某大桥墩柱纠偏设计及施工小结

原国华

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 工程概况

某大桥通车于2010年9月，该桥为连续小箱梁结构（五跨一联），跨度25 m，桥宽12 m，桥面净宽11 m。横桥方向由4片小箱梁构成，纵桥方向设有3道横隔板，分别在支点和跨中。U型片石混凝土圬工桥台，桥台高7 m，基础位于完整的基岩上；桥墩为钢筋混凝土矩形实心墩和双阶扩大基础，墩高25～32 m不等，基础置于沟底基岩之上，大桥桥位图见图1。

图1 大桥桥位图

2 桥梁病害现状

由于受5号桥台位置右侧约25 m高的大体积弃方土的不平衡土压力及土—墩侧摩阻力长期作用，导致4号墩向3号墩方向发生偏移,具体为顺桥方向偏移近60 cm、横桥方向偏移10 cm。

清除弃土方3个月后，在纠偏实施前缓慢恢复至顺桥向偏倾44.9 cm、横桥向偏移6.3 cm位置。为保证桥梁安全运营，必须将桥梁倾斜量纠正到原位。

墩柱偏位还引起了以下一系列直观的影响：

a）4号墩墩顶的8块φ350×75普通橡胶支座层解破坏、挤压脱落以及部分垫块碎裂。

b）由于梁体端横隔板与各梁间限位挡块挤压，导致7块限位挡块破损、碎裂较为严重。

c）限位挡块的侧向力致使第五跨桥跨形成向左偏移，也导致了5号台联端伸缩缝橡胶条撕毁、墩台护墙断面错位。

d）4号墩顶桥面标高线形轻微下挠。

桥梁病害典型图片见图2～图5。

图2 4号墩柱周围弃土

图3 解除土压稳定后桥跨与桥台偏位差

图4 支座与垫块病害情况

图5 挡块病害情况

3 桥梁病害分析

根据4号墩墩身偏位情况,需调查墩柱自身有无相关联的严重结构损伤；其次应调查基础是否存在重要隐患；最后需调查桥面系、桥跨结构是否因桥墩偏位产生了联动影响，具体分析如下：

a）移除4号墩周侧土，在4号墩墩身根部检查后未发现塑性铰区段出现横向裂缝或混凝土压溃病害，初步判断桥墩自身具有良好的弹塑性和延性工作状态。

b）开挖4号墩扩大基础顶覆土，露出一阶基础顶面棱角点 Hi，其 4点高程偏差 Δmax校正为3.2 mm。消除可控范围内的不均匀沉降影响与基础顶面施工平整度影响，初步判断桥墩基础及地基基本未受此次偏压土的影响。

c）第五跨桥跨虽有偏移，但4号墩墩顶梁间和现浇连续段未发现裂缝和混凝土破损病害，未发现端横隔板新增裂缝；4号墩顶桥面标高虽有一定下挠，但关联桥跨桥面铺装未发现异常开裂；5号台顶伸缩缝橡胶条虽已损毁，但伸缩空间满足要求。

初步判断桥墩偏移未对桥跨结构、桥面系产生大的影响，实施墩柱纠偏的方案为4号墩梁体顶升→设置移位系统→设置锚碇系统→装配牵引系统施加反向土推力纠偏等系列工作。

4 纠偏方案设计

4.1 梁体顶升计算和设备布置[1]

若只考虑恒载和Δ=10 mm的基础变位影响，盖梁顶最大支反力为5 778 kN；在不中断交通的情况下，需计入汽车荷载和汽车冲击力870.5 kN，合计Q=6 648.5 kN。拟准备n=16台千斤顶及m=8部百分表（如图6），千斤顶额定设计值：

为安全可控起见，本项目移位系统未采用滚轴系统而使用了滑移系统。

图6 千斤顶及百分表布置图

4.2 纠偏力计算[2]

计算考虑汽车作用力和变形附加应力可得墩顶最大反力为677.7 t，滑移系统（四氟滑板—不锈钢板）在硅脂作用下摩阻系数按0.1考虑，桥跨梁体考虑静定的情况下，墩柱纠偏所需外力大于68 t。

4.3 钢丝绳安全验算

受现场限制，各导链（牵引系统）牵引力和墩柱偏移方向可能存在微量的夹角 （已在设置锚固点时尽量避免），设置6对20 t导链连接地锚进行侧向牵引纠偏，4对10 t导链连接侧墙锚杆顺桥位纠偏，2对5 t导链连接台背锚杆顺桥位纠偏。

通过导链牵引φ36.5（6×37+1）的钢丝绳对墩柱进行纠偏。φ36.5的钢丝绳破坏拉力SP=φS0=0.82×π×（1.7/2）2×6×37×1 570/1 000=791.0 kN.

每根钢丝绳所承受的最大牵引力按Sm=20 t（以导链控制）考虑，则安全系数 n=SP/gSm=791.0/（9.81×20）=4.03，基本满足需要。

4.4 锚杆力计算

本项目纠偏用锚固系统结合墩柱偏位方向和现场状况，采用了锚杆式和锚碇式2种类型的锚固方式，其中以锚碇式为主，锚杆式为辅。

锚杆及锚碇拉杆均采用PSB785级φ25预应力精轧螺纹钢筋，其标准抗力：

锚杆锚固深度：

Nt为锚杆受到的拉力标准值，f为锚固体和岩石间的黏结力特征值，d为成孔直径，d≥50 mm+φ25或 d ≥3φ25。

地锚抗拔力为：

相对于外力向上的垂直分力［Q］约存在1.57倍的安全系数，满足使用要求。

图7 锚杆抗拔力验算参数设置图

5 纠偏实施监控控制

5.1 测点布设

纠偏过程中在该矩形墩四周侧立面竖向轴心处设置16个监控测点，其中在墩身顺桥向中心竖轴自上而下分别设置 cd1（cd1＇）、cd2（cd2＇）、cd3（cd3＇）、cd4（cd4＇）4对测点，在墩身横桥桥向中心竖轴自上而下分别设置 cd5 （cd5＇）、cd6 （cd6＇）、cd7（cd7＇）、cd8（cd8＇）4 对测点。

图8 纠偏力系布置图

图9 纠偏测点布置图

5.2 监控过程控制

a）根据持力过程中变形监测数据分析，墩柱有轻微扭转，但柱体处于较好的弹性变形状态。

b）在导链2×20 t力的作用下，可打破其初始力的平衡（S1与桥轴线夹角8.7°，S2夹角17.8°）。

c）每次纠偏实施后，未发现新发育裂缝。

d）纠偏实施加力阶段为30min，持荷阶段120min，每一个纠偏循环150 min；每天实施4次纠偏，持荷90 min后采集数据。

归位位移稳定后，重新顶升一次同时调整四氟滑板支座滑移系统，再进行后续若干次持荷纠偏。

在实际纠偏操作中，共进行了20次正位纠偏，使顺桥向纠正 38.2 cm（cd1测点）、横桥向纠正5.4 cm（cd5测点），基本恢复到弃土作用前的状态。

考虑墩柱材料在长期的附加荷载作用下的变形迟滞效应和塑性铰区段应力重分布下的残余变形，需进行一定程度的超量纠偏，解除纠偏荷载后保证其恢复到理想位置。

8次超量纠偏进行后，顺桥向cd1测点最大超量纠偏位移+7.09 cm，横桥向cd5测点最大超量纠偏位移为+1.0 cm。

超量纠偏整个过程，墩柱处于良好变形协调状态，亦未发现新发育裂缝和质量、安全隐患。持荷2天，使基底应力与墩柱自身重新调整分布。

最大超量纠偏持荷48 h后，针对S1～S12纠偏荷载分批分对进行缓松。每批对6对纠偏荷载松荷，每对松荷5 min，合计一个批次松荷30 min、稳定60 min，即每90 min为一个松荷过程；全阶段共18个松荷过程。在超量纠偏松荷过程中，监控其接近墩柱原位（未倾偏之前）时，停止松荷，进行梁体顶升，移除纠偏滑移系统，更换为原桥设计要求的普通橡胶支座以限制其归位趋势。

5.3 监控小结

a）解除超量纠偏荷载S1～S12约束，监测其稳定后，顺桥向最大偏移量为-0.52 cm，横桥向最大偏移量为-0.07 cm，纠偏达到预期效果。

b）纠偏过程和持荷稳定阶段未发现柱体有新裂缝出现，墩柱结构性稳定。

c）各对应测点位移矢量接近线性变化趋势，表明柱体在整个加载纠偏和松荷归位过程中拥有良好的变形协调能力。

d）监测全过程未发现异常数据，均在可控范围之内。

6 施工总结

a）纠偏控制技术包括纠偏作用的施加、加强和抑制以及对回倾趋势的强制终止等。纠偏过程中必须满足“平稳、线性、安全”3个基本要求。

b）纠偏控制的主要内容是纠偏目标、纠偏速率、纠偏方向等。

c）纠偏目标控制直接关系到纠偏实施顺利与否和纠偏的成败，如果控制不当，可能导致破坏临界平衡而失稳，也可能“矫枉过正”。

d）纠偏速率控制是对目标的归位速率进行限定，通过纠偏荷载的集中加强或抑制来实现，既不能过快也不能过慢。

e）纠偏方向控制是对目标物的回倾方向进行限定，通过纠偏荷载的分散施加、加强或抑制来调整目标物的回归路线，保证纠偏目标的快速实现。

f）纠偏工程相关规范还不健全，主要靠技术管理人员经验和责任心，现场对目标现状及纠偏动态进行监测、控制和调整。

g）为了取得比较理想的纠偏效果,针对不同的工程实际,应该在探明目标物偏位原因的基础上选择相应的顶升、纠偏、移位甚至辅助加固技术。