狭窄地段桥梁重建方案设计

于 刚,于 娟

(济南通达公路工程有限公司,山东 济南 250200)

桥梁通常是建在河流、湖泊和海洋中,以保证车辆、行人和其他交通工具顺畅通过。为了适应现代运输工业的快速发展,桥梁也被扩展为跨越山涧、地质条件不良路段或为满足其它交通需求而建造的建筑物[1],被广泛应用到多种不同的场景中。然而由于桥梁的长时间使用,在外界环境以及车辆荷载的影响下,桥梁存在不同程度的损坏,不仅影响车辆通行的稳定性,还可能会危及行人的出行安全。为了最大程度地保证行人以及车辆在桥梁区段上的通行安全,需要对存在明显损伤的桥梁进行重建处理。然而在狭窄地段,受到地理环境的限制,给桥梁施工带来较大难度。为了能够在有限的场地内完成桥梁重建施工,需要制定具体的针对性重建方案,以期能够在不影响周围设施的情况下,以最快的速度获取最优的桥梁结构。

1 狭窄地段桥梁工程概况

以济南市东部某大桥工程为研究对象,原桥全长35 m,桥面中央设置隔离带,两侧为机动车道,主辅路设置辅路和人行道,道路全宽4.8 m,净宽为4.0 m。原桥体的上部结构为钢筋混凝土肋骨,面板为预制拼装混凝土板和水泥混凝土铺装层,下部以钻孔桩为基础,桥台为重力式桥台。桥梁座落在乡镇范围内,四面都是住宅楼,西北、西南、东北和东南四个方位上的建筑物与桥身边沿之间的距离分别为0.8、1.0、1.5、0.6 m。桥梁所处的地质环境为软土地质,在场地地面以下45 m处,按顺序分布着素填土、粉土、粉砂土,土层的厚度分别为1.0、7.0、33.0 m,土体力学性能不佳[2]。由于桥体上出现明显破损、钢筋外露和腐蚀现象,因此需要拆除重建。

2 拆除狭窄地段原桥

由于原桥处于狭窄地段,且周围为村庄,因此不能使用大型机械设备重击桥面,只能采用小型风钻配合人工凿除施工。在前期准备工作完成后,为了保证桥梁拱圈和拱顶在拆除过程中不会产生位移,从破坏严重的一侧拱脚进行拆除。在拆除拱桥破裂后,拱圈围绕拱脚向下旋转下落时受到的约束为直线约束,从而确保了整体拱圈的下降方向是垂直的。全部桥面铺装、垫层至挑梁顶面标高处,对挑梁之间已经开裂破损的垫层混凝土要做凿除处理,施工时,小型风钻应停靠在旁边稳定的地基上,不可上到拱脚顶端,以免发生翻转而影响拱脚。在清理过程中,使用小型风钻和凿岩机对破损的桥身进行粉碎,用自卸车运到指定的位置堆放。

3 确定狭窄地段桥梁重建结构

根据桥梁的受力情况确定狭窄地段桥梁的重建结构,在不同的混凝土受压高度下,桥梁正截面的承载力可以表示为

(1)

式中:Ψcon和Ψsteel分别为桥梁的抗拉和抗压强度,MPa;H为桥梁达到应变界限时的受压区高度,m;Ay和Al分别为受压和受拉钢筋的截面面积,m2;hValid为桥面的有效高度,m;εl为桥梁的允许拉应变;λ为弹性模量,Pa;h0和h分别为混凝土受压高度的上下限值,m;b为截面宽度,m;d为桥梁重心到受压区边缘的距离,m[3]。

公式(1)中变量H的计算公式如下

(2)

式中:εconcrete和εe分别为桥梁材料的极限应变和二次受力初始应变;[εy]为桥梁施工材料允许的拉应变。

通过对狭窄地段桥梁受力情况的分析,结合桥梁施工材料的基本参数,确定重建桥梁的基本结构如图1所示。

图1 桥梁重建结构图(单位:m)

桥梁重构工作中需要确定的结构参数包括桥面宽度、桥墩位置、桥台位置等,确定的桥梁桥面宽度尽量保证道路和桥梁的承载能力与交通量的增加相一致。对于新桥,应选用大跨径,其跨径应为原跨径的1.5～2倍,可减少桥墩数目,降低工程造价,增大过水段[4]。桥墩横桥的方位基本不变,顺桥的定位以顺桥为重点,应结合孔径的布局来综合考虑。

4 实现狭窄地段桥梁重建

在桥梁重建方案设计中,应在对施工场地进行全面调研的基础上,根据合理的上部结构和下部结构的施工工艺,确定最佳的结构方案。

4.1 开挖回填与预压地基

在狭窄地段桥梁重建施工过程中,开挖回填地基处理的基本原则是将劣质地基中的土壤置换为具有良好性质的填充物。在施工中,通过这种方法可以提高基础的承载力,从而有效地控制结构的沉降。在预设的施工场地,对桥面结构产生的等效载荷,会将孔隙水从地基中排出,从而使地基致密。在此项技术作业中,不会改变土壤的性质,只会使土壤更加致密,而且在施压的时候,要注意逐渐增大预压的范围,以避免在预压的时候出现土体凹陷。

4.2 支座构造与灌浆施工

支座的结构及注浆工程共分三个阶段:支座衬砌、支座组合安装、注浆。支架螺栓预留孔采用预埋PVC管孔,在支架安装之前,必须先凿开PVC管孔,然后对孔壁进行凿毛,以增强注浆剂与孔壁的结合。在进行了上表面的凿毛后,要清除孔洞和石块上的浮渣和积水。选用高强度、不收缩的特殊支承注浆材料,以达到施工的需要。它的流动性好,能够在超细缝内进行微重力注浆,且不会产生收缩而是微膨胀,从而防止支架下产生空洞;高强度、高弹性模量,可满足各种安装要求。在进行灌浆时,先将每一根螺栓孔灌入到垫石顶部2.5 cm处,再注入60 mm的间隙,直到所有的浆液都漏出。在灌浆时,用竹条或绳索前后拉紧,以利于浆料的流通,中间不能缺浆、断浆;实际注浆的高度应该稍高于或与底板的上部平面平行[5]。注浆完毕30 min后,立即进行养护,用塑料布将砂浆表面包覆,用绳索或透明胶带将其上下粘合,以防水分流失,并定期洒水保湿,保持20 d左右。注浆8 h后,将高出设计垫石5 cm处的垫石,用刮板轻轻铲到承台下钢板的位置,即设计垫石的顶部标高,并对灌浆层进行压平处理。

4.3 搭设钻孔桩

采用跳打法钻进的方式搭设钻孔桩,在狭窄地段重建桥梁中的钻孔桩布设情况,如图2所示。

图2 桥梁钻孔桩布设示意图

在桩基附近设置泥浆池,并在某一段进行回收。用搅拌机搅拌泥浆,现场测试泥浆性能。在钻孔达到设计深度后,应立即采取抽碴、吸泥等方法清孔,并对孔径、孔深、孔形、垂直度及孔底地质条件与设计一致性进行判断用于调整。

4.4 狭窄地段桥梁植筋

狭窄地段重建桥梁植筋的目的是提升桥梁的稳定性,植入钢筋的抗剪能力设计值为

(3)

式中:Kbond和Kz分别为粘结系数和有效作用系数;μ为摩擦系数;ηp为植入钢筋相应于截面的配筋率,%;χsteel和χconcrete分别为钢筋和桥面混凝土的抗压强度设计值,MPa。

将满足抗剪能力要求的钢筋以绑扎的形式植入到桥梁内部,钢筋按照设计图纸在狭窄地段下料,运输至工地进行钢筋绑扎,钢筋间距、尺寸、接头应符合设计及有关技术规范。在进行基材焊接时,应注意连接的数目,在相同的断面上,连接的数目不得多于30%,而且焊缝的位置必须是弯曲的,以确保在相同的轴线上[6]。由于顶板钢筋必须在内部模板安装完毕后才能进行,为了节省施工时间,必须提前将顶板钢筋绑扎成形,并将齿板和钢筋都提前绑扎好,等内模组装好后,将钢筋网固定到位,然后进行整体绑扎。

4.5 设置后浇带与桥面防水层

后浇带是在桥梁面板等超长建筑工程中,临时预留的临时变形缝,按设计施工需要,经一段时间后进行填充、封堵,使其成为一个整体。设置后浇带,是为了在后浇带关闭之前,使其更自由地干缩,并充分利用其前期收缩的特性,将大部分的干缩应力释放出去,减小了混凝土干缩引起的张应力,从而更好地控制裂缝。在重建的桥面上设置两层防水层,分别使用FTY-2桥面防水剂和FTY-1桥面防水剂,确保防水剂能渗透到桥面混凝土10 mm以下。对混凝土桥面的防水涂料也要有较好的附着力,以确保沥青路面的附着力,同时也要保证桥面的紧密性。在防水层的粘接后,不能有夹带空气的情况下,其抗渗率必须>0.3 MPa。

除此之外,根据水利水文计算的结果,对桥梁和下游河岸、河床的保护进行了研究,对于重点排水渠道,要与水利部门进行综合整治。通常,为了防止或减轻桥位和下游段的水流冲刷,应在桥位及下游一定长度的河段中进行全覆盖,并设截水墙、跌水等措施,以防止或减轻水流冲刷,尤其是为了防止新、老桥墩的并存而造成局部冲刷,从而保证桥梁的安全。

5 狭窄地段桥梁重建方案实测分析

将提出的狭窄地段桥梁重建方案应用到该工程中,得出对应的重建施工结果,根据当地的实际桥梁使用需求,对重建桥梁的应用风险、重建工期等参数进行测试,并通过与预设值的比较,判断提出的狭窄地段桥梁重建方案是否能够达到预期效果。

5.1 布设重建桥梁测点

布设测点的目的是获取重建桥梁各个节点的实时位置,从而判断桥梁在使用过程中是否存在变形情况。分别在桥面、桥梁、桥墩等位置上设置测点,保证任意两个测点之间的距离不超过5 m,且不低于1 m。根据测点布设规则和桥梁几何结构的重建情况,确定布设的测点数量为62个,按照空间规律对布设测点进行编号处理。在布设的测点位置上安装钢弦式应变计,用来检测在拉伸和受压情况下的桥梁的应变值。最终通过无线网络将应变计设备与主测计算机连接,保证实时采集的应变数据能够及时上传给分析终端。

5.2 选择测试内容与指标

此次实测试验分别从重建效果和重建成本两个方面进行测试,设置重建桥梁平均变形量作为重建效果的量化测试指标,其数值结果如下

(4)

式中:变量ζi为第i个测点的实际变形量,可通过测点位置上安装的应变计直接得出数值结果,mm;Nmea为重建桥梁上设置的测点数量,取值为常数,个。

另外,重建成本的量化计算指标设置为桥梁重建工期Trec和重建费用C,具体的计算公式可以表示为

(5)

式中:tcompleted和tstart分别为桥梁竣工时间和起始重建时间;Cbody、Cpier、CSupport、Cabutment和Cprotect分别为桥体、桥墩、支座、桥台和防护的建设费用,元。

为了保证狭窄地段桥梁重建方案在实际工程中的应用效果,要求重建桥梁平均变形量≤2 mm,重建工期≤24个月,重建费用≤50万。

5.3 实测过程与结果分析

在狭窄地段桥梁重建方案执行之前,切断总干渠上游水源,施工期间不再通水,故将施工场地布设在总干渠内。在施工区上下游修筑围堰排干渠内多余积水,并开设排水沟,及时排除地表雨水和地下渗水。在保证水、电供应正常的情况下,通过原桥拆除、结构计算等步骤,完成桥梁重建施工。在重建竣工7 d后,允许车辆与行人通行,经过3个月、6个月、12个月的使用,得到各个测点的变形统计情况,如表1所示。

表1 狭窄地段桥梁重建效果测试结果 单位:mm

将表1中的数据代入到公式(4)中,计算得出不同使用时间下,桥梁平均变形量分别为0.288、0.513、0.825 mm,均<2 mm。另外桥梁重建成本的计算结果如图3所示。

图3 狭窄地段桥梁重建成本计算结果

经过公式(5)的计算,得出狭窄地段桥梁重建方案的重建工期和重建费用分别为16.7个月和32.6万元,均低于预设值。

6 结 语

桥梁在狭窄地段中起着重要的作用,周围环境的限制给桥梁的施工带来较大难度。在此次研究中,以济南市东部某大桥为研究对象,提出采用小型风钻配合人工凿除的方法拆除原桥,根据桥梁的受力情况确定桥梁的重建结构。通过开挖回填与预压地基、支座构造与灌浆施工、搭设钻孔桩、植筋等步骤,实现狭窄地段桥梁重建施工。从试验结果中可以看出,设计的桥梁重建方案能够较好地解决狭窄地段桥梁施工难、工期长、投入大等问题。