑移后支座顶板卡搭在支座盆沿上,支座顶板与梁底钢板没有发生相对位移(见图3)。从滑移痕迹可看出约发生7次滑移,每次滑移量基本相同。
4)右幅4号墩顶伸缩缝上、下坡侧有高差,跳车明显:下坡侧伸缩缝平整,上坡侧伸缩缝下沉,中间低、两边高,下沉值为1～2.5cm。
右幅4号墩顶伸缩缝处防撞墙位移明显:外侧防撞墙下坡侧高出上坡侧3cm,内侧防撞墙下坡侧高出上坡侧2cm。
3 施工方法与工艺
3.1 总体处治原则
本项目4号桥墩出现了向上坡方向较大滑移,引起桥梁支座错位,需对桥墩进行纠偏,恢复桥墩及支座的正常使用功能。根据病害情况,确定如下主要施工内容:墩柱纠偏复位、支座垫石修复、支座更换、桩基及墩身加固。
桥墩偏位处治包括:施工准备阶段、顶升复位阶段、加固验收阶段。
准备阶段主要内容:操作平台搭设、顶升纠偏限位装置安装、墩身临时加固、千斤顶安装试顶。
顶升复位阶段主要内容:T梁顶升安装临时支撑、拆除原有支座更换临时支座、墩柱纠偏复位、T梁顶升拆除临时支座、垫石修复安装新支座、限位装置安装。
加固验收阶段主要内容:桩基及墩身加固、验收及后期监测。
3.2 总体施工流程
(见图4)
3.3 准备阶段
3.3.1 搭设操作平台
为便于施工操作,在桥墩位置搭设施工平台,操作平台采用钢管支架搭设。
3.3.2 设置顶升、纠偏装置
3.3.2. 1 竖向顶升反力装置
竖向顶升千斤顶设置于T梁横隔梁与梁肋间。根据现场情况,上坡侧千斤顶可放置于横隔梁与梁肋对应的盖梁顶面;下坡侧因墩身偏移横隔梁与梁肋对应的盖梁平面位置不足,无法安放千斤顶,需在下坡侧盖梁边设反力牛腿,设置11个牛腿。
在顶升及纠偏设备安装前,对反力牛腿及反力底座的预埋螺栓进行拉拔检测,以确保其工作可靠性(见图5)。
牛腿顶面尺寸为25cm×40cm,牛腿采用3排竖向钢板肋,4排竖向螺栓,每排4个,钢板厚度2cm,螺栓为S8.8级M20高强度螺栓,长度为300mm,钻孔直径为22mm、钻孔深度为210mm、锚固长度为200mm;牛腿结构及螺栓锚固均验算合格。
图5 反力牛腿构造(单位:cm)
Fig.5 The reaction corbel structure(unit:cm)
3.3.2. 2 水平纠偏反力装置
纠偏反力架设置于上坡侧T梁横隔板上,在T梁横隔板上靠近梁肋位置钻50孔,孔内穿入32精轧螺纹钢,在横隔梁侧面铺设20mm厚钢垫板(见图6)。
图6 纠偏反力装置立面
Fig.6 Elevation of rectifying reaction device
反力底座设置于盖梁上坡侧,反力底座采用双拼I28a,反力底座设置3排螺栓,每排3个,精轧螺纹钢与反力底座栓接牢固。纠偏反力底座螺栓为S8.8级M20高强度螺栓,反力底座螺栓长度为600mm、钻孔直径为22mm、钻孔深度为210mm、锚固长度为200mm;反力装置设置4套于上坡侧横隔梁上。反力底座结构及螺栓锚固均验算合格。反力底座上钢板设置10cm长螺栓孔,满足梁体顶升及纠偏过程中调整精轧螺纹钢水平需求(见图7)。
表1 千斤顶配置
Table 1 Jacks configuration
3.3.2. 3 顶升力分配及千斤顶配置(见表1)
竖向顶升:按计算支撑反力最大值3 244kN,采用每侧10台千斤顶对梁体进行顶升,每台千斤顶顶升力约330kN,现场采用100t千斤顶。
水平纠偏:水平荷载按照≤0.05倍恒载计算,纠偏水平力为300kN,用4台对拉千斤顶对墩柱进行纠偏,每台对拉千斤顶水平力为75kN,现场均采用100t千斤顶进行施工。
3.3.3 墩身临时限位措施
竖向顶升前对墩身进行临时加固及限位,加固装置采用精轧螺纹钢反拉;限位装置采用钢管及钢板顶撑。其中,精轧螺纹钢直径32mm;采用外径76mm、壁厚4mm的钢管,钢管端部设置5块20mm厚U形钢板。限位装置反力底座上钢板设置10cm长螺栓孔,满足梁体顶升及纠偏过程中调整精轧螺纹钢水平需求(见图8)。
3.3.4 监控装置安装
为确保桥梁结构及施工过程安全,使顶升纠偏施工切实可行地达到设计要求,设置一整套监测流程,并安装相应的监控装置(见表2)。
图8 临时限位装置
Fig.8 Temporary limit device
表2 施工监测点位及监测内容
Table 2 Monitoring points and monitoring contents
3.3.5 试顶
3.3.5. 1 准备
在本次顶升施工中,全部采用PLC多点同步控制液压系统,顶升系统使用2台电动泵站,每个桥墩分配1台泵站,多个分配器及调速截止阀和特殊的薄型油缸可实现同步顶升功能,此外,千斤顶均配有液压锁,可防止任何形式的系统及管路失压,从而保证负载的有效支撑。
安装超薄千斤顶前,将安装千斤顶范围内的混凝土面打磨平整。为了保证顶升时主梁安全,千斤顶布置在横隔板靠近梁肋附近。顶升过程中千斤顶的具体布置如图9所示。
3.3.5. 2 试顶过程
试顶主要目的为消除全套顶升系统可能出现的问题,如气压、油路接头漏油、油泵压力不够等,同时消除顶升过程中可能出现的非弹性变形。
在纠偏过程中进行“三位一体”(油压系统、位移系统、第三方监控系统)的监测,若其中某一体系出现异常应立即停止纠偏;小行程多周期纠偏;根据监测数据及其分析,随时调整纠偏力大小(见图10)。
图1 0 顶升纠偏控制界面
Fig.10 Jacking control interface
1)试顶前检查(1)千斤顶安装是否垂直牢固;(2)影响顶升及纠偏的设施是否已全部拆除;(3)顶升及纠偏部分结构与其他结构连接是否已全部去除;(4)纠偏反力装置系统是否出现局部变形,螺栓连接是否达到设计要求。
2)检查无异常后,开始试顶,现场技术员注意密切观察桥梁是否有异常情况出现,设备、仪表是否正常工作,显示读数是否在合理范围内。
3)在T梁整体顶起后,持荷10min,观察梁体及设备状况。如有异常情况,应立即回油、落梁,问题解决后再进行试顶,直至梁体受力及设备运行正常。
4)在盖梁纠偏位移达到5mm后,持荷10min,观察梁体及设备状况。如有异常情况,应立即回油、落梁,问题解决后再进行试顶,直至梁体受力及设备运行正常。
5)试顶正常后,平稳落梁。
3.4 顶升与复位阶段
3.4.1 竖向顶升T梁
本桥采取第4跨和第5跨共10片T梁整体同步顶升的方式进行施工。
竖向顶升前采用钢管及钢板顶撑限位,具体设置如图8所示。
3.4.1. 1 竖向顶升
竖向顶升T梁,分3次进行顶升,第1次顶升使梁体脱离支座,T梁整体同步顶升一定高度;第2次顶升首先调整伸缩缝两侧高差使梁底恢复至初始位置;第3次顶升主要调整顶升高度,满足支座拆除及临时支座安装,顶升过程中通过拉线位移传感器控制最大顶升高度,顶升最大高度应≤1.5cm。
梁体初始位置通过检测梁底和测量整桥桥面标高进行控制,以保证桥面纵坡平顺。
3.4.1. 2 安装临时支撑
顶升到位后将千斤顶油压锁死,并在T梁横隔梁底紧挨千斤顶处设置临时支撑(见图11)。
3.4.1. 3 顶升过程控制
1)顶升过程中以每顶升3mm为一级,分级顶升,各项高差严格控制在0.5mm范围内。实时监测各千斤顶顶升高度差,若高差超过控制值,必须进行适时调整后才能进入下一个顶升周期,达到同步顶升的目的。
2)同一横断面上的梁应同步顶升,顶升前将各千斤顶调零,在顶升过程中注意每台千斤顶受力状况及油缸活塞伸出情况。
3)同步顶升高度为可拆除既有支座和安装新支座所需的工作空间,高度不大于初始位置15mm。
4)正式顶升,须按下列程序进行,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,直到可同步顶升后,才允许进行下一步的顶升工作:(1)操作按预设荷载进行加载和顶升;(2)观察各观察点应及时反映观察情况;(3)测量各测量点应认真做好测量工作,及时反映测量数据。
5)结构顶升空间内不得有障碍物。
3.4.2 拆除原支座、安装临时支座
临时支撑将梁体支撑固定后,取出原有支座,采用聚四氟乙烯滑板、临时橡胶支座等组成临时滑动支座,恢复梁体纵向自由变形需要。
在支座垫石上放置聚四氟乙烯滑板,聚四氟乙烯滑板顶面安装临时橡胶支座,临时支座与梁底采用环氧树脂调平。临时支座安装应考虑墩柱偏移顶升过程中盖梁偏压情况,应将临时支座向下坡侧整体偏移,尽量与梁底预埋钢板位置对应设置(见图12)。
3.4.3 第1次落梁
落梁前,拆除临时支撑,清理聚四氟乙烯滑板顶面,涂抹硅脂油。千斤顶落梁,争取一个行程能将梁落在临时支座上。落梁过程中应缓慢进行,速度控制在2mm/min,任意2台千斤顶之间的下落值≤2mm。
3.4.4 墩柱纠偏复位
落梁完成后,拆除临时限位装置,对墩柱进行监测,稳定后正式纠偏。限位装置拆除过程中为防止一次拆除后回弹过大,应逐块取出支撑钢管端部的U形钢板,取出1块并进行观测,稳定后持续取出,直至取出5块U形钢板后将支撑钢管拆除。
墩身复位过程是墩身积聚内力的释放过程,随着墩身偏位的逐渐减小,墩身最大弯矩将减小,墩身轴力不变,因此墩身的承载力逐渐增加。
3.4.4. 1 墩柱纠偏
试顶无问题后,正式纠偏,墩柱纠偏前将桥梁伸缩缝进行填塞。
千斤顶最大行程为5cm,纠偏过程以2cm为一级,分级纠偏,每纠偏一级,持荷10min,各系统无问题后再进行下一级纠偏直至纠偏到最终位置,水平纠偏位移量以实际测量为准,使原墩柱恢复到最终状态。
纠偏前观测阶段:顶升过程中对梁体与盖梁进行了临时锚固,顶升完成并落梁后逐渐取消临时锚固,使得墩柱进行自由回弹,观察恢复情况,待稳定后进行纠偏施工。
正常纠偏阶段:随着纠偏力的不断施加,墩柱会缓慢匀速滑移。单次纠偏滑移量控制在20mm以内,达到后立即停止,然后仔细检查各受力部位及桥梁构件,无异常后再继续纠偏。
纠偏过程控制:纠偏过程中以监测墩柱裂缝变化情况及墩柱应力、应变变化情况为控制手段,每次纠偏完成后,随即测量裂缝及应力、应变变化值,与上次纠偏数据对比计算分析后,再决定是否进行下一次纠偏。
复位监测阶段:当纠偏接近复位状态应停止,然后确认监控测量值符合规范要求后,再缓慢纠偏复位,严禁纠偏超量。
3.4.4. 2 纠偏原则
根据墩柱应力、应变控制墩身最大恢复值。
纠偏过程中对墩身进行应力检测,墩身两侧布设应变片,纠偏过程中对墩柱应力及位移值进行监测。
对最终纠偏后的位移值进行计算分析,明确纠偏后墩柱状态并对加固方案进行验证。
3.4.4. 3 纠偏注意事项
1)纠偏前将各千斤顶调零,在纠偏过程中注意每台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3mm作为1个控制步长,停留1～2min,检查每台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,直到可同步纠偏后才允许进行下一步纠偏工作。
2)整体纠偏位移量控制在设计值内。
3)结构纠偏空间内不得有障碍物,控制墩柱纵向一个纠偏行程量为2cm,以控制总体纠偏进程。
4)每一轮纠偏完成后,对各油缸的位移和千斤顶的压力情况随时整理分析,如有异常,及时处理。墩柱纠偏1个行程结束后,测量墩柱的纵向位移值,计算同步误差。
5)纠偏过程中应加强跟踪监控。监控的内容包括:墩柱及相邻墩柱混凝土开裂情况,墩柱位移量及变形情况,反力架支撑处混凝土破损开裂情况,梁底裂纹及跨中挠度情况。
3.5 支座垫石修复与支座更换
3.5.1 竖向顶升T梁拆除临时支座
在拆除临时支座前,通过微顶升设置临时支撑将梁支垫牢固,顶升至初始位置时,根据墩柱复位情况量测垫石水平度、梁底预埋钢板坡度、垫石顶面至梁底预埋钢板高度,调整垫石及支座安装高度。
3.5.2 支座垫石处理
根据某高速公路大桥检测报告现场检测数据,以梁端与支座顶钢板现状图支座顶钢板最不利情况计算,支座顶板中心为成桥时的支座中心,目前该支座顶板中心距离盖梁边缘35mm,与设计位置相比,支座顶板中心向盖梁外侧偏移40mm,此时设计支座顶板中心距离盖梁边缘75mm。支座顶板纵向尺寸为520mm,为保证支座按设计安装,且支座顶板边缘距离盖梁边缘>60mm,需纠偏值为245mm。
根据墩身最大恢复值对支座垫石进行修复,当纠偏位移值≥245mm时,支座可满足使用要求;当纠偏位移值<245mm时,为满足支撑垫石的使用要求,需处理支座垫石及梁底预埋钢板,保证支座安装以梁体伸缩缝中心线对称布置。
按照支座系统组合高度及量测的梁底预埋钢板位置对支座进行处理,需扩大尺寸的垫石采用C50重力式砂浆进行浇筑。
3.5.3 支座更换
3.5.3. 1 支座选择
墩柱纠偏复位后将4号墩10个支座全部更换为双向活动支座。
支座采用大转角球形钢支座,该支座是一种能主动适应一定梁底坡度的新型支座,支座采用上、下支座板倒置的球形支座,滑动面位于支座垫石顶面,安装前将支座垫石顶面调平即可。支座顶板尺寸为350mm×350mm,支座底板尺寸为500mm×390mm,支座按坡度4%、转角0.4rad设计,支座高度95mm,底板上设置水平液位计。
3.5.3. 2 更换支座
在梁体顶起至有足够施工操作空间,以刚好能取出临时支座为宜,球形支座高度为95mm,顶升后施工操作空间为105mm,量取梁底预埋钢板坡度加工楔形钢板保证落梁后支座水平不偏压。拆除临时支座后,将球形支座平移至支撑垫石上进行调平。
3.5.3. 3 落梁、检测调整伸缩缝
落梁前检查伸缩缝相对高差,落至支座承载以前应注意各墩减速是否一致,位移变化是否一致,相差过大时应找出原因处理后重新落梁。
落梁前应确认所有临时支撑已拆除,新支座已安装好。落梁完成后将支座上钢板与梁底钢板焊接牢固,采用对称断续方式焊接,焊接后应在焊接部位做防锈处理。
纠偏处治完成后,即刻对该处梁体与墩身相互位移情况进行连续升、降温观测,取得10d内温差与位移相对关系。
3.6 限位装置设置
为限制桥梁在后续阶段再次产生较大位移,在墩顶盖梁顶增设限位装置(见图13)。限位装置采用在盖梁顶增设I28a焊制成型的限位底座,分别在第4,5孔梁横隔板靠近梁肋位置设置4个限位装置。同时,对横隔板底端加厚并外包8mm钢板,以使横隔板与限位装置完全平行,受力均匀。为保证伸缩缝的工作位移及梁体横向活动量,限位装置与横隔板及梁肋之间设置8cm间隙。
3.7 桩基加固
墩柱复位后,桩基在无其他不利荷载工况下处于安全状态,考虑基础为单排桩,结构刚度较弱,为确保运营安全、提高安全储备,墩身复位施工完成后对桩基进行加固处理。
在原桩基上、下坡侧各施工4根桩基,间距60cm,采用地质钻钻孔,安装直径146mm、壁厚10mm钢花管桩并灌注混凝土。桩长设计为3.6m,嵌入中风化岩层0.5m,采用扩大承台进行加固,承台与桩基植筋浇筑混凝土形成整体基础(见图14)。
3.8 墩柱加固
墩身由于发生偏位,墩底截面承载力退化,验算结果个别钢筋发生屈服,因此,待主梁回落、支座更换、墩顶复位等施工完成后,采用混凝土增大截面法对墩底进行永久加固,以保证复位后结构使用安全,加固范围为墩底至第1道系梁底部。
图1 3 限位装置(单位:cm)
Fig.13 Limit device(unit:cm)
加固方案按照墩身外包20cm厚混凝土,即墩身直径增大40cm来处理,采用HRB400级25纵筋,钢筋间距按原设计图进行布置(见图15)。
墩身混凝土加固施工工艺为:(1)墩身表面凿毛;(2)植筋并采用25钢筋,按照原设计钢筋间距进行布置;(3)模板制作安装;(4)混凝土浇筑采用与墩身同强度等级混凝土;(5)混凝土养护。
3.9 处治效果
纠偏加固完成后,应力、应变达到平衡状态,无法继续进行纠偏,此时,桥梁处于较小偏位状态,外侧立柱偏位34mm,内侧立柱偏位12.6mm(见表3)。
表3 纠偏完成后应力、应变值
Table 3 Stress and strain values after deviation correction
墩柱加固完毕后,对支座进行连续观测,升、降温时梁体处于平衡偏位状态,支座每天处于正常工作状态。
4 结语
综上所述,桥梁墩柱纠偏加固过程中,有很多关键步骤需进行把控,纠偏最终状态应根据现场各项检测数据进行确定,墩柱加固方案需根据纠偏最终状态进行设计。施工完成后现场测量人员及时跟踪监测,根据监测数据显示,桥梁支座已恢复正常工作状态。
上述处治方案只是针对桥墩出现类似病害的一种处理方式,为防止大纵坡柔性高墩继续发生类似病害,应从设计规范上解决问题:(1)梁底预埋钢板安装问题(即如何保证梁底预埋钢板水平度问题);(2)高墩墩身刚度问题(即墩柱长细比取值问题)。
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