跨海大桥超低净空嵌锚式支座快速更换技术研究.pdf

2023 年 10 月下第 52 卷 第 20 期施工技术(中英文)CONSTRUCTION TECHNOLOGY61 DOI:10.7672/sgjs2023200061跨海大桥超低净空嵌锚式支座快速更换技术研究王永鹏1,2,贠棋红1,2(1.中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司,湖北 武汉430074;2.桥梁智能与绿色建造全国重点实验室,湖北 武汉 430074)摘要 某大桥为等截面预应力混凝土刚构-连续体系,标准跨径为 70m。全桥支座为球形钢支座,最小支座高度仅为 8.9cm,支座锚栓均采用永久性地脚锚栓锚固方式(嵌锚式支座)。2016 年经过检测,该桥梁支座均出现不同程度滑板磨损开裂、锚固螺栓干涉、位移超限等病害,需全部更换。但受限于旧支座锚栓为地脚螺栓锚固方式,新支座安装存在旧支座螺栓无法重新使用、超低净空下需异位重新钻孔及低净空长锚栓植入等技术难题,国内尚属首次。以该桥支座更换难点为背景,提出针对性解决技术并得到成功应用。结果表明,该系统化技术可大幅缩短工期和降低成本。关键词 桥梁工程;支座;水上平台;钻机;锚固;更换中图分类号 U445文献标识码 A文章编号 2097-0897(2023)20-0061-05Rapid Replacement Technology of Ultra-low HeadroomEmbedded Anchor Bearing of Sea-crossing BridgeWANG Yongpeng1,2,YUN Qihong1,2(1.Wuhan Bridge Special Technology Co.,Ltd.of China Railway Major Bridge Engineering Group Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430074,China;2.State Key Laboratory for Health and Safety ofBridge Structures,Wuhan,Hubei 430074,China)Abstract:A bridge is a constant-section prestressed concrete rigid frame-continuous system with astandard span of 70m.The full bridge bearing of the bridge is a spherical steel bearing,and the minimumbearing height is only 8.9cm.The bolts all adopt the permanent anchor bolt anchoring method(embeddedanchor bearing).In 2016,the bridge bearing was tested to have various degrees of sliding plate wear andcracking,anchor bolt interference,displacement exceeding the limit and other diseases,all designs arereplaced.However,due to the fact that the old support anchor bolts are anchor bolts,the old supportbolts cannot be reused when the new support is installed,and the ultra-low headroom needs to be re-drilled off-site,and the low headroom is long.It is the first time in China that there are many technicalproblems,such as anchor bolt placement.This paper takes the difficult problem of the bridge bearingreplacement as the background,and proposes a targeted solution technology and has been successfullyapplied.The results show that this systematic technology can greatly reduce the construction period andcost of the project.Keywords:bridges;bearings;water platform;drilling rig;anchorage;replacement作者简介 王永鹏,工程师,国家一级注册建造师,国家注册监理工程师,E-mail:632021891 收稿日期 2023-01-201 工程概况 某大桥全长 5.5km,由深圳与香港共建,其中深圳侧总长 2.04km,大桥总宽 38.6m,为双向 6 车道。大桥在水中支座及以下部分,由内地承担管理工作,其余部分由香港方进行管理。大桥深圳侧包括通航孔桥、非通航孔桥和接线匝道桥。通航孔桥为独塔单索面全焊接加劲钢箱梁斜拉桥,桥跨布置为180m+90m+75m,非通航孔桥和接线匝道桥为双幅分离的等截面预应力混凝土刚构-连续体系,标准跨径为 70m。该桥于 2003 年动工建设,2007 年建成通车。62 施工技术(中英文)第 52 卷全桥 133 个支座符合 GB/T 179552000球型支座技术条件要求,曲线外侧设置多向活动支座,曲线内侧设置纵向活动支座,型号为 QZ2000 QZ22000,最重达 3.1t,支座高度为 8.9 26cm。2016 年经检测发现,大多支座出现了位移超限、螺栓干涉(变位受阻)、四氟板磨损、锈蚀开裂病害1(见图 1),导致支座传力功能失效,设计将该类病害支座进行更换2-3,以恢复其结构功能。图 1 支座螺栓干涉及滑移超限病害Fig.1 Bearing bolt interference and slipoverrun disease经过现场勘察,大桥支座采用永久性锚栓结构,将螺栓锚固定于混凝土构件内的结构方式(嵌锚式支座),该种支座在不中断交通条件下更换时存在以下技术难题:受净高限制,锚固螺栓需割除后方可将旧支座拆除,新支座锚固孔受原支座地脚螺栓影响,无法满足原位钻孔要求,需异位重新钻孔;受支座垫石至梁底超低净空(本桥净空低至 8.9cm)的影响,常规取芯钻孔机即使通过改制降低其自身高度,也无法适用于超低净空下的使用条件;即使在超低净空下成功钻取了支座锚固孔,但支座孔锚固深度(17cm)一般远大于支座本体高度,如何将新支座螺栓放入锚固孔内,也是一大难点。另外,对于长、大水域桥梁,一般桥面交通繁重、线路长、桥墩多、分布范围广,传统操作平台受搭设工程量大、施工缓慢、成本高、占用桥面交通等不利因素影响,对于桥梁小、中修支座更换工程来说,无法同时满足不占用桥面交通、快速施工、多点同步作业等要求。为此,设计制作新型水上平台,以兼顾工期、成本和以上需求是非常重要的技术研究指标。2 病害成因分析及更换方案技术研究2.1 成因分析 1)支座不锈钢板和聚四氟乙烯滑板破坏、滑板滑出和过度磨损位移超限或转动超限造成支座顶离,滑板偶对面局部受力和接触变位;支座安装时过早解除临时锁定装置,体系转换时带离滑板脱离圈置约束;材料劣质、焊接质量差等。2)支座位移超限 桥墩偏位,结构伸缩位移偏大,支座位移选择值偏小,支座类型不满足曲线梁变位要求,造成支座横向位移超限;安装时未考虑温度补偿,要求支座安装时温度为当地极端气温中间值,未进行纵向位移调整等。3)转角超限 安装时支座未调平或放置不平,发生转动等;位移超限导致支座移动至极限位置;结构挠度偏大,支座转动设计值偏小等。4)支座钢件严重变形和破损支座变位超限顶离,承垫石质量差,支点沉降,支座钢结构质量差等。2.2 更换方案技术研究 针对支座病害、现场结构勘察结果,通过深入分析研发,制定专有性支座更换方案。通过优化新支座结构解决了原支座地脚螺栓处无法钻孔的问题。研制的平面直角取芯钻机有效攻克超低净空(低至 8.9cm)下的钻孔难题。新型锚固组件实现了当锚固深度大于操作净空时桥梁支座的锚固操作;采用水域桥墩维修用浮筒式水上平台,解决了常规水上平台搭建工期长、成本高、占用桥面交通等问题。综合以上研究,总结出系统化桥梁超低净空嵌锚式支座更换技术。3 嵌锚式支座更换研究技术3.1 新支座结构优化技术 1)新支座本体结构优化针对原有支座螺栓不可继续使用且螺栓处无法钻孔及滑移超限的问题,设计了通过扩大新支座上板、增大允许滑移量,使新支座螺栓孔位外移的技术(见图 2)。新支座钻孔时,保证其钻孔孔径与旧螺栓间平面净距 20mm,避免钻机刀头切到旧螺栓而卡钻。2)支座锚固件优化由于新支座孔锚固深度远大于支座本体高度,致使常规支座锚固螺栓无法放入孔内,为解决该难题,研究制作了接长型锚固组件,通过连接套筒、螺杆形成分节结构,分段放入孔内,连接套筒内设限位卡,保证支座本体螺栓与锚固螺栓拧紧长度满足设计要求(见图 3),该设计可实现支座任意长度螺栓锚固;优化后的新支座锚固螺栓为套筒式结构,便于后期维养和更换。3.2 不中断交通下梁体顶升与同步支撑技术 1)旧支座拆除 桥梁顶升前放松旧支座螺母,顶升后使支座脱空,通过外力使支座上板脱离梁体,然后割除旧支座螺栓,分别取出旧支座上钢板、2023 No.20王永鹏等:跨海大桥超低净空嵌锚式支座快速更换技术研究63 图 2 新旧支座螺栓孔位区位及三维效果Fig.2 New and old bearing bolt hole location andthree-dimensional effect图 3 锚固组件Fig.3 Anchorage components球冠、下钢板(见图 4),各拆卸构件吊装至新型水上浮筒式平台。图 4 旧支座拆除Fig.4 Removal of old bearing2)顶升与同步支撑 桥梁同步顶升时,对于多联跨整浇、预制的连续箱梁采用整联分段线性同步顶升法4,对于 T 梁、空心板梁和小箱梁等中小跨径(20m)简支梁桥采用直接顶升法5。梁体顶升采用大体积液压泵站及 PLC 液压同步顶升控制系统。梁体同步顶升要点如下。1)顶升前标记支座中心线、设置监控点,调试 PLC 顶升控制系统。2)试顶升 试顶升时,在专业人员统一指挥下将所有千斤顶缓慢加压至顶升力 50%,持荷 5min,观察状态无误后落顶;然后千斤顶同时起顶至梁体抬高 1mm,持荷 10min,观察千斤顶活塞活动情况及管线运行情况,如一切正常,将千斤顶卸载回初始状态,准备正式顶升。3)正式顶升 通过顶升力和顶升量双控,分级顶升,顶升速度3mm/3min,监测点同步误差控制在1mm,以 1mm 为单位进行,每顶升 1mm,检查支座是否脱空,支座全部脱空后正式顶升结束,进入持压状态6。4)允许顶升高度 尽量小且15mm。5)同步顶升后,千斤顶自锁保压,同时在旧支座拆除完成后,其原位置处同步设置临时支撑7,以保证桥梁运营状态结构受力安全8。3.3 超低净空下新支座锚固孔钻设技术 旧支座拆除后,标记中心线,通过精确测量确定新支座螺栓孔位,采用平面直角取芯钻机进行钻孔。通过液压油泵,带动外部传动轴旋转,然后通过钻机机身内部皮带传动系统,带动内部传动轴旋转(见图 5),实现钻头跟进钻孔。图 5 平面直角取芯钻机组成Fig.5 Composition of plan right angle coringdrilling rig钻头跟进钻孔操作步骤如下:第 1 节钻头进尺完成后,增加第 2 节钻头,继续钻孔,反复操作,直至钻至设计孔深(见图 6),钻孔完成后取出混凝土孔芯,再清孔。3.4 新支座安装技术 钻孔完成后,将支座位置找平、清理干净、吹干、按原位置铺设环氧砂浆进行调平,安装新支座64 施工技术(中英文)第 52 卷图 6 平面直角取芯钻机钻头Fig.6 Drilling bit of plan right anglecoring drilling rig底节锚固螺栓和连接套筒,借助倒链将新支座拖放至原有支座位置,整体对正下钢板中心标记线,解除新支座临时约束,调整上钢板位置,使其对正上钢板中心标记线,待新支座上、下钢板对中符合要求后,安装注浆管和透气孔,此时新支座本体螺栓无须受力(见图 7)。图 7 支座安装Fig.7 Installation of bearing新支座安装到位后,检查 PLC 系统同步落梁,与同步顶升过程相反,以 1mm 为 1 级,逐级回落,落梁后复测墩台与梁底距离9,测量支座安装高度满足要求。落梁合格后,利用环氧树脂注胶机对锚固螺栓孔进行注浆(见图 8),待其凝固后拧紧新支座紧固螺栓,最后进行油漆补涂、防尘罩安装10。图 8 支座灌浆Fig.8 Grouting of bearing3.5 浮筒式水上平台搭建技术 对于水域(跨江、跨河、跨海)桥梁支座更换,使用常规水上平台存在诸多不足,结合深圳湾公路大桥特点,设计加工了水域桥墩维修用浮筒式水上平台,该平台主要由型钢龙骨、密闭式浮筒、钢跳板、环墩绳索、手拉葫芦及必要防护设施组成(见图 9),平台加工完成后通过交通船托运至桥墩处固定,借助手拉葫芦将平台与桥墩临时连接,该方式可根据现场涨落潮水位高低实现葫芦链条长度的任意调整,有效消除涨落潮水位高差、水流等对浮筒式水上平台结构的影响。图 9 浮筒式水上平台三维结构Fig.9 Three-dimensional structure of pontoonwater platform浮筒式水上平台结构简单、标准化程度高、造价低、易倒用、适用性强、应用范围较广、具备同步多点作业优势,且不受墩柱形状及地基承载力或地层限制,可有效提升施工效率、大幅降低成本并保证工期。4 结语 某大桥为等截面预应力混凝土刚构-连续体系,标准跨径为 70m,大桥运营 10 年后,桥梁支座结构病害日益加剧,设计进行全部更换。针对原支座病害和锚栓锚固于混凝土构件内情况,结合技术难点,深入研究分析、组织投入,研制的平面直角取芯钻机有效解决了超低净空下(低至 8.9cm)钻孔问题,新型锚固组件实现了低净空下支座任意长度螺栓的锚固,梁体顶升与同步支撑,保证了不中断交通下施工与运营安全,实现更换作业快速化、高效化。采用的浮筒式水上平台技术,相比传统机械,不产生租赁费或购置费,同时可多点同步更换作业,大大降低施工成本并缩短工期。深圳湾公路大桥支座更换项目自 2020 年 5 月至 2021 年 7 月安全2023 No.20王永鹏等:跨海大桥超低净空嵌锚式支座快速更换技术研究65 并顺利完成全部作业内容,相比计划工期提前 90d。参考文献:1 杨党旗.华强立交 A 匝道独柱曲线梁桥病害分析及加固J.桥梁建设,2003(2):58-61.YANG D Q.Disease analysis and reinforcement of single columncurved beam bridge on ramp A of Huaqiang interchange J.Bridge construction,2003(2):58-61.2 张志安.多跨大型连续梁桥支座更换技术研究J.施工技术,2012,41(23):29-31.ZHANG Z A.Research on bearing replacement technology ofmulti-span largecontinuousgirderbridge J.Constructiontechnology,2012,41(23):29-31.3 陈建华,金德,陈琛.某在役高架桥支座更换设计与施工J.世界桥梁,2020,48(4):86-91.CHEN J H,JIN D,CHEN C.Design and construction 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