独柱墩桥梁抗倾覆加固施工技术应用

孙鹏旭

(山西省交通新技术发展有限公司,山西 太原 030006)

0 引 言

独柱墩桥梁因其美观简洁的外形,占地面积少等特点曾被广泛用于城市立交桥和高速公路天桥及匝道桥中,但由于独柱墩顶较窄,横桥向单点支承在汽车偏心荷载作用下,很容易造成梁体的倾覆,给桥梁的安全运行带来较大的隐患[1]。近年来,我国发生多起独柱墩桥梁梁体倾覆安全事故,引起了业内的高度重视,所以应该对独柱墩桥梁进行抗倾覆分析和加固,排除安全隐患,确保独柱墩桥梁的行车安全。

依托江西省赣州市G45大广高速公路赣定段廖坑分离立交桥,对独柱墩桥梁进行横向抗倾覆稳定验算,并采取合适的方案进行加固,为今后同类工程提供参考。

1 项目概况

赣定高速公路(赣州—定南)是G45大广(大庆—广州)高速公路的一段,也是赣粤高速公路最南端一段,是山西省“十五”交通重点建设项目。起于南康市龙岭镇,与泰和至赣州高速公路的终点相接,途经南康、信丰、龙南、定南4县(市),终于定南县赣粤交界处的野猪塘,与粤赣高速公路相接,全长126.758 km。

廖坑分离立交桥位于赣定高速公路K3045+780处。桥梁全长57 m,上部结构采用(10+2×16+10)m钢筋混凝土连续板,下部结构采用桩基础。设计荷载:汽车-20级,挂车-100级。

2 桥梁抗倾覆问题分析方法

2.1 单向受压支座脱空验算

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)4.1.8条相关要求执行,对结构按不利车道进行加载,在作用基本组合下,汽车荷载效应分项系数为1.4时验算支座是否出现负反力,从而判定单向受压支座是否保持受压状态[2]。

2.2 上部结构抗倾覆稳定性系数验算

在作用标准值组合下,桥梁的作用效应应符合下式要求[3-4]。

∑Sbk,i/∑SSk,i≥Kqf

(1)

∑Sbk,i=∑RGkili

(2)

∑Ssk,i=∑RQkili

(3)

式中:Kqf为抗倾覆稳定性系数,取2.5;∑Sbk,i为使上部结构稳定的效应设计值;∑Ssk,i为使上部结构失稳的效应设计值;li为第i个桥墩处失效支座与有效支座的支座中心间距,在倾覆失稳极限状态各桥墩仅存在一个有效支座;RGki为第i个桥墩处失效支座的永久作用反力,按全部支座有效的支承体系计算;RQki为第i个桥墩处失效支座的可变作用反力,按全部支座有效的支承体系计算。

结构计算采用桥梁结构专业分析软件《桥梁博士》V4.3进行,建立施工阶段模型,考虑施工顺序、支座沉浆、收缩徐变、温度作用等对支座反力的影响。经验算,在不利荷载下,横向抗倾覆安全系数仅为0.75,不满足规范要求的2.5,桥台支座存在脱空风险。相关验算见表1、表2。

表1 支座脱空验算表

表2 原桥墩倾覆验算表

3 独柱墩加固方案

结合建设条件要求,从经济性、施工难度、景观等方面列举以下加固方案,按照方便实施,对交通通行影响大小和造价费用进行方案选择。

3.1 方案一:设置抗拔约束装置

通过在边墩设置抗拔装置[5],避免因边支座的脱空而改变结构体系,从而达到增强桥梁横向抗倾覆性能。该方案具有构造设计几乎不影响结构原有受力模式、抗拔装置构造简单、工程规模小、施工方便、造价较小等优点,但因锚固构造及空间限制,抗拔装置的抗拔力设计值一般较小,适用范围较小。

3.2 方案二:墩柱增设钢盖梁、墩身加钢套筒

通过在两侧墩柱墩顶增设钢盖梁,墩身加钢套筒,在原设计为单支承的两侧各增设一个支座。正常恒载作用下,新增支座不参与受力。在活载作用下,发生偏载时,相应位置的新增支座才参与受力,由单支承变为多支承[6-7],加强了结构抗扭变形能力,可以保证梁体不会发生倾覆。该方案对墩柱强度要求较高,施工中涉及植筋、钢盖梁安装、增设支座等步骤,在净空满足通行条件下,造价适中,可以选用。

3.3 方案三:增加墩柱

通过增加混凝土或钢管桩柱,实现单支承变为多支承,提高桥梁的抗扭倾覆能力,同时可以改善原墩柱的受力,提高墩柱的安全性。该方案对桥下净空要求高,施工过程涉及桩基施工、混凝土浇筑或钢管安装、顶升梁体等步骤,施工周期长,造价较高[8]。

3.4 加固方案选择

廖坑分离立交桥按照两端独柱墩进行加固改造,所需工程量及考虑技术、经济和社会方面的因素,方案比选见表3。

表3 方案比选表

廖坑分离立交桥横跨大广高速主线,墩柱位于大广高速道路两侧,高速车流量大,为了便于施工,缩短工期,同时考虑景观、造价和社会影响等因素,依据上表数据,选用方案二,即墩柱增设钢盖梁、墩身加钢套筒方案。该方案施工操作便捷,可靠性高,施工质量易于控制,且保留了独柱墩结构简单、外观美观、基本不影响周边地形地物的优点。

4 独柱墩施工质量要点

(1)钢盖梁、钢套筒工厂预制加工

施工中所用钢盖梁、钢套筒全部采用在工厂内预制生产,生产时采用左右对称的半圆构件,待运至施工桥址处,现场拼装合格后焊接成一体[9-10]。

(2)墩柱表面凿毛处理

首先在墩柱顶预安装钢套筒的位置画好线,标记出安装位置,再利用小型凿毛机或者电镐凿除墩柱表面3～5 mm的厚度,露出坚硬的碎石面,并将表面松动的浮层剔除干净,最后用高压气枪吹扫表面干净,等待一段时间后,用脱脂棉沾取少量丙酮溶液将凿毛后的表面擦拭干净即可。

(3)墩柱、钢构件钻孔

墩柱钻孔前,首先用钢筋探测仪检测墩柱的主筋布置位置,钻孔应尽最大可能避开主筋,一是为了保护墩柱主筋受力不被影响,二是为了钻孔方便快捷。钻孔应按照设计要求的深度分段进行,待检查未发现异常情况,才可以继续钻进,切不可一次钻到设计深度,墩柱所有孔钻好后,对钢构件进行测量定点,采用钻孔机械对钢构件对应位置依次钻孔。

(4)安装钢盖梁、钢套筒,并植筋

安装前再次检查钢盖梁、钢套筒的内侧贴合面,对存在锈斑的采用磨光砂轮机再次打磨干净,打磨时应垂直于钢盖梁或钢套筒的受力方向,打磨干净后用脱脂棉沾少量丙酮溶液擦拭。吊装前,在梁底设置吊点,采用4套电动葫芦将钢套筒和钢盖梁对正、找平,安装锚固螺栓进行吊装,待起吊到设计位置后,检查调整并拧紧螺栓。

锚栓的施工质量属于钢盖梁加固施工的控制性因素,所以锚栓植筋前首先应做好清孔工作,使用毛刷配合空压机清孔,经检查孔壁干燥、无尘,孔深、孔径符合要求后,方可打入植筋胶,植筋胶应注满孔体积的2/3,植入锚栓后应测量其外露长度,保证符合设计要求。

(5)垫石混凝土、支座安装

钢盖梁安装好后,在盖梁顶垫石位置焊接锚固销,绑扎垫石钢筋,由于空间受限,垫石模板采用钢板焊接而成,垫石浇筑后,模板无需拆除,保留的模板可以提高垫石的强度。为加快施工进度,垫石混凝土浇筑采用高强灌浆料。混凝土达到规定强度后,安装支座,支座和垫石之间的缝隙采用薄钢板填充。

(6)配胶、封边、灌注胶黏剂

按照设计要求准备好封缝胶和灌注胶,按照材料使用说明书的要求进行胶体的配制,配置过程中计量工具要规范、准确,按照规定的比例充分搅拌均匀,先配制封缝胶将墩柱和钢套筒的底部封堵密实,再采用同类型封堵材料对钢构件表面的锚固螺栓头进行封堵,防止胶液从缝隙中渗漏流失,待封堵工作做好后,按照同样的工序配制灌注胶,待灌注胶准备好后,封边材料正好凝固,这时可以开始灌注胶黏剂。

大部分施工现场为了省时省力,灌注胶黏剂采用从墩顶倒入,由于钢盖梁和墩柱之间缝隙较小、胶黏剂的流动性较小等因素导致钢盖梁和墩柱之间的缝隙无法填充密实,将会影响灌注的效果,影响墩柱整体的受力。为避免这种问题,首先将注浆嘴按照2～3 m的间距粘结在钢板的注入孔上,再在钢板边缘插入排气管,采用注浆泵以0.2～0.4 MPa的压力将灌注胶黏剂从注浆嘴压入钢板和混凝土的空隙中,当排气孔出现浆液后停止加压,灌注工作持续到所有排气管均有胶液流出,以较低压力维持10 min以上,整个灌注过程中,用橡皮锤敲打钢板以确认是否灌注密实。

(7)表面防腐

经检验确认钢套筒黏贴固化密实效果可靠后,去除所有注浆嘴和排气孔,采用设计要求的材料对钢板表面进行防腐喷涂,防腐喷漆前一定要再次核验钢构件表面的锈蚀情况,采用打磨机或钢丝刷进行手工除锈,在湿度和温度合适的条件下,按照设计规定的防腐材料和涂层厚度进行防腐,做到喷涂面均匀、不流淌。

5 独柱墩加固效果验算

廖坑分离立交桥在1#、3#独柱墩上增设钢盖梁,将1#、3#桥墩单支座变为三支座,并尽可能增大支座间距,在此加固基础上再次采用《桥梁博士》V4.3对桥梁进行抗倾覆验算。经验算,增设支座后,桥梁的横向抗倾覆系数由原来的0.75提高至7.38,大于规范要求的2.5,支座无脱空风险。相关验算见表4、表5。

表4 支座脱空验算表

表5 加固后桥墩倾覆验算表

6 结 语

通过对廖坑分离立交桥独柱桥墩抗倾覆分析,经过方案比选,最终采用墩顶增设钢盖梁、墩身加钢套筒的加固方案,经过规范的施工,对廖坑分离立交桥独柱墩加固效果进行验证,独柱墩加固后桥墩的抗倾覆能力显著提高,消除了桥梁倾覆的隐患。该方案施工便捷可靠,可以在不中断交通的情况下快速完成施工,造价合理,外形美观,桥梁结构体系由单支承变为多支承,加强了桥梁结构抗扭变形能力,提升了桥梁结构的抗倾覆稳定能力。另外,钢盖梁、钢套筒的工厂标准化施工,既保证了施工质量,又加快了施工进度,而且钢结构后期维护费用少,对今后同类型桥梁加固提供了参考。但是此研究是限于钻孔后的墩柱不削弱原墩柱受力的基础之上,由于国内独柱墩加固施工是近两年才出现的,钻孔后的墩柱是否受影响还有待验证,后期需针对钻孔对墩柱受力的影响,适时调整和优化独柱墩加固方案,使其更加符合实际,满足要求。