李 青

（河南省公路工程局集團(tuán)有限公司, 河南， 鄭州 450048）

鄭州西南繞城高速須水河支溝橋加固施工關(guān)鍵技術(shù)

李 青

（河南省公路工程局集團(tuán)有限公司, 河南， 鄭州 450048）

文章結(jié)合須水河支溝橋搶修加固工程，對橋墩托換加固的關(guān)鍵技術(shù)和施工難點(diǎn)進(jìn)行了分析與研究，并通過數(shù)值模擬分析驗(yàn)證了加固方案的可行性和安全性，可供類似橋梁加固工程參考。

橋梁工程；加固方案；受力分析；關(guān)鍵技術(shù)

由于橋梁所處環(huán)境的復(fù)雜性，不可避免地會出現(xiàn)各種橋梁安全事故，包括自然因素如地震、洪水等導(dǎo)致的橋梁坍塌［1］，也有人為因素如火災(zāi)、車輛撞擊等造成的橋梁損傷［2］。本文以2014-07發(fā)生于鄭州市西南繞城高速須水河支溝橋的橋梁應(yīng)急事故為例，對橋墩托換加固施工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1 工程概況

須水河支溝橋位于鄭州西繞城高速公路，橋梁全長226.88 m，結(jié)構(gòu)形式為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁橋結(jié)構(gòu)，跨徑組合為 5×20+6×20 m。采用雙幅布置，單幅橋?qū)挒?6.5 m，單幅橫向由5片小箱梁組成，箱梁梁高1.2 m。橋梁下部為樁柱式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)樁徑1.5 m，樁長38 m，柱徑1.2 m，最高立柱高度達(dá)13.5 m。地質(zhì)條件為黏土或粉質(zhì)土、下有卵石夾層。橋梁縱橫斷面如圖1和圖2所示。

2014-07-07，由于西側(cè)傾倒的大量建筑垃圾，將橋梁其中一幅最外側(cè)立柱傾斜壓斷，導(dǎo)致發(fā)生安全事故，由于出事橋梁交通量非常大，為保證交通暢通和安全，急需對橋梁進(jìn)行搶修。

圖1 橋梁立面圖

圖2 橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2 橋梁加固方案分析

2.1 橋梁病害狀況

事故橋梁經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，橋梁西側(cè)地面標(biāo)高，因堆積填土和建筑垃圾，比原設(shè)計(jì)地面標(biāo)高高出約5 m左右。橋梁6×20 m 跨的P6墩右幅橋梁最外側(cè)立柱，因荷載過大出現(xiàn)傾斜斷裂，導(dǎo)致上部橋面結(jié)構(gòu)下陷，嚴(yán)重阻礙了交通通行。檢測還發(fā)現(xiàn)，除直接承受外部荷載的立柱折斷外，蓋梁外側(cè)出現(xiàn)明顯變形和開裂，支座出現(xiàn)托空，同時中立柱和上部小箱梁均出現(xiàn)不同程度的裂縫。

根據(jù)病害檢測和事后分析可知，外側(cè)立柱的折損，不僅導(dǎo)致蓋梁、主梁出現(xiàn)不同程度的開裂和下?lián)希€通過內(nèi)力重分布，使P6墩其余2根立柱受力狀態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)部分壓碎和環(huán)向裂縫（見圖3）。由此可以判斷，該橋處于較為危險的狀況，如果不立刻進(jìn)行搶修加固，不僅影響正常通行，還存在承載能力失效的風(fēng)險。

2.2 加固方案

如前所述，橋梁由于P6墩已有一根立柱折損，其余2根立柱也受損嚴(yán)重。若只更換折斷立柱，不僅新舊立柱無法共同受力，且由于蓋梁也發(fā)生開裂和下?lián)献冃危瑹o法徹底根治病害，所以決定采用裂縫修補(bǔ)和橋墩托換技術(shù)對受損橋梁進(jìn)行加固［3-8］，將3根立柱和受損蓋梁全部更換。

圖3 西半幅6號墩病害示意圖

按照“先穩(wěn)后換”的思路，加固方案擬采用橋下擴(kuò)大基礎(chǔ)+鋼立柱+工字鋼橫梁+千斤頂?shù)匿摴芘R時支撐方案，利用千斤頂將梁體頂起，拆掉受損的立柱和蓋梁，再在原位置處現(xiàn)澆新立柱和蓋梁。待到立柱和蓋梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，緩慢落梁到新立柱和蓋梁上，拆除臨時支撐。

臨時支撐結(jié)構(gòu)中鋼立柱采用直徑630 mm、壁厚16 mm的Q345鋼管，工字鋼橫梁采用Q345的63C工字鋼（630 mm×180 mm×17 mm），2根并置焊接。鋼管立柱之間采用Q235方形鋼管（160 mm×130 mm× 18 mm）作為水平和斜向支撐連接系。

2.3 加固方案驗(yàn)算

（1）模型建立

橋梁主體結(jié)構(gòu)采用梁格法建模［9-12］，主梁單元數(shù)為240，虛擬橫梁單元數(shù)為294。主梁混凝土為C50，橋墩和蓋梁為C30混凝土，也采用梁元模擬，一片蓋梁單元數(shù)為14，一個橋墩的單元數(shù)為11，混凝土容重統(tǒng)一取為25 kN/m3。支座采用只受壓單元模擬，主梁和支座頂之間、支座底與蓋梁之間均采用共用節(jié)點(diǎn)，橋墩底部自由度全部約束。

臨時支撐結(jié)構(gòu)中各組件均采用梁單元模擬。鋼立柱單元數(shù)為100，工字鋼橫梁單元數(shù)為12，鋼管立柱之間水平和斜向支撐單元數(shù)為105。工字鋼頂部與底部采用完全連接，鋼立柱底部自由度全部約束。模型如圖4所示。

圖4 加固施工數(shù)值模型圖

由于加固施工屬于短暫狀況，施工期間又采取車輛限行措施，加固施工的一幅橋梁沒有車輛通行，所以不需要考慮車輛活載。由于施工荷載的大小和位置是已知的，風(fēng)險較小，故恒載系數(shù)取1.1，施工荷載系數(shù)取1.2。所以，荷載組合取（自重+二恒）×1.1+預(yù)應(yīng)力×1.0+施工荷載×1.2。

計(jì)算分為2步，首先計(jì)算梁體頂升到位時主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力，第2步將模型中得到的千斤頂最大支反力798.4 kN，反加到支撐結(jié)構(gòu)對應(yīng)位置，計(jì)算臨時支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

（2）主梁抗裂性驗(yàn)算

由于主梁受到鋼立柱上千斤頂?shù)捻斏饔茫軗p墩柱左右兩跨邊主梁受力最為不利，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在受損蓋梁附近主梁的上緣位置，其在短暫狀況效應(yīng)組合下應(yīng)滿足：σ≤0.70σtk=0.7×2.65=1.855 MPa，其中，σtk為C50混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

計(jì)算所得最大拉應(yīng)力為1.75 MPa，小于1.855 MPa，所以主梁在施工中不會開裂，且主要以受壓為主。

（3）臨時支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50017—2003），鋼管的穩(wěn)定性驗(yàn)算如下。

構(gòu)件長細(xì)比為：

式中：A為鋼立柱截面積；L為鋼立柱長度。

鋼立柱屬于a類鋼管截面，根據(jù)長細(xì)比查表得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.977，而計(jì)算所得鋼立柱所受軸向力N為1 600.3 kN。則鋼管應(yīng)力為：

臨時支撐滿足承載力要求。由于工字鋼橫梁所受荷載幾乎是直接傳遞到鋼立柱上，故以局部受力為主，驗(yàn)算也滿足要求。

（4）鋼立柱擴(kuò)大基礎(chǔ)驗(yàn)算

擴(kuò)大基礎(chǔ)橫橋向長15 m，縱橋向?qū)?.5 m，高1.5 m，鋼管內(nèi)灌砂注水。一個擴(kuò)大基礎(chǔ)上有5根鋼立柱，相當(dāng)于每根鋼立柱所使用的擴(kuò)大基礎(chǔ)長3 m，寬2.5 m，高1.5 m，鋼立柱直徑為0.63 m。

為保守計(jì)算，假設(shè)擴(kuò)大基礎(chǔ)為素混凝土，型號為C30。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）規(guī)定，擴(kuò)大基礎(chǔ)按局部承壓構(gòu)件驗(yàn)算（見圖5），其混凝土抗裂性驗(yàn)算和局部抗壓承載力計(jì)算如下：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.0；Fld為局部受壓面積上的局部壓力設(shè)計(jì)值，根據(jù)上述計(jì)算，取1 600.3 kN；ηs為混凝土局部承壓修正系數(shù)，取1.0；β為混凝土局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù)；Ab為局部承壓時計(jì)算底面積；fcd為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取13.8 MPa；A1n為混凝土局部受壓面積，A1n=Al，計(jì)入在鋼墊板中按45°剛性角擴(kuò)大的面積。

圖5 臨時支撐結(jié)構(gòu)模型圖

具體參數(shù)計(jì)算如下：

①擴(kuò)大基礎(chǔ)混凝土抗裂性驗(yàn)算：

故擴(kuò)大基礎(chǔ)抗裂性驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

②擴(kuò)大基礎(chǔ)混凝土局部抗壓承載力驗(yàn)算：

即擴(kuò)大基礎(chǔ)局部抗壓承載力也滿足規(guī)范要求。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 施工重點(diǎn)與難點(diǎn)

根據(jù)橋梁實(shí)際狀況，搶修過程中存在下述重點(diǎn)和難點(diǎn)：

（1）加固季節(jié)正處于雨季，橋梁處于該路段凹曲線最低點(diǎn)，橋下有深約5～7 m的流動性淤泥，須先將淤泥清除，并采取有效排水措施。

（2）橋梁最外側(cè)立柱已完全失效，其余立柱、蓋梁以及梁體均出現(xiàn)不同程度的破壞，在清淤過程中存在立柱周圍受力不平衡和機(jī)械與結(jié)構(gòu)物發(fā)生碰撞的風(fēng)險，故必須安裝臨時斜撐。

（3）橋下施工空間狹窄，橋下總體施工難度偏大。

3.2 搶修施工關(guān)鍵技術(shù)

（1）清淤卸載及臨時支撐施工

為保證橋下施工的安全，需首先對蓋梁進(jìn)行臨時支撐。支撐方式為在橋梁外側(cè)施工鉆孔灌注樁以及樁基承臺，在承臺上設(shè)置斜向鋼立柱對蓋梁進(jìn)行臨時支撐。建筑垃圾清除時，開挖深度現(xiàn)場確定，采用分級放坡，邊開挖邊逐層換填，同時邊施工邊監(jiān)測，保證受損結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（2）主梁臨時支撐施工［13］

主梁臨時支撐采用橋下擴(kuò)大基礎(chǔ)+鋼立柱+工字鋼橫梁+千斤頂?shù)闹畏桨?。具體施工工藝為：

①在開挖基坑全部范圍內(nèi)滿鋪90 cm后碎石墊層，用挖掘機(jī)配合人工，分3層壓實(shí)；

②在碎石墊層上澆注20 cm厚C30混凝土墊層；

③在墊層上進(jìn)行鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)的施工；

④在擴(kuò)大基礎(chǔ)上安裝鋼管立柱，鋼立柱采用14 mm厚Ф630 mm無縫鋼管，并在立柱中間高度設(shè)置水平支撐連接系；

⑤在立柱頂設(shè)置柱頂卡板，吊裝支撐橫梁，橫梁采用2根63C工字鋼并放對焊；

⑥工字鋼頂面與梁底之間采用鋼板結(jié)合千斤頂支撐，千斤頂數(shù)量與橡膠支座數(shù)量相同。

（3）主梁頂升

為完成受損墩柱的更換工作，在鑿除受損前需依托臨時支撐頂升主梁。采用整體頂升方案，具體為在臨時支撐的工字鋼橫梁對應(yīng)主梁腹板位置分布放置千斤頂，即單片主梁采用雙千斤頂頂升，千斤頂橫向布置同原來的支座。采用相同型號的千斤頂和同一油泵供油，頂升過程采用緩慢、分級加載、周期性頂升方案，在頂升的過程中以頂升位移量作為控制指標(biāo)。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)頂升量時，千斤頂自動鎖死，并定期做好沉降觀測工作。千斤頂具體布置如圖6所示。

圖6 千斤頂布置圖

（4）受損結(jié)構(gòu)拆除

依托主梁臨時支撐，對主梁進(jìn)行臨時頂升，并按照自上至下的順序逐步拆除蓋梁和立柱。考慮到吊裝空間有限，蓋梁采用人工鑿除施工。

采用抱箍臨時支撐的拆除方案。在每個立柱上平均安裝3個抱箍，每個立柱抱箍之間用方形鋼管進(jìn)行橫向連接和斜向連接，如圖7所示，由上至下逐層拆除立柱和相應(yīng)的抱箍支撐。

圖7 立柱橫向連接示意圖

（5） 新立柱施工及體系轉(zhuǎn)換

為了保證新施工立柱鋼筋和樁基既有鋼筋的連接，鑿除受損系梁，并更換原有受損鋼筋，錯開搭接，并在新立柱鋼筋綁扎前澆筑完成。由于立柱施工空間有限，混凝土采用分段立模、分段澆筑和振搗。

因橋下空間有限，無法搭設(shè)蓋梁施工支架，橋墩蓋梁澆筑在立柱模板拆除后進(jìn)行。采用無支架抱箍法施工工藝，抱箍內(nèi)側(cè)增加土工布，增加摩阻力，抱箍安裝后在其頂面放置鋼砂桶，并架設(shè)工字鋼橫梁作為蓋梁模板的支撐面。

蓋梁頂面距箱梁底面距離僅有約40 cm，操作空間非常狹小。待墊石模板安裝完成后，將拌合混凝土運(yùn)至蓋梁頂面后人工放至墊石模板內(nèi)并調(diào)平。待新立柱和蓋梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定強(qiáng)度、支座安裝及調(diào)平完成后，臨時支撐千斤頂回油，梁體落至支座，完成體系轉(zhuǎn)換，并拆除臨時支撐。

（6） 施工監(jiān)控

為確保大橋在搶修過程中的施工安全，頂升和拆除受損結(jié)構(gòu)時，對梁體縱向和橫橋向變形進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控結(jié)果顯示，同一截面處的相鄰小箱梁的橫向位移差和縱向位移差均小于1mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 加固后橋梁內(nèi)力分析

3.3.1 模型建立

采用梁格法建模，主梁、蓋梁、橋墩以及材料和模型參數(shù)均同圖前。加固后結(jié)構(gòu)主要考慮新建支墩與舊墩之間的不均勻沉降工況。持久狀況荷載組合中考慮自重、二恒、預(yù)應(yīng)力、移動荷載和墩底沉降。

（1）正常使用極限狀態(tài)頻遇組合為：（自重+二恒）×1.0+預(yù)應(yīng)力×1.0+車輛荷載×0.67+墩底沉降× 1.0。

（2）正常使用極限狀態(tài)準(zhǔn)永久組合為：（自重+二恒）×1.0+預(yù)應(yīng)力×1.0+車輛荷載×0.38+墩底沉降× 1.0。

（3）承載能力極限狀態(tài)組合為：（自重+二恒）× 1.2+預(yù)應(yīng)力×1.0+車輛荷載×1.4+墩底沉降×0.5。

3.3.2 上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

（1） 主梁受力分析

P5墩到P7墩之間邊主梁的內(nèi)力如圖8所示，最大正彎矩1 321 MPa，最大負(fù)彎矩1 016 MPa，遠(yuǎn)未超出小箱梁的承載能力。

圖8 邊主梁彎矩圖

圖9為正常使用狀態(tài)下實(shí)際梁中最大拉應(yīng)力，位置在梁底靠近P6墩附近，是軸力和豎彎矩二者產(chǎn)生拉應(yīng)力的疊加。正常使用極限狀態(tài)頻遇和準(zhǔn)永久組合下，梁底最大拉應(yīng)力值分別為1.45 MPa和1.39 MPa，梁體一般不會開裂，且從圖中還可看出梁段絕大部分均處在受壓狀態(tài)，應(yīng)力水平較低。

表1為受損狀態(tài)和加固后模擬得到的梁體最大拉應(yīng)力，可以看出加固后，主梁梁體內(nèi)最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于開裂時的應(yīng)力，替換柱墩效果明顯。

圖9 邊主梁梁底應(yīng)力圖

表1 加固前后主梁梁底拉應(yīng)力對比 MPa

（2） 新建蓋梁受力分析

圖10為正常使用極限狀態(tài)頻遇和準(zhǔn)永久組合下，新建P6墩處的蓋梁應(yīng)力變化，其最大拉應(yīng)力分別為0.7 MPa和0.5 MPa，不會開裂。承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算也滿足要求。

圖10 蓋梁底應(yīng)力圖

3.3.3 主梁開裂和撓度驗(yàn)算

（1）抗裂性驗(yàn)算

①對于預(yù)制小箱梁，短期效應(yīng)組合下正截面混凝土拉應(yīng)力應(yīng)滿足：

式中：σst為短期荷載效應(yīng)下抗裂驗(yàn)算邊緣混凝土法向拉應(yīng)力，為1.45 MPa；ftk為C50混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；σpc為扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力在抗裂驗(yàn)算邊緣產(chǎn)生的混凝土預(yù)壓力，為5.37 MPa。

②對于預(yù)制小箱梁，長期效應(yīng)組合下正截面混凝土拉應(yīng)力應(yīng)滿足：

式中：σlt為長期期荷載效應(yīng)下抗裂驗(yàn)算邊緣混凝土法向拉應(yīng)力，為1.39 MPa。

（2）撓度驗(yàn)算

主梁最大撓度需滿足：

邊跨跨中最大撓度為6.1 mm，即

其中，ηθ為考慮荷載長期效應(yīng)的撓度長期增長系數(shù)。

計(jì)算可知位移驗(yàn)算滿足要求，綜上所述，加固后結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)使用要求。

4 結(jié)論

本文提出了適合須水河支溝橋的加固方案，并對其加固過程進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析，驗(yàn)證了加固方案的可行性，指出了施工中的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)對措施；最后，對加固后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，驗(yàn)算了主梁的抗裂性和位移，證明了加固措施的合理性，對類似加固施工工程具有很好的借鑒意義。

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［14］JTG/TF50—2011公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范［S］.

Key Technology for Strengthening Construction of Xushui River Bridge in the Southwest Circle Expressway of Zhengzhou

Li Qing
（Henan Province Highway Engineering Bureau Group Co., Ltd, zhengzhou 450048, China）

Based on bridge reinforcement construction of Xushui river bridge, the underpinning key technologies and construction difficult points of bridge piers are analyzed and discussed, the feasibility and security of reinforcement scheme are verified by numerical simulation. The technology can provide reference for similar bridge reforcement engineering.

Bridge engineering; strengthening scheme; stress analysis; key technology

U445.72

B

1672-9889（2016）05-0043-05

2016-06-30）

李青（1972-），女，河南汝南人，高級工程師，主要從事公路施工與管理工作。