某环形异形桥偏位及牛腿支座病害加固设计

黄筱淇，曾天宝

(南昌市城市规划设计研究总院，江西 南昌 330038)

0 引言

连续曲线梁桥在预应力、温度效应、车辆行驶、收缩和徐变等作用下会产生侧向变形，这种位移不能完全及时恢复，在荷载作用下随时间的增长而积累，刘柱国通过计算得出温度作用对主梁偏位影响最大，设置合理的支撑方式是限制梁体平面的关键因素。周亮研究发现桥梁偏位后其结构朝不利于自身方向发展。李琦通过有限元计算发现伸缩缝的堵死或堵塞改变桥梁的边界约束，会引起桥梁在温度作用下“爬行”，偏移量增大；吕宏奎等对某小半径曲线梁桥偏位成因分析发现，伸缩缝失效是主要成因，通过拆除伸缩缝、清除伸缩缝槽口内杂物后进行单点顶升横向复位，重新安装伸缩缝和对桥墩基础加固后桥梁运营正常。带匝道环形异形桥比曲线梁桥变形受力更复杂，牛腿内支座不能正常工作导致主桥偏位，带动匝道一起偏转，衍生出桥墩开裂、支座剪坏等病害。某工程加固设计桥梁体形结构复杂、内容多、难度大且不能中断白天交通，因此，有必要对该加固流程和加固方案进行详细阐述，为类似工程设计和施工提供参考依据。

1 工程概况

坛子口立交桥建于1993年，位于南昌市解放西路和井冈山大道的交叉口，1层为解放西路下穿道，2层为现地面标高的井冈山大道和解放西路，3层为半径34m的两半圆接37m长两直线段的环形桥，在井冈山大道设有1条双向匝道(TC匝道)、6条单向匝道(TA，TB，TD，TE，TF，TG)，分别与1，2层道路相接。桥梁平面布置如图1所示。

图1 坛子口立交桥平面布置(白线为伸缩缝)

环形主桥及匝道上部均为钢筋混凝土连续箱梁，跨径17～24m，梁高均为1.3m，翼缘板悬臂长度均为2.5m。主桥与5条匝道(TA，TB，TD，TE，TC)采用牛腿连接，环形主桥牛腿置于匝道牛腿上方，中间设四氟滑板式支座，如图2所示。坛子口立交桥主桥除牛腿处采用四氟滑板式支座外，其余均采用双向盆式橡胶支座；在5个匝道牛腿处墩顶各设置1个单向支座和1个双向支座，7条匝道及主线高架桥各设置1个固定支座，桥台支座采用四氟滑板式支座。桥梁下部桥墩均为圆柱式墩接钻孔灌注桩基础。设计荷载为汽车-20级、挂车-100，目前限载30t，仅供中小型车辆通行。

图2 主桥与匝道牛腿连接

2 桥梁病害

2.1 桥梁主要病害

2014—2017年，检测单位每年定期对桥梁病害进行检查和线形监测，主要桥梁病害汇总如下。

1)ZX159墩主梁间隙在高温天气会顶死，TC1伸缩缝型钢发生变形扭曲，如图3和图4所示。

图3 159墩主梁缝隙顶死

图4 TC1墩伸缩缝变形

2)TD2-2墩支座上钢板螺栓剪断，单向支座上钢板滑出主梁，梁体向北位移，如图5所示。TD4墩支座顶混凝土剥落，如图6所示。

图5 TD2-2墩支座病害

图6 TD4墩支座病害

3)2017年7月，高温天气下TD匝道TD5墩柱根部发生直接45°方向剪切破坏，该剪切方向为顺桥向方向；墩顶也存在劈裂性裂缝，固定支座发生破坏。

4)环形主桥偏位带动TD匝道主梁发生偏转，向北位移，具体变形如图7所示；其余位置环形主桥与匝道主梁在牛腿位置均发生错缝。

图7 TD匝道跟随主桥旋转偏位

由表1可知，TD1墩顶支座上下钢板错位量达64mm，TD2双向支座错位量达114mm，TD3梁体错位达66mm，梁体向北位移；TD6，TD7梁端向南位移，TD匝道梁体发生偏转。

表1 TD匝道支座上下钢板错位情况汇总 mm

2.2 病害原因分析

由于边界条件发生改变，导致环形异形桥偏位产生严重的桥梁病害，具体原因如下。

牛腿内支座不设置垫石，空间狭小、泥沙易堆积难以清理，随着运营时间增加，支座完全被泥沙掩埋，另外施工浇筑质量难以控制会导致支座陷入主梁，使支座无法正常工作，且难以被管养单位检查发现该病害。如图8，9所示，牛腿内四氟滑板式支座不同程度陷入主梁内，泥沙堆积，其中TD匝道牛腿支座完全陷入主梁内，支座完全失去变形功能。TC匝道牛腿内支座失效导致主桥向南偏位，带动TD匝道发生偏转；其余匝道牛腿内支座部分陷入主梁内，能产生一定位移，但仍对匝道内的单向支座和固定支座桥墩产生次内力，导致桥墩发生不同程度的倾斜或剪切破坏。

图8 TD2牛腿支座病害

图9 TA牛腿支座病害

3 加固方案

为从根本上解决桥梁偏转带来的病害，并对开裂的桥墩采用钢包柱截面增大法加固、损坏的支座进行顶升更换，采用具体步骤为：新建桥墩→拆除伸缩缝→新建支座顶升→切割牛腿分离受力→增设限位装置→主桥纠偏→TD匝道顶升复位→伸缩缝改造等。具体加固方案如下。

3.1 新建桥墩

TA3，TB1，TD2，TE2新建桥墩为实体板墩，墩顶设置2个双向支座，适应环形异形梁末端变形，支座支撑中心位于腹板下，并对腹板局部进行植筋加宽处理；TC1新建桥墩设置4个双向支座，每个支座位于端横梁腹板中心线；所有新建支座必须与原板式橡胶支座支撑位置重合，具体如图10所示。安装支座前应设置预偏量或定制加大支座上钢板以适应主桥纠偏产生的位移。

图10 TA3/TB1/TD2/TE2墩与TC1墩新支座布置(单位：cm)

新建桥墩桩基采用人工挖孔桩，桩径为1.2m，桩长10m，持力层为细砂层，为提高桩基承载力降低沉降，利用声测管对桩底采用注浆处理。

3.2 拆除伸缩缝

新建桥墩支座顶升前应拆除模数式伸缩缝，避免将位移通过位移箱传递给另一侧主梁。TD匝道顶升复位前应清除干净桥台伸缩缝隙。

3.3 新建桥墩支座顶升

新建桥墩支座顶升安装必须在1～2个晚上完成，不能中断白天交通，研究采用分区同步顶升方案，共分为3个顶升区，如图11所示。TA3，TB1，TD2，TE2匝道采用2个顶升控制点；TC1新建桥墩支座顶升梁体刚度大、顶升反力大，增设相邻T5，T6，T7桥墩顶升点，如表2所示。新建桥墩处支座顶升安装高度控制在10mm，相邻墩位顶升差值控制在±5mm；由于顶升空间较小，顶升前必须对梁底、墩顶支座螺栓精确定位，并应考虑主梁复位设置预偏心，支座垫石采用快干细石混凝土二次浇筑。落梁后若支座出现标高不符、不均匀支承或脱空现象，则应重新顶升梁体并在支座下采用环氧砂浆找平或垫不锈钢板进行微调。支座安装预留3mm沉降位移。

图11 分区同步顶升分区

表2 分区同步顶升方案参数 mm

桥梁顶升采用高精度PLC同步顶升技术作为顶升控制系统，200t自锁式液压千斤顶作为顶升动力，通过“顶升→锁定→安装支座→解锁→落梁”作业过程，实现桥梁整体顶升安装更换支座施工，如图12所示。千斤顶上均设置钢垫块和防滑橡胶垫，确保梁体顶升过程中不滑移。

图12 桥梁顶升千斤顶工作平台

3.4 切割牛腿分离受力

支座顶升安装施工完成后，依次切割TD，TE，TA，TB牛腿，最后切割TC牛腿，牛腿切割完后对切割裸露钢筋表面涂刷渗透型阻锈剂，切割表面涂抹改性环氧砂浆封闭保护，并进行混凝土防腐涂装。

切割牛腿及新建桥墩布置如图13所示。

图13 切割牛腿及新建桥墩布置

3.5 增设限位装置

牛腿切割完后主桥支座均为双向支座，无水平向约束，变为水平漂浮体系，难以确保主桥在温度和汽车制动力作用下不再发生偏位，必须对既有桥墩支座增加约束，考虑顶升更换采用单向支座费用太高、阻断交通，采用增设钢限位装置，并对既有桥墩及桩基进行改造。

1)由于场地限制仅对主桥东西轴线方向附近160-2，T13，T6，TC0-1墩柱增加约束装置，允许南北向活动。约束装置采用钢限位挡块，外侧挡块顶部与主梁采用植锚栓连接，内侧挡块与桥墩采用钢板焊接，内、外侧挡块间垫橡胶板，如图14所示。在T13和T6钢限位挡块每侧南北向预留±2cm变形，允许主桥南北向偏位±2cm，如图15所示。

图14 160-2与TC0-1号墩单向限位装置

图15 T13与T6号墩单向限位装置

2)对设置限位装置的桥墩采用钢包柱截面增大法进行加固(见图16a)，在原桩基两侧增设人工挖孔桩，桩基直径为1.2m，桩长10m，对桩底进行注浆处理，提高桩基的承载力、降低沉降变形。新建桩基承台与老桩基承台通过植筋连接在一起，提高桥墩和桩基的整体承载力，如图16b所示。

3.6 主桥纠偏

主桥在高温天气159号主梁间隙完全顶死，牛腿切割完后无水平方向约束，利用气温升高北侧主梁膨胀顶推环形主桥向南恢复位移，恢复位移数据如表3所示。159号梁端向南恢复55mm，TC1号梁端向南恢复86mm，TD2号梁端向南恢复79mm。顶推位移过程中无次生病害产生。

表3 相对于5月15日顶升前相对位移数据 mm

为避免运营过程中极端高温天气下北侧主线主梁膨胀继续顶推环形主桥朝南偏位，加大159号主梁之间伸缩间隙，切割北侧主梁10cm，并在端横梁跨中梁底粘贴钢板加固，钢板尺寸为2块宽45cm、厚6mm，具体切割与加固方案如图17所示。

图17 159号北侧主线主桥端横梁切割与加固

3.7 TD匝道顶升复位

TD匝道主梁向北旋转偏位，TD2支座上钢板滑出主梁必须进行纠偏，并更换损坏的单向支座TD4和固定支座TD5确保桥梁安全。TD匝道纠偏方案采用7月25日TD2监测恢复位移作为纠偏数据并参考表1所示支座变形数据，确保纠偏后与主桥线形接顺。本方案以TD6单向支座为旋转中心进行整体顶升复位，具体位移如表4所示。

表4 TD匝道南北纠偏理论和实测位移 mm

本工程顶升复位采用200t三维精调千斤顶进行梁体横向顶推施工，采用竖向千斤顶提供竖向顶升力，通过横向油压千斤顶及滑板提供横向顶推动力，实现梁体的竖向与横向位移，如图18所示。

图18 三维精调千斤顶示意

3.8 伸缩缝改造

在温度作用下，环形异形梁匝道末端除了轴向伸缩位移外还存在一定的侧向位移；主桥限位装置南北向预留±2cm偏位，TA3，TB1，TD2，TE2匝道伸缩缝装置必须能适应主桥偏位带来的侧向位移(见表5)，设计采用梳齿板伸缩缝侧向位移适应量不小于±50mm；TC1和159号主梁位置仍采用常规普通型号梳齿板伸缩缝。

表5 升温40℃正常状态和允许±2cm偏位梁端位移 cm

4 结语

1)本文通过新建桥墩、支座顶升、切割牛腿、增设限位装置、主桥纠偏、TD匝道顶升复位及伸缩缝改造等加固方案从根本上解决了桥梁牛腿支座和偏位病害，经过一年半运营监测，桥梁位移正常，达到了预期的加固效果。

2)新建桥墩支座采用分区同步顶升方案，具有顶升工作量小、费用少且对交通影响小等优点。

3)主桥纠偏采用北侧桥梁天气升温膨胀顶推主桥恢复位移，该方案可行；TD匝道利用主桥恢复位移数据作为纠偏数据，顶升复位后达到预期效果。

4)设计人员设计类似带牛腿结构桥梁时建议增加牛腿内支座空间，便于管养单位检查；施工单位对牛腿内支座应采用精细化施工，确保施工质量；管养单位应加强对类似桥梁牛腿内支座的检查和泥沙清理，防止支座失效导致桥梁产生结构性病害。