自平衡反壓式單支座更換技術(shù)在獨柱墩橋梁提質(zhì)升級中的應(yīng)用

　　完成單位

　　蘇州繞城高速公路有限公司

　　南京博瑞吉工程技術(shù)有限公司

　　工程概況

　　1. 工程背景

　　近年來，國內(nèi)出現(xiàn)了多起獨柱墩梁橋的整體側(cè)翻傾覆事故，造成了重大經(jīng)濟損失和不良社會影響。目前大多數(shù)在役獨柱墩橋梁建成年代較早，同時期的設(shè)計規(guī)范缺少對橋梁抗傾覆性能的要求，橋梁設(shè)計過程僅關(guān)注梁體的承載能力與使用性能，忽視了橋梁的整體穩(wěn)定問題，由此導(dǎo)致獨柱墩橋梁出現(xiàn)了整體傾覆先于結(jié)構(gòu)承載力破壞，存在安全隱患，且難以預(yù)測與防范。

　　2. 工程實施情況

　　為提升橋梁的安全運營保障能力，蘇州繞城高速開展了針對獨柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性能的排查和改造工作，蘇州繞城高速沿線共392座，其中109座獨柱墩橋梁，合計784個獨柱墩。該類橋型主要以支架現(xiàn)澆的窄箱梁為主，單孔跨徑20～50m，平曲線半徑60～500m，橋面橫向車道數(shù)1～3個。獨柱墩橋梁數(shù)量多，橋面交通量大，橋位環(huán)境復(fù)雜。

　　本次獨柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性能提質(zhì)升級改造方案以新增支座為主：將單點支承改為雙支點或三支點支承。

　　新增支座如何參與受力是一個比較關(guān)鍵的問題。為此，采用“自平衡反壓式單支座更換技術(shù)”對新增支座精準施加初始支反力，在各構(gòu)件承載能力滿足要求的情況下，將部分恒載由舊支座轉(zhuǎn)移至新支座，可有效防止新增支座脫空，降低新增支座被拍打的概率。

　　主要創(chuàng)新點

　　1. 技術(shù)思路

　　對于獨柱墩梁橋，一般在聯(lián)端設(shè)置雙支座，中墩設(shè)置單支座或間距較小的雙支座。與雙柱墩相比，兩者主梁彎矩與剪力差別不是很大，但獨柱墩橋梁中跨由活載產(chǎn)生的扭矩會累計傳遞至聯(lián)端處的抗扭支座上，扭矩達到一定量值就會使聯(lián)端支座產(chǎn)生負反力，若不采取措施，輕則支座脫空，重則梁體整體傾覆。

　　根據(jù)理論分析結(jié)果，并結(jié)合類似橋梁的改造經(jīng)驗，本次通過新增支座、拉開支座橫向間距等措施來提升橋梁抗傾覆穩(wěn)定性能。因此，本次提質(zhì)升級改造方案以新增支座為主：將單點支承改為雙支點或三支點支承。方案概括如下：

　　(1)不對梁體頂升，舊支座無病害的情況下不作改變，根據(jù)抗傾覆需要在既有墩柱的一側(cè)或兩側(cè)新增支座，新增支座主要發(fā)揮抗傾覆功能。恒載以舊支座承擔(dān)為主，活載由新舊支座共同分擔(dān)；

　　(2)為減小養(yǎng)護成本，新增結(jié)構(gòu)盡可能采用混凝土結(jié)構(gòu)。條件受限時，可采用少量鋼構(gòu)件；

　　(3)既有橋墩為有承臺的獨柱墩，盡可能在既有承臺基礎(chǔ)上新增立柱或者擴大原有墩柱斷面，然后新增支座；

　　(4)既有橋墩無承臺或者承臺無法利用時，在獨柱墩側(cè)面新增樁柱式基礎(chǔ)，然后新增支座；

　　(5)部分獨柱墩橋梁改造后抗傾覆穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，但個別支座仍會脫空時，在脫空支座處增設(shè)抗拉拔輔助裝置。

　　2. 關(guān)鍵技術(shù)方案

　　新增支座如何參與受力是一個比較關(guān)鍵的問題。

　　調(diào)研發(fā)現(xiàn)，類似的獨柱墩改造工程中，新增支座存在兩種受力模式：

　　(一)通過千斤頂頂升梁體再落梁的方式讓新增支座承擔(dān)部分恒載；

　　(二)新增支座與梁密貼，不承擔(dān)恒載，僅分擔(dān)活載。

　　對于第（一）種，通過頂升施工將恒載反力轉(zhuǎn)移至新舊支座共同承擔(dān)。同步頂升更換或增設(shè)支座方法均是通過千斤頂泄壓、梁體回落后，新支座“自上而下”因被動壓縮而獲得支反力。梁體頂升過程中的頂升支反力可通過千斤頂油壓獲知，但是落梁后的支反力卻是未知，甚至是不可控的。

　　此方案對原結(jié)構(gòu)擾動較大，全橋支反力重新分配，內(nèi)橫梁及下部結(jié)構(gòu)承載能力要重新復(fù)核驗算。不僅頂升施工費用高，而且梁體經(jīng)頂升、再落梁后，雙支點或者三支點支座反力偏差較大，不均勻的反力在梁體斷面產(chǎn)生一個強迫扭矩，在車輛荷載不利工況下梁體會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)裂縫。此類問題在獨柱墩改造中已有先例，本次未采用此類方案。

　　對于第（二）種，新增支座與梁底密貼，新支座僅參與分擔(dān)活載，不承擔(dān)恒載。新增支座初始反力為零，活載作用下支座會經(jīng)歷承壓、脫空的反復(fù)過程。隨著時間積累，會出現(xiàn)支座平面爬移，墊石、梁底楔形塊等局部構(gòu)件在車輛反復(fù)沖擊下出現(xiàn)損傷破壞。截止目前，某些地區(qū)改造后的獨柱墩橋梁已出現(xiàn)了整聯(lián)支座反復(fù)脫空拍打現(xiàn)象。本次未采用此類方案。

　　為避免新增支座在通常情況下被反復(fù)、高頻拍打，同時降低施工難度和施工成本。本次在獨柱墩改造過程中，采用東南大學(xué)劉其偉教授團隊研發(fā)的“自平衡反壓式單支座更換技術(shù)”，主動對新增支座精準施加初始支反力。在各構(gòu)件承載能力滿足要求的情況下，將部分恒載由舊支座轉(zhuǎn)移至新支座，可有效防止新增支座脫空，降低支座被拍打的概率。初始支反力值根據(jù)計算確定，該方法施加的初始反力準確可控，而且施工操作簡單。

　　采用自平衡反壓式單支座更換技術(shù)（一種自平衡反壓式橋梁單支座更換方法，ZL 2014 1 0431651.6；主動承壓式更換和安裝支座方法及裝置，ZL 2022 1 0018665.X；精準加壓式更換及安裝橋梁支座裝置，ZL 2022 2 0043915.0）給新增支座施加反力時,按照標定的反力曲線、借助反壓裝置從支座底面向上、主動施加反向壓力，支座“自下而上”壓縮獲得反力。更關(guān)鍵的是跳過了傳統(tǒng)支座更換過程中“支反力由千斤頂向支座轉(zhuǎn)移”這一體系轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，反壓裝置主動施加的反壓力即為支座實際承載的反力，反力準確、可知、可控。通過對“反壓力、梁底標高”的雙控，確保梁體“只頂不升”，新支座經(jīng)反壓后，其反力達到設(shè)計目標值，最后將“反壓裝置”澆筑在支座墊石內(nèi)，和墊石共同作為永久性支撐，從而完成單個橋梁支座的安裝。

　　3. 實施效果

　　至2021年3月，繞城公司完成了全部57座橋梁提質(zhì)升級改造施工任務(wù)，主要工程量為：增加樁基82根、墩柱389根，支座437個、防脫空裝置106個。

　　采用“自平衡反壓式單支座更換技術(shù)”對獨柱墩新增支座進行反壓，相對傳統(tǒng)的同步頂升更換或者增設(shè)技術(shù)，施工成本降低60%～70%，施工周期縮短40%～50%。經(jīng)改造后的獨柱墩橋梁抗傾覆滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，從2022～2023年的橋梁定期檢查來看，新增支座工作狀態(tài)良好，未出現(xiàn)脫空、拍打現(xiàn)象，有效提升了橋梁運營安全。

　　生產(chǎn)、應(yīng)用及推廣情況

　　蘇州繞城高速獨柱墩橋梁改造方案對交通影響較小，不改變或少改變原結(jié)構(gòu)受力體系；采用自平衡反壓式單支座更換專利技術(shù)在新增支座下方設(shè)置反壓裝置施加初始反力，不僅減少了施工措施費，重要的是降低了新增支座在后續(xù)使用過程中的拍打概率。新增支座預(yù)設(shè)反力精度高、受力影響小、成本低、工期短、不中斷交通等諸多優(yōu)勢。對于獨柱墩橋梁新增支座需預(yù)設(shè)反力時，或者在單個支座需要更換時，有較高的技術(shù)和成本優(yōu)勢。在橋梁支座更換或者新增支座時具有推廣價值。

　　2018年，該技術(shù)被認定為江蘇交通控股系統(tǒng)高速公路養(yǎng)護科技成果推廣應(yīng)用項目。

　　2019年，該技術(shù)被認定為江蘇交通控股系統(tǒng)優(yōu)秀養(yǎng)護科技成果。

　　2019年，在役橋梁工程性能提升關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，獲取2019年度江蘇省科學(xué)技術(shù)獎一等獎。

　　截止目前，自平衡反壓式單支座更換技術(shù)已在蘇州繞城高速、江陰大橋、潤揚大橋、南京四橋、錫張高速、滬寧高速、寧宿徐高速、連徐高速、通洋高速、連霍高速、寧靖鹽高速、寧常鎮(zhèn)溧高速、濟徐高速、江海高速、鹽洛高速、啟揚高速等多條高速公路或地方公路成功應(yīng)用，維修處治效果良好，得到了業(yè)主單位的一致好評。