王永鵬,贠棋紅

(1.中鐵大橋局武漢橋梁特種技術有限公司,湖北 武漢 430074;2.橋梁智能與綠色建造全國重點實驗室,湖北 武漢 430074)

1 工程概況

某大橋全長5.5km,由深圳與香港共建,其中深圳側總長2.04km,大橋總寬38.6m,為雙向6車道。大橋在水中支座及以下部分,由內(nèi)地承擔管理工作,其余部分由香港方進行管理。大橋深圳側包括通航孔橋、非通航孔橋和接線匝道橋。通航孔橋為獨塔單索面全焊接加勁鋼箱梁斜拉橋,橋跨布置為180m+90m+75m,非通航孔橋和接線匝道橋為雙幅分離的等截面預應力混凝土剛構-連續(xù)體系,標準跨徑為70m。該橋于2003年動工建設,2007年建成通車。

全橋133個支座符合GB/T 17955—2000《球型支座技術條件》要求,曲線外側設置多向活動支座,曲線內(nèi)側設置縱向活動支座,型號為QZ2000～QZ22000,最重達3.1t,支座高度為8.9～26cm。2016年經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn),大多支座出現(xiàn)了位移超限、螺栓干涉(變位受阻)、四氟板磨損、銹蝕開裂病害[1](見圖1),導致支座傳力功能失效,設計將該類病害支座進行更換[2-3],以恢復其結構功能。

圖1 支座螺栓干涉及滑移超限病害

經(jīng)過現(xiàn)場勘察,大橋支座采用永久性錨栓結構,將螺栓錨固定于混凝土構件內(nèi)的結構方式(嵌錨式支座),該種支座在不中斷交通條件下更換時存在以下技術難題:①受凈高限制,錨固螺栓需割除后方可將舊支座拆除,新支座錨固孔受原支座地腳螺栓影響,無法滿足原位鉆孔要求,需異位重新鉆孔;②受支座墊石至梁底超低凈空(本橋凈空低至8.9cm)的影響,常規(guī)取芯鉆孔機即使通過改制降低其自身高度,也無法適用于超低凈空下的使用條件;③即使在超低凈空下成功鉆取了支座錨固孔,但支座孔錨固深度(≥17cm)一般遠大于支座本體高度,如何將新支座螺栓放入錨固孔內(nèi),也是一大難點。

另外,對于長、大水域橋梁,一般橋面交通繁重、線路長、橋墩多、分布范圍廣,傳統(tǒng)操作平臺受搭設工程量大、施工緩慢、成本高、占用橋面交通等不利因素影響,對于橋梁小、中修支座更換工程來說,無法同時滿足不占用橋面交通、快速施工、多點同步作業(yè)等要求。為此,設計制作新型水上平臺,以兼顧工期、成本和以上需求是非常重要的技術研究指標。

2 病害成因分析及更換方案技術研究

2.1 成因分析

1)支座不銹鋼板和聚四氟乙烯滑板破壞、滑板滑出和過度磨損 位移超限或轉動超限造成支座頂離,滑板偶對面局部受力和接觸變位;支座安裝時過早解除臨時鎖定裝置,體系轉換時帶離滑板脫離圈置約束;材料劣質(zhì)、焊接質(zhì)量差等。

2)支座位移超限 橋墩偏位,結構伸縮位移偏大,支座位移選擇值偏小,支座類型不滿足曲線梁變位要求,造成支座橫向位移超限;安裝時未考慮溫度補償,要求支座安裝時溫度為當?shù)貥O端氣溫中間值,未進行縱向位移調(diào)整等。

3)轉角超限 安裝時支座未調(diào)平或放置不平,發(fā)生轉動等;位移超限導致支座移動至極限位置;結構撓度偏大,支座轉動設計值偏小等。

4)支座鋼件嚴重變形和破損 支座變位超限頂離,承墊石質(zhì)量差,支點沉降,支座鋼結構質(zhì)量差等。

2.2 更換方案技術研究

針對支座病害、現(xiàn)場結構勘察結果,通過深入分析研發(fā),制定專有性支座更換方案。通過優(yōu)化新支座結構解決了原支座地腳螺栓處無法鉆孔的問題。研制的平面直角取芯鉆機有效攻克超低凈空(低至8.9cm)下的鉆孔難題。新型錨固組件實現(xiàn)了當錨固深度大于操作凈空時橋梁支座的錨固操作;采用水域橋墩維修用浮筒式水上平臺,解決了常規(guī)水上平臺搭建工期長、成本高、占用橋面交通等問題。綜合以上研究,總結出系統(tǒng)化橋梁超低凈空嵌錨式支座更換技術。

3 嵌錨式支座更換研究技術

3.1 新支座結構優(yōu)化技術

1)新支座本體結構優(yōu)化 針對原有支座螺栓不可繼續(xù)使用且螺栓處無法鉆孔及滑移超限的問題,設計了通過擴大新支座上板、增大允許滑移量,使新支座螺栓孔位外移的技術(見圖2)。新支座鉆孔時,保證其鉆孔孔徑與舊螺栓間平面凈距≥20mm,避免鉆機刀頭切到舊螺栓而卡鉆。

2)支座錨固件優(yōu)化 由于新支座孔錨固深度遠大于支座本體高度,致使常規(guī)支座錨固螺栓無法放入孔內(nèi),為解決該難題,研究制作了接長型錨固組件,通過連接套筒、螺桿形成分節(jié)結構,分段放入孔內(nèi),連接套筒內(nèi)設限位卡,保證支座本體螺栓與錨固螺栓擰緊長度滿足設計要求(見圖3),該設計可實現(xiàn)支座任意長度螺栓錨固;優(yōu)化后的新支座錨固螺栓為套筒式結構,便于后期維養(yǎng)和更換。

圖3 錨固組件

3.2 不中斷交通下梁體頂升與同步支撐技術

1)舊支座拆除 橋梁頂升前放松舊支座螺母,頂升后使支座脫空,通過外力使支座上板脫離梁體,然后割除舊支座螺栓,分別取出舊支座上鋼板、球冠、下鋼板(見圖4),各拆卸構件吊裝至新型水上浮筒式平臺。

圖4 舊支座拆除

2)頂升與同步支撐 橋梁同步頂升時,對于多聯(lián)跨整澆、預制的連續(xù)箱梁采用整聯(lián)分段線性同步頂升法[4],對于T梁、空心板梁和小箱梁等中小跨徑(≤20m)簡支梁橋采用直接頂升法[5]。梁體頂升采用大體積液壓泵站及PLC液壓同步頂升控制系統(tǒng)。

梁體同步頂升要點如下。

1)頂升前 標記支座中心線、設置監(jiān)控點,調(diào)試PLC頂升控制系統(tǒng)。

2)試頂升 試頂升時,在專業(yè)人員統(tǒng)一指揮下將所有千斤頂緩慢加壓至頂升力50%,持荷5min,觀察狀態(tài)無誤后落頂;然后千斤頂同時起頂至梁體抬高1mm,持荷10min,觀察千斤頂活塞活動情況及管線運行情況,如一切正常,將千斤頂卸載回初始狀態(tài),準備正式頂升。

3)正式頂升 通過頂升力和頂升量雙控,分級頂升,頂升速度≤3mm/3min,監(jiān)測點同步誤差控制在±1mm,以1mm為單位進行,每頂升1mm,檢查支座是否脫空,支座全部脫空后正式頂升結束,進入持壓狀態(tài)[6]。

4)允許頂升高度 盡量小且≤15mm。

5)同步頂升后,千斤頂自鎖保壓,同時在舊支座拆除完成后,其原位置處同步設置臨時支撐[7],以保證橋梁運營狀態(tài)結構受力安全[8]。

3.3 超低凈空下新支座錨固孔鉆設技術

舊支座拆除后,標記中心線,通過精確測量確定新支座螺栓孔位,采用平面直角取芯鉆機進行鉆孔。通過液壓油泵,帶動外部傳動軸旋轉,然后通過鉆機機身內(nèi)部皮帶傳動系統(tǒng),帶動內(nèi)部傳動軸旋轉(見圖5),實現(xiàn)鉆頭跟進鉆孔。

圖5 平面直角取芯鉆機組成

鉆頭跟進鉆孔操作步驟如下:第1節(jié)鉆頭進尺完成后,增加第2節(jié)鉆頭,繼續(xù)鉆孔,反復操作,直至鉆至設計孔深(見圖6),鉆孔完成后取出混凝土孔芯,再清孔。

圖6 平面直角取芯鉆機鉆頭

3.4 新支座安裝技術

鉆孔完成后,將支座位置找平、清理干凈、吹干、按原位置鋪設環(huán)氧砂漿進行調(diào)平,安裝新支座底節(jié)錨固螺栓和連接套筒,借助倒鏈將新支座拖放至原有支座位置,整體對正下鋼板中心標記線,解除新支座臨時約束,調(diào)整上鋼板位置,使其對正上鋼板中心標記線,待新支座上、下鋼板對中符合要求后,安裝注漿管和透氣孔,此時新支座本體螺栓無須受力(見圖7)。

圖7 支座安裝

新支座安裝到位后,檢查PLC系統(tǒng)同步落梁,與同步頂升過程相反,以1mm為1級,逐級回落,落梁后復測墩臺與梁底距離[9],測量支座安裝高度滿足要求。落梁合格后,利用環(huán)氧樹脂注膠機對錨固螺栓孔進行注漿(見圖8),待其凝固后擰緊新支座緊固螺栓,最后進行油漆補涂、防塵罩安裝[10]。

圖8 支座灌漿

3.5 浮筒式水上平臺搭建技術

對于水域(跨江、跨河、跨海)橋梁支座更換,使用常規(guī)水上平臺存在諸多不足,結合深圳灣公路大橋特點,設計加工了水域橋墩維修用浮筒式水上平臺,該平臺主要由型鋼龍骨、密閉式浮筒、鋼跳板、環(huán)墩繩索、手拉葫蘆及必要防護設施組成(見圖9),平臺加工完成后通過交通船托運至橋墩處固定,借助手拉葫蘆將平臺與橋墩臨時連接,該方式可根據(jù)現(xiàn)場漲落潮水位高低實現(xiàn)葫蘆鏈條長度的任意調(diào)整,有效消除漲落潮水位高差、水流等對浮筒式水上平臺結構的影響。

圖9 浮筒式水上平臺三維結構

浮筒式水上平臺結構簡單、標準化程度高、造價低、易倒用、適用性強、應用范圍較廣、具備同步多點作業(yè)優(yōu)勢,且不受墩柱形狀及地基承載力或地層限制,可有效提升施工效率、大幅降低成本并保證工期。

4 結語

某大橋為等截面預應力混凝土剛構-連續(xù)體系,標準跨徑為70m,大橋運營10年后,橋梁支座結構病害日益加劇,設計進行全部更換。針對原支座病害和錨栓錨固于混凝土構件內(nèi)情況,結合技術難點,深入研究分析、組織投入,研制的平面直角取芯鉆機有效解決了超低凈空下(低至8.9cm)鉆孔問題,新型錨固組件實現(xiàn)了低凈空下支座任意長度螺栓的錨固,梁體頂升與同步支撐,保證了不中斷交通下施工與運營安全,實現(xiàn)更換作業(yè)快速化、高效化。采用的浮筒式水上平臺技術,相比傳統(tǒng)機械,不產(chǎn)生租賃費或購置費,同時可多點同步更換作業(yè),大大降低施工成本并縮短工期。深圳灣公路大橋支座更換項目自2020年5月至2021年7月安全并順利完成全部作業(yè)內(nèi)容,相比計劃工期提前90d。