大跨径连续梁桥纵向顶推复位施工技术-文档.doc

大跨径连续梁桥纵向顶推复位施工技术-文档

大跨径连续梁桥纵向顶推复位施工技术

　　一、前言
　　随着中国经济的快速发展，中国的桥梁建设也取得了巨大成绩。截止目前，全国共有各类桥梁约62万座。其中大跨径连续梁桥也得到了大量应用。但是，随着运营时间的推移，有的大跨径连续梁出现了各种病害，例如：纵向移位。当纵向位移过大时，将出现梁端伸缩缝顶死，支座错位严重、制动墩出现剪切裂缝等病害，甚至发生梁端混凝土挤压破碎、梁端支座失效等严重后果。针对以上问题，笔者试图结合施工经验并配合结构受力分析来总结大跨径连续梁桥纵向顶推复位技术。
　　二、依托工程
　　陕西省某座横跨黄河的连续梁桥，上部结构为（5×30+5×30）m装配式预应力混凝土连续箱梁（陕西引桥）+（50+4×80+50）m现浇预应力混凝土连续梁（主桥）+（4×25＋4×25）m现浇钢筋混凝土连续箱梁（山西引桥）。下部结构为桩柱式墩（引桥），薄壁墩（主桥），肋式台，钻孔灌注桩基础。其中主桥中墩（13#墩）为固结墩，起制动作用，其余主墩为支座墩，设有大型盆式支座。其中山西段引桥位于小半径平曲线上。
　　目前，该桥已运营了十余年，由于长期受重载交通的影响，主桥出现了向山西方向较大的纵向位移，并导致制动墩（13#墩）顶出现了45度方向剪切斜裂缝，最大裂缝宽度达到了0.8mm。山西方向主引桥间伸缩缝严重顶死，并导致伸缩缝型钢破坏。各支座墩与过渡墩顶盆式支座均出现了不同程度的上下钢板错位现象。详见表1所示。
　　表1 主桥纵向偏位情况调查统计表
　　由表1实测数据进行分析，可得到主桥纵向偏位控制数据，见表2所示：
　　表2 主桥复位控制标准表
　　备注 伸缩缝偏差=（陕西端伸缩缝宽度-山西端伸缩缝宽度）÷2；
　　支座相对错动偏差为大小桩号两个墩的平均值；
　　中墩垂直度偏差为13#墩顶中心与墩底中心的投影距离差；
　　平均值为各项偏差数据的算术平均值。
　　三、纵向移位原因分析
　　从表1可以看出：
　　① 伸缩缝陕西端宽度为30.6cm，山西端宽度为20.7cm，陕西端比山西端宽度大了9.9cm，说明主桥整体向山西方向偏移了4.95cm（假定伸缩缝安装的时候其宽度是一致的）；
　　② 各墩顶支座上下钢板错动情况，由陕西端的10#墩最大17cm，到山西端的16#墩最小-5cm，各墩支座错动程度依次减小。
　　分析以上现象，结合本桥的结构特点与施工工艺，可以初步判断主桥产生纵向偏位的原因为：
　　（1）主桥施工方案与施工工艺
　　本桥主桥采用挂篮悬臂施工工艺，其中11#、12#、14#、15#主墩为支座墩，过程采用临时固结工艺，13#墩为固结墩，在悬浇过程中均为墩梁固结的单“T”结构。由于各支座墩在支座安装时无法准确预估合拢时间和合拢温度，因此也就无法根据合拢温度与设计温度的偏差来提前对支座进行相应的预偏处理，也就是说支座在安装时其上下钢板应该是严格对齐的。最终主桥成桥必然要经过多次合拢过程。根据结构受力分析结果，主桥在合拢过程中各墩顶支座上钢板必然会随主梁发生向13#墩（主桥中墩）的偏移，而不同的合拢顺序也会导致各墩顶支座上钢板偏移不一致，10#和16#墩梁端位移最大，11#和15#墩次之，12#和14#主墩最小。也就是说，在全桥合拢完成时，各支座墩支座上下钢板即发生了向靠近13#墩方向的错动，这时13#墩应保持垂直状态。
　　（2）温度影响
　　主桥在降温（相对于合拢温度）作用下发生收缩，再加上合拢过程中主梁变形引起的支座上下钢板错动，两者叠加，将会导致各支座墩支座上钢板远离13#墩侧的锚固螺栓被剪断，这时13#墩仍应保持垂直状态。
　　（3）梁端伸缩缝垃圾严重堵塞与温度共同作用
　　主桥陕西端伸缩缝破坏严重，加之前几年大量超载的运煤车在经过伸缩缝时将煤抛洒严重，并顺伸缩缝间隙下漏将陕西端主桥与引桥梁端严重堵塞。当主桥在低温时陕西端梁端被垃圾严重堵塞，在高温主梁伸长时，由于陕西端梁端已被垃圾堵塞，无法自由伸长，势必将导致主桥向山西方向发生偏移。经过多年反复的的恶性循环，主桥向山西方向的偏位越来越严重，并最终导致了13#固结墩因墩顶强迫位移过大而产生了斜裂缝！而14#、15#和16#墩支座上下钢板因成桥时向府谷方向发生了错动，当主桥向保德方向发生偏移后，其错动明显减小，其中15#墩顶目前刚好恢复到初始安装状态，16#墩支座目前仍处于向府谷方向错动状态。
　　四、纵向顶推复位施工方案
　　4.1 基本思路
　　由表2结果可以看出，主桥向山西方向偏移了5.05cm，13#主墩发生了严重的斜向剪切裂缝，且山西端伸缩缝已经严重顶死并破坏。因此必须对主桥进行复位施工。
　　由于山西方向引桥位于小半径平曲线上，因此无法实现利用引桥传递至桥台上来提供主桥纵向顶推的反力。且主桥自重比引桥自重大的多，所引起的摩擦反力也比引桥大的多，若利用引桥的摩擦阻力和桥台抗力来提供主桥纵向顶推的反力，将会导致主桥还没有开始复位时引桥就已经发生偏位了。
　　主桥纵向顶推复位的阻力主要为各支座位置的摩擦阻力与13#固结墩抗推阻力。由于11#、12#、14#、15#主墩与13#主墩原设计抗推刚度分别一样，且13#墩目前存在斜裂缝，其刚度有所降低，故顶推过程中11#、12#、14#、15#主墩与13号主墩的纵向变形比应小于1：4，基本可以确保13#墩复位后11#、12#、14#、15#主墩也不会发生较大的变形（约为9mm左右）。因此可以考虑利用11#、12#、14#、15#支座主墩的刚度来提供主桥纵向复位顶推反力，必要时可在山西方向主梁端采用反力架利用16#过渡墩的抗剪能力来提供一部分顶推反力。
　　4.2 顶推过程阻力计算
　　（1）支座摩擦阻力
　　主桥10～12、14～16孔恒载自重为112432kN，保守计算，每个支座墩顶最大竖向反力为28108kN，考虑到施工过程不封闭交通，每个墩顶再考虑8辆重车荷载共计6400 kN，则每个墩顶总重为34508 kN。由于本桥所位地区冬季温度很低，故其支座采用的是耐寒型支座，其摩擦系数在添加5201硅脂润滑后仍达到约6%。即每个墩顶的摩阻力为34508×0.06=2070.5kN，总的摩阻力为2070.5×4=8282 kN。
　　（2）13#固结墩弹性阻力
　　由于本桥处于纵向偏位状态已达数年之久，13#主墩开裂后其应力已进行重分布，重新处于平衡状态，但考虑到墩顶斜裂缝的存在，其刚度有所降低，故其刚度按50%进行折减，采用MIDAS/CIVIL（V7.8.0）结构分析软件进行分析计算，13#墩恢复到原位时，其墩顶需施加约9000kN的水平推力。
　　以由上两部分阻力计算可得出，主桥纵向复位的顶推力合计为：
　　8282+9000=17282kN，即1728.2吨。
　　4.3 顶推复位施工方案
　　由于顶推属于短暂状况过程临时荷载，而规范限值均考虑了一定的荷载持续时间，具有一定的安全储备系数，因此，本桥在顶推过程中墩身安全状态的标准可按规范中的限值标准进行控制，即不超过规范中的标准强度，不考虑安全系数。根据以上标准，以顶推过程中主墩不开裂为前提，可换算得到每个主墩可承受的最大水平顶推力为3400 kN，四个主墩共可提供顶推反力：3400×4=13600kN，小于17282kN的阻力。因此必须采取措施将阻力降至17282 kN以下。
　　由于11#、12#、14#、15#墩顶采用的耐寒型支座，其摩擦系数达到了0.06，而常温型支座其摩擦系数只有0.03，经对优质的常温型四氟滑板与不锈钢板间（注5201硅脂）的摩擦系数进行实验室实测，最小的可以达到约0.01。也就是说，如果在原耐寒型支座间再加入一层常温型四氟滑板和一层不锈钢板，可将其摩擦阻力降至原来的六分之一！这时各个主墩承受的反力为：34508×0.01×4+9000=10380kN，小于四个主墩可承受的最大水平顶推力—13600 kN。
　　考虑到13#主墩刚度按50%进行折减有可能折减过多，为确保顶推施工一次成功，除在11#、12#、14#、15#墩顶施加水平顶推力外，可在山西方向梁端加工一套反力架，利用过渡墩（16#墩）抗剪能力来提供水平顶推反力，其方案如下图所示。
　　图1 梁端顶推反力架示意图
　　反力架作用原理为：
　　利用过渡墩（16#墩）抗剪能力来提供纵向位移的抗力，利用锚固在墩底的锚固压块将中横梁和中纵梁压住，实现对支架在顶推时产生的沿立柱向上位移的限位，利用前横梁并通过其下铺设的大块钢板将反力架前端产生的向下的反力传递给桥下路面来承担，最终实现在主梁端施加顶推力。
　　本套反力架可提供反力6000kN，结合11#、12#、14#、15#墩身可提供的反力，总共可提供反力为3400×4+6000=19600 kN
　　通过同时在11#、12#、14#、15#墩顶和在山西方向梁端施加水平顶推力，可以确保主桥纵向顶推复位顺利实现。
　　根据上述论证结果，确定主梁顶推的工艺流程为：
　　准备工作→梁端伸缩缝杂物清理，支座修复，安装顶推锚固块，拼焊梁端反力架→各墩逐墩顶升，安装常温型四氟滑板不锈钢板→同时在11#、12#、14#、15#墩顶和山西方向梁端施加水平顶推力进行分级同步纵向顶推复位，同步进行监测→顶推到位后复测各主墩垂直度与主桥两端伸缩缝宽度→各墩逐墩顶升，拆除滑动装置，主梁就位→13#墩外包混凝土加固→拆除顶推装置锚固块和梁端反力架→钢构件防腐处理与结构外观修复。
　　限于篇幅此处不详细介绍施工步骤了。
　　五、纵向顶推复位结果
　　经过前期周密的施工准备后，本桥于2012年8月中旬成功实现了主桥纵向复位。现场根据设计单位的意见，最终实现了顶推复位3.7cm（为控制值5.05 cm的73%），顶推力合计12000kN（为最大反力19600 kN的61%），与前期分析基本吻合。
　　六、纵向顶推复位施工技术总结
　　通过对本桥纵向偏位的成功复位施工，可总结出大跨径连续梁桥纵向顶推复位施工技术如下：
　　（1）认真调查了解并分析主梁纵向偏位的原因；
　　（2）确定纵向复位的控制标准；
　　（3）根据纵向偏位的原因并结合主梁的结构型式选用合理的施工方案：
　　① 当无引桥或虽有引桥但引桥位于平直线上时，可利用桥台作为纵向水平顶推的反力，必要时需对桥台进行加固处理；
　　② 当引桥位于小半径平曲线上时，可利用各支座墩墩身刚度来提供纵向顶推水平反力，但需要经过结构分析计算确定主墩在不出现裂缝状态下可提供的最大反力，以免使主墩因承受过大的水平推力而发生开裂，影响结构耐久性，甚至影响结构安全；
　　③ 当各主墩所能提供的水平反力不足以克服阻力时，可根据桥梁结构型式，对较矮的墩身进行临时加固以增强其水平反力；
　　④ 当以上方案仍不能满足要求时，可将原主梁顶起，以减小支座间的摩阻力，从而减小顶推的阻力；
　　⑤ 必要时可因地制宜的采用反力架等各种有效形式增强顶推反力。
　　（4）必须保证顶推力是阻力的2倍以上，并有预案；
　　（5）对顶推所用的千斤必须进行标定，以方便掌握实际的顶推力与实测位移之间的对应关系，借以判断顶推过程是否正常；
　　（6）顶推过程必须保持各顶推点同步顶推，并采取可靠的监控措施；
　　（7）必须对施工人员进行技术交底，必要时进行演练使所有参与人员熟悉施工流程和相互间的配合关系。

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