李 青

（河南省公路工程局集團有限公司, 河南， 鄭州 450048）

鄭州西南繞城高速須水河支溝橋加固施工關鍵技術

李 青

（河南省公路工程局集團有限公司, 河南， 鄭州 450048）

文章結合須水河支溝橋搶修加固工程，對橋墩托換加固的關鍵技術和施工難點進行了分析與研究，并通過數值模擬分析驗證了加固方案的可行性和安全性，可供類似橋梁加固工程參考。

橋梁工程；加固方案；受力分析；關鍵技術

由于橋梁所處環(huán)境的復雜性，不可避免地會出現(xiàn)各種橋梁安全事故，包括自然因素如地震、洪水等導致的橋梁坍塌［1］，也有人為因素如火災、車輛撞擊等造成的橋梁損傷［2］。本文以2014-07發(fā)生于鄭州市西南繞城高速須水河支溝橋的橋梁應急事故為例，對橋墩托換加固施工的關鍵技術進行分析。

1 工程概況

須水河支溝橋位于鄭州西繞城高速公路，橋梁全長226.88 m，結構形式為裝配式預應力混凝土連續(xù)小箱梁橋結構，跨徑組合為 5×20+6×20 m。采用雙幅布置，單幅橋寬為16.5 m，單幅橫向由5片小箱梁組成，箱梁梁高1.2 m。橋梁下部為樁柱式結構，設計樁徑1.5 m，樁長38 m，柱徑1.2 m，最高立柱高度達13.5 m。地質條件為黏土或粉質土、下有卵石夾層。橋梁縱橫斷面如圖1和圖2所示。

2014-07-07，由于西側傾倒的大量建筑垃圾，將橋梁其中一幅最外側立柱傾斜壓斷，導致發(fā)生安全事故，由于出事橋梁交通量非常大，為保證交通暢通和安全，急需對橋梁進行搶修。

圖1 橋梁立面圖

圖2 橋梁標準斷面圖

2 橋梁加固方案分析

2.1 橋梁病害狀況

事故橋梁經檢測發(fā)現(xiàn)，橋梁西側地面標高，因堆積填土和建筑垃圾，比原設計地面標高高出約5 m左右。橋梁6×20 m 跨的P6墩右幅橋梁最外側立柱，因荷載過大出現(xiàn)傾斜斷裂，導致上部橋面結構下陷，嚴重阻礙了交通通行。檢測還發(fā)現(xiàn)，除直接承受外部荷載的立柱折斷外，蓋梁外側出現(xiàn)明顯變形和開裂，支座出現(xiàn)托空，同時中立柱和上部小箱梁均出現(xiàn)不同程度的裂縫。

根據病害檢測和事后分析可知，外側立柱的折損，不僅導致蓋梁、主梁出現(xiàn)不同程度的開裂和下?lián)希€通過內力重分布，使P6墩其余2根立柱受力狀態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)部分壓碎和環(huán)向裂縫（見圖3）。由此可以判斷，該橋處于較為危險的狀況，如果不立刻進行搶修加固，不僅影響正常通行，還存在承載能力失效的風險。

2.2 加固方案

如前所述，橋梁由于P6墩已有一根立柱折損，其余2根立柱也受損嚴重。若只更換折斷立柱，不僅新舊立柱無法共同受力，且由于蓋梁也發(fā)生開裂和下?lián)献冃?，無法徹底根治病害，所以決定采用裂縫修補和橋墩托換技術對受損橋梁進行加固［3-8］，將3根立柱和受損蓋梁全部更換。

圖3 西半幅6號墩病害示意圖

按照“先穩(wěn)后換”的思路，加固方案擬采用橋下擴大基礎+鋼立柱+工字鋼橫梁+千斤頂的鋼管臨時支撐方案，利用千斤頂將梁體頂起，拆掉受損的立柱和蓋梁，再在原位置處現(xiàn)澆新立柱和蓋梁。待到立柱和蓋梁達到設計強度后，緩慢落梁到新立柱和蓋梁上，拆除臨時支撐。

臨時支撐結構中鋼立柱采用直徑630 mm、壁厚16 mm的Q345鋼管，工字鋼橫梁采用Q345的63C工字鋼（630 mm×180 mm×17 mm），2根并置焊接。鋼管立柱之間采用Q235方形鋼管（160 mm×130 mm× 18 mm）作為水平和斜向支撐連接系。

2.3 加固方案驗算

（1）模型建立

橋梁主體結構采用梁格法建模［9-12］，主梁單元數為240，虛擬橫梁單元數為294。主梁混凝土為C50，橋墩和蓋梁為C30混凝土，也采用梁元模擬，一片蓋梁單元數為14，一個橋墩的單元數為11，混凝土容重統(tǒng)一取為25 kN/m3。支座采用只受壓單元模擬，主梁和支座頂之間、支座底與蓋梁之間均采用共用節(jié)點，橋墩底部自由度全部約束。

臨時支撐結構中各組件均采用梁單元模擬。鋼立柱單元數為100，工字鋼橫梁單元數為12，鋼管立柱之間水平和斜向支撐單元數為105。工字鋼頂部與底部采用完全連接，鋼立柱底部自由度全部約束。模型如圖4所示。

圖4 加固施工數值模型圖

由于加固施工屬于短暫狀況，施工期間又采取車輛限行措施，加固施工的一幅橋梁沒有車輛通行，所以不需要考慮車輛活載。由于施工荷載的大小和位置是已知的，風險較小，故恒載系數取1.1，施工荷載系數取1.2。所以，荷載組合?。ㄗ灾?二恒）×1.1+預應力×1.0+施工荷載×1.2。

計算分為2步，首先計算梁體頂升到位時主體結構內力，第2步將模型中得到的千斤頂最大支反力798.4 kN，反加到支撐結構對應位置，計算臨時支撐結構內力。

（2）主梁抗裂性驗算

由于主梁受到鋼立柱上千斤頂的頂升作用，受損墩柱左右兩跨邊主梁受力最為不利，最大拉應力出現(xiàn)在受損蓋梁附近主梁的上緣位置，其在短暫狀況效應組合下應滿足：σ≤0.70σtk=0.7×2.65=1.855 MPa，其中，σtk為C50混凝土軸心抗拉強度標準值。

計算所得最大拉應力為1.75 MPa，小于1.855 MPa，所以主梁在施工中不會開裂，且主要以受壓為主。

（3）臨時支撐結構穩(wěn)定性驗算

根據我國鋼結構設計規(guī)范（GB 50017—2003），鋼管的穩(wěn)定性驗算如下。

構件長細比為：

式中：A為鋼立柱截面積；L為鋼立柱長度。

鋼立柱屬于a類鋼管截面，根據長細比查表得穩(wěn)定系數φ=0.977，而計算所得鋼立柱所受軸向力N為1 600.3 kN。則鋼管應力為：

臨時支撐滿足承載力要求。由于工字鋼橫梁所受荷載幾乎是直接傳遞到鋼立柱上，故以局部受力為主，驗算也滿足要求。

（4）鋼立柱擴大基礎驗算

擴大基礎橫橋向長15 m，縱橋向寬2.5 m，高1.5 m，鋼管內灌砂注水。一個擴大基礎上有5根鋼立柱，相當于每根鋼立柱所使用的擴大基礎長3 m，寬2.5 m，高1.5 m，鋼立柱直徑為0.63 m。

為保守計算，假設擴大基礎為素混凝土，型號為C30。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62—2004）規(guī)定，擴大基礎按局部承壓構件驗算（見圖5），其混凝土抗裂性驗算和局部抗壓承載力計算如下：

式中：γ0為結構重要性系數，取1.0；Fld為局部受壓面積上的局部壓力設計值，根據上述計算，取1 600.3 kN；ηs為混凝土局部承壓修正系數，取1.0；β為混凝土局部承壓強度提高系數；Ab為局部承壓時計算底面積；fcd為混凝土軸心抗壓強度設計值，取13.8 MPa；A1n為混凝土局部受壓面積，A1n=Al，計入在鋼墊板中按45°剛性角擴大的面積。

圖5 臨時支撐結構模型圖

具體參數計算如下：

①擴大基礎混凝土抗裂性驗算：

故擴大基礎抗裂性驗算滿足規(guī)范要求。

②擴大基礎混凝土局部抗壓承載力驗算：

即擴大基礎局部抗壓承載力也滿足規(guī)范要求。

3 施工關鍵技術分析

3.1 施工重點與難點

根據橋梁實際狀況，搶修過程中存在下述重點和難點：

（1）加固季節(jié)正處于雨季，橋梁處于該路段凹曲線最低點，橋下有深約5～7 m的流動性淤泥，須先將淤泥清除，并采取有效排水措施。

（2）橋梁最外側立柱已完全失效，其余立柱、蓋梁以及梁體均出現(xiàn)不同程度的破壞，在清淤過程中存在立柱周圍受力不平衡和機械與結構物發(fā)生碰撞的風險，故必須安裝臨時斜撐。

（3）橋下施工空間狹窄，橋下總體施工難度偏大。

3.2 搶修施工關鍵技術

（1）清淤卸載及臨時支撐施工

為保證橋下施工的安全，需首先對蓋梁進行臨時支撐。支撐方式為在橋梁外側施工鉆孔灌注樁以及樁基承臺，在承臺上設置斜向鋼立柱對蓋梁進行臨時支撐。建筑垃圾清除時，開挖深度現(xiàn)場確定，采用分級放坡，邊開挖邊逐層換填，同時邊施工邊監(jiān)測，保證受損結構穩(wěn)定性。

（2）主梁臨時支撐施工［13］

主梁臨時支撐采用橋下擴大基礎+鋼立柱+工字鋼橫梁+千斤頂的支撐方案。具體施工工藝為：

①在開挖基坑全部范圍內滿鋪90 cm后碎石墊層，用挖掘機配合人工，分3層壓實；

②在碎石墊層上澆注20 cm厚C30混凝土墊層；

③在墊層上進行鋼筋混凝土擴大基礎的施工；

④在擴大基礎上安裝鋼管立柱，鋼立柱采用14 mm厚Ф630 mm無縫鋼管，并在立柱中間高度設置水平支撐連接系；

⑤在立柱頂設置柱頂卡板，吊裝支撐橫梁，橫梁采用2根63C工字鋼并放對焊；

⑥工字鋼頂面與梁底之間采用鋼板結合千斤頂支撐，千斤頂數量與橡膠支座數量相同。

（3）主梁頂升

為完成受損墩柱的更換工作，在鑿除受損前需依托臨時支撐頂升主梁。采用整體頂升方案，具體為在臨時支撐的工字鋼橫梁對應主梁腹板位置分布放置千斤頂，即單片主梁采用雙千斤頂頂升，千斤頂橫向布置同原來的支座。采用相同型號的千斤頂和同一油泵供油，頂升過程采用緩慢、分級加載、周期性頂升方案，在頂升的過程中以頂升位移量作為控制指標。當達到設計頂升量時，千斤頂自動鎖死，并定期做好沉降觀測工作。千斤頂具體布置如圖6所示。

圖6 千斤頂布置圖

（4）受損結構拆除

依托主梁臨時支撐，對主梁進行臨時頂升，并按照自上至下的順序逐步拆除蓋梁和立柱?？紤]到吊裝空間有限，蓋梁采用人工鑿除施工。

采用抱箍臨時支撐的拆除方案。在每個立柱上平均安裝3個抱箍，每個立柱抱箍之間用方形鋼管進行橫向連接和斜向連接，如圖7所示，由上至下逐層拆除立柱和相應的抱箍支撐。

圖7 立柱橫向連接示意圖

（5） 新立柱施工及體系轉換

為了保證新施工立柱鋼筋和樁基既有鋼筋的連接，鑿除受損系梁，并更換原有受損鋼筋，錯開搭接，并在新立柱鋼筋綁扎前澆筑完成。由于立柱施工空間有限，混凝土采用分段立模、分段澆筑和振搗。

因橋下空間有限，無法搭設蓋梁施工支架，橋墩蓋梁澆筑在立柱模板拆除后進行。采用無支架抱箍法施工工藝，抱箍內側增加土工布，增加摩阻力，抱箍安裝后在其頂面放置鋼砂桶，并架設工字鋼橫梁作為蓋梁模板的支撐面。

蓋梁頂面距箱梁底面距離僅有約40 cm，操作空間非常狹小。待墊石模板安裝完成后，將拌合混凝土運至蓋梁頂面后人工放至墊石模板內并調平。待新立柱和蓋梁混凝土達到設計規(guī)定強度、支座安裝及調平完成后，臨時支撐千斤頂回油，梁體落至支座，完成體系轉換，并拆除臨時支撐。

（6） 施工監(jiān)控

為確保大橋在搶修過程中的施工安全，頂升和拆除受損結構時，對梁體縱向和橫橋向變形進行監(jiān)控。監(jiān)控結果顯示，同一截面處的相鄰小箱梁的橫向位移差和縱向位移差均小于1mm，滿足設計要求。

3.3 加固后橋梁內力分析

3.3.1 模型建立

采用梁格法建模，主梁、蓋梁、橋墩以及材料和模型參數均同圖前。加固后結構主要考慮新建支墩與舊墩之間的不均勻沉降工況。持久狀況荷載組合中考慮自重、二恒、預應力、移動荷載和墩底沉降。

（1）正常使用極限狀態(tài)頻遇組合為：（自重+二恒）×1.0+預應力×1.0+車輛荷載×0.67+墩底沉降× 1.0。

（2）正常使用極限狀態(tài)準永久組合為：（自重+二恒）×1.0+預應力×1.0+車輛荷載×0.38+墩底沉降× 1.0。

（3）承載能力極限狀態(tài)組合為：（自重+二恒）× 1.2+預應力×1.0+車輛荷載×1.4+墩底沉降×0.5。

3.3.2 上部結構內力分析

（1） 主梁受力分析

P5墩到P7墩之間邊主梁的內力如圖8所示，最大正彎矩1 321 MPa，最大負彎矩1 016 MPa，遠未超出小箱梁的承載能力。

圖8 邊主梁彎矩圖

圖9為正常使用狀態(tài)下實際梁中最大拉應力，位置在梁底靠近P6墩附近，是軸力和豎彎矩二者產生拉應力的疊加。正常使用極限狀態(tài)頻遇和準永久組合下，梁底最大拉應力值分別為1.45 MPa和1.39 MPa，梁體一般不會開裂，且從圖中還可看出梁段絕大部分均處在受壓狀態(tài)，應力水平較低。

表1為受損狀態(tài)和加固后模擬得到的梁體最大拉應力，可以看出加固后，主梁梁體內最大拉應力遠小于開裂時的應力，替換柱墩效果明顯。

圖9 邊主梁梁底應力圖

表1 加固前后主梁梁底拉應力對比 MPa

（2） 新建蓋梁受力分析

圖10為正常使用極限狀態(tài)頻遇和準永久組合下，新建P6墩處的蓋梁應力變化，其最大拉應力分別為0.7 MPa和0.5 MPa，不會開裂。承載能力極限狀態(tài)驗算也滿足要求。

圖10 蓋梁底應力圖

3.3.3 主梁開裂和撓度驗算

（1）抗裂性驗算

①對于預制小箱梁，短期效應組合下正截面混凝土拉應力應滿足：

式中：σst為短期荷載效應下抗裂驗算邊緣混凝土法向拉應力，為1.45 MPa；ftk為C50混凝土軸心抗拉強度標準值；σpc為扣除全部預應力損失后的預加力在抗裂驗算邊緣產生的混凝土預壓力，為5.37 MPa。

②對于預制小箱梁，長期效應組合下正截面混凝土拉應力應滿足：

式中：σlt為長期期荷載效應下抗裂驗算邊緣混凝土法向拉應力，為1.39 MPa。

（2）撓度驗算

主梁最大撓度需滿足：

邊跨跨中最大撓度為6.1 mm，即

其中，ηθ為考慮荷載長期效應的撓度長期增長系數。

計算可知位移驗算滿足要求，綜上所述，加固后結構滿足設計使用要求。

4 結論

本文提出了適合須水河支溝橋的加固方案，并對其加固過程進行了結構受力分析，驗證了加固方案的可行性，指出了施工中的關鍵技術和應對措施；最后，對加固后結構進行了受力分析，驗算了主梁的抗裂性和位移，證明了加固措施的合理性，對類似加固施工工程具有很好的借鑒意義。

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Key Technology for Strengthening Construction of Xushui River Bridge in the Southwest Circle Expressway of Zhengzhou

Li Qing
（Henan Province Highway Engineering Bureau Group Co., Ltd, zhengzhou 450048, China）

Based on bridge reinforcement construction of Xushui river bridge, the underpinning key technologies and construction difficult points of bridge piers are analyzed and discussed, the feasibility and security of reinforcement scheme are verified by numerical simulation. The technology can provide reference for similar bridge reforcement engineering.

Bridge engineering; strengthening scheme; stress analysis; key technology

U445.72

B

1672-9889（2016）05-0043-05

2016-06-30）

李青（1972-），女，河南汝南人，高級工程師，主要從事公路施工與管理工作。