山区高速公路大纵坡桥梁墩顶严重偏移等病害分析及应对措施

朱万勇

(河北省交通规划设计院 石家庄市 050011)

近几年来，我国山区高速建设里程日益增加。因受复杂地形、地质条件的限制，山区高速公路高墩大纵坡桥梁所占比例较大。在日常管理养护中，多有发现该类桥梁伸缩墩墩顶位移超限、支座滑移、梁体在盖梁上的搁置长度发生较大变化的情况，这些病害对结构的安全性、耐久性以及正常使用性能造成不利影响。在分析上述病害原因的基础上，介绍了相应的处置措施，提出了该类桥梁设计中一些改进方法。

1 工程概况

某山区高速公路桥梁上部结构采用27×40m装配式预应力连续T梁，下部结构采用柱式墩台，基础采用钻孔灌注桩基础。全桥共分为7联。桥台处采用D80型伸缩缝，结合墩处采用D160型伸缩缝。桥梁支座采用盆式橡胶支座。桥梁纵坡为3.8%，桥梁最大墩高为23.5m。

桥梁单幅桥宽12m，横向由6片T梁组成。T梁梁高2.5m。下部结构横向设为2柱，墩高小于12m时，柱径1.6m，桩径1.8m；墩高大于12m小于25m时，柱径1.8m，桩径2.0m。

2 主要病害

在桥梁运营检测时发现的主要病害如下：

(1)左幅13#、17#及右幅15#、19#盖梁墩柱均有不同程度较大的纵向偏位，偏位方向为上坡方向，墩柱下部存在不同程度的半环向裂缝。

(2)伸缩端支座均不同程度受损、滑动失效。

(3)支座上下钢板存在夹角，施工未平置，最大水平夹角3.1°。

左幅13#墩顶支座最大位移量38cm，右幅15#墩顶支座最大位移量25cm。支座均已滑动剪切偏压破坏。伸缩墩处两侧梁端与盖梁的搭接长度相差较大，均为上坡方向搭接长度大，下坡方向搭接长度小。由于支座滑移量较大导致左幅14-2#、14-5#梁梁端封锚部分剥落。

3 病害原因分析

调查发现，支座未完全按照设计位置安装，支座横桥向安装位置并不在一条直线上，部分支座安装位置靠近盖梁端部，部分支座顶板中心与垫石中心不重合，导致上部构造荷载产生额外偏心，并改变了支座容许滑移量。而施工中伸缩端梁底调平钢板未能水平设置，上部结构在重力作用下产生的水平推力是造成上述病害的主要原因，而每个温度变化周期都加重了上述病害。具体分析如下：

由图3、图4可知，当梁底水平放置时，上部结构的重力竖直向下，不会产生水平推力，而当梁底未水平放置时，在其重力作用下会对下部结构产生大小为G×cosθ×sinθ的水平推力(G为上部结构重力)。而由于梁底与支座部分接触，易造成支座局部受压而导致支座破坏，且伸缩墩上的支座为滑动支座，梁体与支座间的摩擦力相对较小。当伸缩墩较高时，其抗推刚度较小，在梁体的水平推力下会产生向上坡方向较大偏位，支座会发生较大滑移。通车运营后，汽车荷载的作用同样会加重这一病害。

墩顶盖梁承受的水平推力在墩柱下部产生较大的弯矩，从而造成一些桥墩下部产生了半环向裂缝。

由于支座在偏载作用下形成“楔子”并发生滑移，梁体向下坡方向滑动较容易，而向上滑动时会拉(推)着下部结构向上坡方向偏位。如图5所示，在气温下降时，上下两联梁体分别向各联中心方向收缩，梁体2较容易地向下收缩滑动，而梁体1会拉着下部结构向上坡方向偏位。同理，如图6所示，在气温升高时，梁体1较容易地向下伸长滑动，而梁体2会推着下部结构向上坡方向偏位。由此可见，在温度作用下，伸缩墩的偏位会逐步增大，严重威胁桥梁运营安全。

以上分析说明造成桥墩偏位的因素包括：支座安装不水平、支座安装缺陷(一排支座安装向前偏位)、汽车制动力、温度荷载。在桥墩偏位的过程中，由于超过了支座最大允许位移，造成了最初的支座破坏。在桥梁不断受力不断累积的作用下使支座破坏得到演变发展，支座的病害演变对墩顶偏位有促进作用。

4 处置措施

根据病害情况，确定如下主要处置内容：墩柱纠偏复位、支座垫石修复、支座更换、封锚端修复、墩身加固。施工主要流程为：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、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、封锚修复、桩基及墩身加固、验收及后期监测。

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。施工平台必须保证足够的强度、刚度及稳定性。竖向千斤顶设置于T梁横隔梁与梁肋间，在千斤顶与墩柱顶及千斤顶与梁底接触面之间加垫钢板。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。顶升施工中，全部采用PLC多点同步控制液压系统。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。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；纠偏过程中，根据监测数据及其分析，随时调整纠偏力大小。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。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。

5 设计对策

在公路项目设计期间，布设路线时，可结合当地地形、控制点，尽量避免桥梁区域路线纵坡大于3%，当不可避免设置较大纵坡时，可采用如下措施避免或降低上述病害。

(1)预制梁伸缩端梁底采用楔形块调平。以往设计中大都采用调平钢板调平梁底，施工中难以控制，很难保证梁底水平，采用梁底楔形块一定程度上克服了这一问题，有利于从根本上避免上述病害。

(2)设计分联时尽量避免将最高的桥墩做为伸缩墩。桥墩越高，其抗推刚度越小，在水平力作用下会产生较大偏位。选用较矮的桥墩做为伸缩墩有助于降低病害。

(3)当不可避免选用较高的桥墩做为伸缩墩时，伸缩墩可选用空心薄壁墩。空心薄壁墩刚度和承载能力远大于柱式墩，在同样的水平推力作用下，其纵向偏位会小得多。另外采用空心薄壁墩，使得一联中的温度变化零点向伸缩墩偏移，减小了梁体的伸缩长度，减缓了病害发展。

(4)适当增大伸缩墩盖梁宽度。适当增大伸缩墩盖梁宽度一方面降低了落梁风险，另一方面提供了处置病害安装千斤顶等设备的空间，便于桥梁的维护。

(5)伸缩墩支座选取最大允许位移较大的型号。避免桥墩第一次产生大偏位时，上支座盖板下的不锈钢垫板边缘滑移到钢盆内，从而保证支座全截面受压。

(6)在连续墩上设置纵向挡块分担水平推力，限制伸缩墩偏位。

6 结语

在山区高速公路高墩大纵坡桥梁中，由于预制梁梁底调平钢板底面未能调整至水平，造成了梁体对下部结构较大的水平推力，伸缩墩纵向偏位等病害多有发生。本案例通过顶推复位、更换支座后，经过一段时间试运营，桥墩未再出现异常状况。桥墩纠偏施工难度大，工程费用也非常可观。为避免类似情况出现，设计之初就应采取相应对策，施工当中应加强控制，严格按设计要求设置支座，保证预制梁梁底调平钢板底面水平放置，并加强墩顶位移及伸缩墩处梁体支撑宽度监测，发现问题及时处理。