北京市四环路四惠立交桥东向北匝道桥加固施工技术

2013-03-05杨志国

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2013年1期

杨志国

(中铁十八局集团第五工程有限公司，河北高碑店 074000)

1 工程简介

北京市四惠立交是一座大型互通式立交，位于东四环与京通快速交汇处。有东向北匝道桥(2-2#)，该匝道桥为曲线梁桥，建于20 世纪90 年代末，现在桥梁梁端出现翘曲变位，内侧(小半径)上翘，外侧下沉，从最近两年观测发现，翘曲变位有所增加，须对2-2#匝道桥进行加固处理。

1．1 桥梁原结构形式

上部结构:主梁为四跨连续现浇预应力箱梁，单箱单室结构，梁高1．57 m，梁宽8．96 m，箱底宽4 m，悬臂长2．48 m。分跨为25．27 +30．5 +30．5 +25．27 m，全长111．54 m，桥宽9．2 m。

下部结构:三处中墩为圆柱独墩，直径1．5 m，墩高7．4 ～8．2 m。北侧共用墩盖梁为普通钢筋混凝土结构，盖梁高1．1 m，宽2．4 m;墩柱截面为矩形，尺寸为2 m ×1 m，四角倒角为0．4 m ×0．1 m，墩高7．1 m;南侧共用墩盖梁为等截面，宽2．4 m，高0．8 m，内设“工”字钢:墩柱为两柱，直径1 m，高6．7 m。

支座:中墩顶为抗震固盆式支座，梁端公用墩处为板式橡胶支座。

1．2 结构变位情况

(1)主梁梁端出现翘曲，内侧(小半径方向)上翘，外侧下沉。梁端与相邻段出明显高差。

(2)梁端内侧支座脱空。由于该梁体上翘，支座出现明显脱空，并产生水平位移。

(3)盖梁出现裂缝。南侧双柱盖梁“工”字钢位置出现竖向裂缝，北侧“T”型墩盖梁斜裂缝。

(4)墩柱出裂纹，个别墩柱出现不同情况的细小裂纹。

1．3 桥梁加固设计情况

1．3．1 加固原则

(1)加固设计荷载与原设计荷载相同。

(2)尽量不破除原结构。

(3)尽量减少对现况交通的影响。

(4)尽量改善结构受力状态，消除病害。

1．3．2 加固措施

(1)调整梁体姿态。截断中墩顶原限位设施及盆式支座抗拉构件;梁端须搭设临时支架，在支架顶处顶升主梁至梁端大半径方向支座落空;顶升到位后在中横梁处(大半径方向)顶升主梁至梁端调平(横坡与邻桥相同)。

(2)三中墩外包钢板，并将墩梁固接。为减少后期可变作用对主梁翘曲，将中墩与主梁的连接形式由固定支座改为固接。先将中墩外包钢板，墩底钢板用法兰与承台连接;墩顶位置主梁底安装法兰，待主梁调整就位后将墩顶与主梁通过法兰固接。

(3)盖梁外包钢板。为加强北侧公用墩盖梁，加大盖梁尺寸并外包钢板;南侧公用墩盖梁外包钢板。北侧盖梁为变截面普通钢筋混凝土结构，梁高从0．6 m 渐变到1．1 m。加固采用钢板将盖梁外包成等截面，梁高1．2 m，再在钢板内侧灌注C40 自流平混凝土。南侧盖梁为等截面盖梁，加固采用外包钢板。

(4)增设拉力设施。为防止后期支座再次脱空的可能，梁端内侧加设拉力设施。为适用梁体在温度等作用下的水平位移，拉力设施采用柔性吊杆制成。在主梁腹板外侧及盖梁外侧各焊接一钢锚箱，用PESH5-073 吊杆连接两钢锚箱，等更换盖梁顶支座并落梁后预拉吊杆，吊杆初拉力为500 kN。

(5)更换伸缩缝橡胶带。

2 桥梁加固的工作内容

本工程加固的主要内容为更换梁端支座，增设抗力设施;南侧公用墩盖梁外包钢板;北侧公用墩盖梁加大截面并外包钢板;三中墩外包钢板(内填C40 自流平混凝土)并将墩梁固接;更换伸缩缝橡胶带。

3 桥梁加固施工方法

3．1 三中墩外包钢板

3．1．1 工艺流程

三中墩外开挖至承台顶面→固定承台顶钢板→墩柱外钢板加工→切割墩顶抗震设施、墩顶凿毛清理→三中墩外包钢板。3．1．2 施工方法

(1)中墩开挖至承台顶面。中墩外开挖至承台顶面采用人工开挖。为了使保护中墩及主梁的临时支架尽量靠近墩柱，所以保护临时支架基础采取与承台顶面为同一平面，所开挖范围包括临时支架基础所占的范围。

(2)固定承台顶钢板。①开挖至承台顶面后，对承台顶面进行处理保证承台顶面平整干净。②确定锚栓位置:为减少锚栓对原结构钢筋的影响，锚栓孔间距根据实际情况做适当调整，然后确定锚栓孔的位置。③承台顶钢板加工:钢板加工在厂里加工，根据承台上预定的锚栓孔位置，在钢板上打锚栓孔。打好孔的钢板在厂里分成两半，并做好坡口，两块钢板的接缝与桥梁纵向一致。④固定承台顶钢板:承台顶钢板与预留的锚栓孔对应后先焊接，焊接时用垫块将其垫起完全焊透。焊接后先用两根对应位置的锚栓固定钢板，待中墩外包钢板就位后，将钢板上锚栓全部固定。

(3)中墩柱处理。①墩柱混凝土段:其外表进行凿毛处理，其深度不小于6 mm，保证其粗糙、平整、干净。凿毛采用水射流技术凿除水泥混凝土，通过水压和喷嘴数量控制水泥混凝土的凿除深度。施工主要设备为水泥混凝土铣刨设备，包括:高压泵1 台、铣刨机1 台等。采用水射流方式凿毛水泥混凝土的优势:作业安全，无振动，不伤害原结构;凿毛速度快捷，每台机器的凿毛速度为80 ～150 m2/h;凿毛后的界面为凹凸齿状，使新旧界面结合更紧密;凿毛时，水射流只是冲掉软弱、松散的部位，留下坚硬的部位。因此，凿毛后的界面，没有松动石子，界面上凸出的部位，是坚硬的石子和混凝土。②墩柱钢板箍段:进行除锈，采用喷砂处理。③对墩柱出现的裂缝:用裂缝修补用胶(注射剂)进行修复。

(4)墩柱钢板的加工。墩柱外钢板委托专业加工，钢板在厂里分成两半，并做好坡口，墩柱外包钢板的高度根据现场实测确定。钢板的表面处理，表面进行喷砂除锈，除锈等级为Sa2 ．5 级，然后进行喷涂防腐漆。

(5)切割墩顶抗震设施、清理墩顶。待临时支架搭设完毕后，用氧气切割墩顶抗震设施，切割完成后对墩顶混凝土进行凿毛清理。

(6)中墩外包钢板施工。①立墩柱外钢板:先在承台顶钢板上画出墩柱外钢板位置，用机械将钢板立后水平推移到拼装位置;同样的方法将另一半立起。②墩柱外钢板焊接:待墩柱外包钢板全部调整到位后，先用焊机对称点焊，然后从下到上对称焊接。③连接墩柱外钢板与承台顶钢板:在墩柱外包钢板焊接过程中，同时把承台顶钢板上的锚栓全部栓接完成。然后用三角钢板把墩柱外钢板与承台顶钢板连接。待连接完毕后用C30 混凝土将承台顶钢板加以保护。

3．2 顶升主梁

3．2．1 梁端支架搭设

(1)临时支架的布置:在中墩的内外侧各设一个支墩，内侧支墩保护墩柱及主梁，外侧支架顶升主梁调整梁体姿态，如图1 所示。

(2)临时支墩的设计:临时支墩采用四根直径50 cm 钢支柱，放置在承台顶面，钢支柱顶设置两层20#工字钢，其上铺设2 cm 的钢板，钢板上放置千斤顶，如图2 所示。

图1 中墩临时支架断面示意图

图2 端梁临时支架示意图

3．2．2 顶升主梁

(1)顶升系统的安装。将千斤顶按编号吊装到位，并按规定的工法安装传感装置。安装时注意事项:千斤顶与底座间用螺栓固定，并保证千斤顶中心与主梁腹板中心对中。按设计编号在千斤顶、液压泵之间一一对应连接管线。控制室安放在桥头，用电缆把控制信号送到顶升平台处。电气线路电缆应铺放并固定好，避免人员踩踏或硬物损伤。

(2)系统空载调试。系统安装完成后应进行试机，以保证手动、自动过程中操作与设备运行动作一一对应、正确。

(3)顶升前准备工作检查。顶升前需再次对顶升装置的液压系统、电路系统、千斤顶系统、控制与显示系统进行全面细致检查，并记录于表。清除主梁与相邻梁体之间的结构连接，确保结构上的无关荷载已去除、无拖挂、无阻碍。

(4)试顶调整。①控制所有千斤顶主顶回到起始位，进入手动顶升准备。②手动操作控制系统，适时调整泵站限压，给主梁端部千斤顶逐级顶升:第一级1 000 kN，第二级500 kN，然后按100 kN 递增，直到是梁端整体上升3 cm，同步顶升三中墩，使梁端调平(与公用墩盖梁临桥横坡相同)，中墩顶分级为100 kN，加载时应随时观测各处情况并作好记录，必要时召集有关各方分析决策。③手动加载将主梁结构提升离开支座3 cm 左右，静置24 h，期间组织人员定时对结构观测。④检查结构焊缝、结构变形是否正常。⑤检查所有设备是否正常。

(5)主梁的水平调整。手动调整千斤顶好进入新的平衡，并将此时数据作为起点，准备进入自动顶升。

(6)顶升。①启动自动顶升，系统自动运行。②在自动顶升过程中，如果各顶升点同步误差超过控制系统的设定误差，系统将自动调整;如果顶升点同步误差超过控制系统设定的最大误差，系统将自动进入紧急停机，等待调整;调整完毕，进入准顶升状态，再次启动自动顶升。③顶升过程中，观察顶升过程中同步控制误差对构件的影响;注意记录顶升过程中的油压最大、最小值，并时刻监测主梁结构状态偏移是否在规定范围内，在误差出现时应及时进行修正。④顶升过程应随时监控负荷、结构状态。⑤当主梁结构顶升到就位后，临时固定。

(7)应力监测。①2-2-1 ～2-2-3 轴各布置4 个应力测点，见图3;②2-2-0 ～2-2-4 轴主梁跨中处各布置2 个应力测点，见图4;③应力测点:将传感器支架用高强度胶粘贴在混凝土表面，然后放入传感器，拧好螺母。④主梁及桥墩应力:梁体顶升开始前，将应力测点粘贴在指定位置后，用连接线将传感器与静态电阻应变仪连接。平衡各测点后进行连续采样，采样间距为1 次/1s。⑤梁体竖向及水平位移:采用机械式百分表进行测量，人工读数。

图3 2-2-1 ～2-2-3 轴应力测点布置图

图4 2-2-0 ～2-2-4 轴主梁跨中处应力测点布置图

(8)信息反馈。在梁体顶升过程中，梁体及墩柱应力变化进行实时监测，梁体竖向和水平位移、墩柱沉降每个工况进行一次读数。数据变化情况及时反馈施工现场指挥人员。

(9)顶升过程中巡视。①梁体及墩柱的外观巡视(有无新增裂缝、原有裂缝开展情况等)。②临时支架是否稳固。③应力、位移测点的状态是否完好。发现异常立即通知现场施工指挥人员。

3．3 加固盖梁及北侧公用墩、更换支座、浇筑自流平混凝土

根据边墩盖梁受损情况，分别对边墩盖梁进行加固，南侧盖梁进行包钢板;北侧盖梁加大截面尺寸并包钢板，钢板内灌注C40 自流平混凝土。

3．3．1 南侧盖梁加固

根据南侧盖梁受损情况，盖梁四周及底部均外贴钢板。加固前先进行盖梁表面刷毛处理，深度不小于2 mm，保证其粗糙、平整、干净。根据设计位置进行打孔，然后根据孔位放样加固钢板孔位，最后进行注胶，将钢板定位粘贴，如图5 所示。

图5 南侧盖梁锚栓位置示意图(单位:cm)

M12 化学锚栓钻孔深125 mm，孔径为16 mm，有效锚固深度不小于100 mm，单锚抗拉不小于26 kN，单锚抗剪不小于28 kN。

M16 自扩底锚栓钻孔深235 mm，孔径为45 mm，有效锚固深度不小于280 mm，单锚抗拉不小于60 kN，单锚抗剪不小于90 kN。

加固钢板的施工。为了使现场施工方便，盖梁加固钢板委托专业厂家加工，到现场分块安装。

加固钢板安装:先安装盖梁底钢板，安装方法，用简易支架和倒链提升钢板，人工控制就位，用锚栓将其固定，其它钢板也采取相同方法安装。

(1)钢板表面处理。钢板粘贴面应进行除锈粗糙处理，并留锚栓孔。

(2)配制胶剂。按规定比例充分搅拌均匀。

(3)注胶施工(钢板封边及灌注结构胶)。先封边，即将注入胶嘴粘结在钢板的注人孔上，在钢板边缘插入排气管，在膨胀螺栓头上罩上盖碗，然后用钢板封边胶封闭钢板边缘，完成封边。注入胶嘴和出气孔布置为1 m 间隔。待封边胶体达到完全固化(约12 h)具有一定的强度后，再通气试压以检验钢板的封边良好，才能进厅后续灌注结构胶施工。用压力泵以0．2 ～0．4 MPa 的压力将盛于压力罐中的粘钢灌注胶经塑料导管从注入嘴灌注到钢板和混凝土的空隙中，压力应保持稳定，当排气孔冒出浆液时停止加压，以钢板封这胶堵住排气孔，再以较低压力维持约10 min，或灌注工作持续到所有排气孔均有胶液流出。在灌注过程中，用橡皮锤敲打钢板以确认是否灌注密实。

3．3．2 北侧盖梁加固

根据北侧盖梁受损情况，盖梁四周及底部均外贴钢板，并加大盖梁截面。加固前先进行盖梁表面凿毛处理，深度不小于6 mm，保证其粗糙、平整、干净。根据设计位置进行打孔，然后根据孔位放样加固钢板孔位，将钢板定位锚固，最后浇筑自流平混凝土。

墩柱加固。墩柱外包钢板。

北侧盖梁所用锚栓形式与南侧盖梁相同

3．3．3 自流平混凝土的浇筑

梁体姿态调整及落梁完成后，分别对北边墩盖梁和三中墩进行自流平混凝土浇筑。

自流平混凝土浇筑前，先进行自流平混凝土配比适配，选择合适的集料粒径和自流平混凝土的自流性。

在墩柱和盖梁上预留自流平混凝土进料孔和排气孔，排气孔设置在最高点，进料孔尽量设置在高点。利用混凝土的自流性，进料漏斗高于灌注实体最高处。浇筑过程中，用橡胶锤适当敲击墩柱和盖梁外侧钢板，提高混凝土的流动速度，不进行振捣。

3．3．4 更换支座

南侧公用墩原支座上下设有垫石，将原垫石凿除，重新现浇支座下垫石，上垫石改为钢板垫块;北侧公用墩原支座下为支座槽，将支座槽清理干净，上垫石改为钢板垫块。上钢板与主梁用胶粘接，上钢板根据梁的纵横做成楔形，保持上钢板下表面水平。

用环氧砂浆粘接新支座。

3．4 墩梁固接

(1)中墩与主梁固接。中墩与主梁固接采用三角铁，三角铁与梁底钢板和墩柱外包钢板进行焊接。

(2)落梁。支座更换验收合格后，将提升千斤顶缓慢卸压落梁到位。落梁时，注意避免碰撞支座，以保证支座位置。落梁方式亦按顶举时，同一步长步阶缓慢进行，这样有利于主梁就位准确且与支座密贴;若主梁就位不准确或与支座不密贴，应报设计和有关单位代表，查明原因，采取有效措施予以纠正后，重新调整。

(3)安装拉力设施。钢锚箱安装:锚箱钢板下料前须确定吊杆尺寸，复核钢箱尺寸与吊杆尺寸是否匹配，然后下料生产，钢板可在在工厂预先焊接，焊缝等级达到设计要求，吊杆为工厂预制，型号为PESH5-73，张拉力为500 kN，吊杆上端为固定端，下端为张拉端，待主梁落梁后张拉，利用张拉撑脚、张拉杆和连接器配合千斤顶实施张拉。完成拉力设施安装。