大型桥梁支座修复更换技术研究与应用

大型桥梁支座修复更换技术研究与应用摘要：本文结合工程实例，着重介绍了沙特朱拜勒T-103桥在桥梁支座修复更换过程中根据现场实际情况进行施工工艺研究和比选。使工程在保证质量的前提下，达到缩短工期，降低成本的效果，为类似施工提供参考。关键词：桥梁病害；桥梁顶升；支座更换；拆除技术Abstract:Thispapertakesaprojectpracticeasanexample,describearesearchandapplicationoftechnologiesforbearingsreplacementandrenovationforT-103BridgeinJubail,SaudiArabia.Compareandimproveconstructionmethodaccordingtositevirtualsituation,sothatthepremiseofguaranteeingquality,toshortenthedurationandreducethecosteffectiveness,forthelattertoprovideareferenceforsimilarconstruction.Keywords:bridgedefect;renovation;replacementofbearing;demolitiontechnology引言沙特朱拜勒2#公路扩建项目位于沙特东海岸朱拜勒区域，业主是沙特皇家管理委员会，咨工为柏克德工程公司。该项目位于朱拜勒城区交通网内，属于市政项目，业主对施工进度和质量监管尤为严格，施工规范为业主内部规范以及部分美标、欧标。施工范围主要包括3座新建桥梁施工、新建沥青路以及道路拓宽施工、灌溉管线系统施工、排水系统施工、中高压电力系统施工、T-103旧桥修复、TS-3/TS-7桥雨水系统改造、TS-1高速绳索护栏施工等。项目业主沙特皇家委员会是沙特地区最具实力的基础设施管理机构，因此该项目的实施对开拓沙特建设市场具有重要的意义。1.工程概况及特点1.1工程概况T-103桥为沙特朱拜勒TS-1高速公路与T-103道路交叉互通桥，建成于2003年，桥体为双跨并联预应力空心连续箱梁，桥总跨84.4米，单跨42.2米，桥面总宽28.9米。该桥经过十余年使用，目前出现较严重的病害：支座严重变形，箱梁内部以及桥台翼墙出现多处裂缝，桥面沥青开裂，伸缩缝严重破损等。该桥支座为球形钢支座，经检测认定两侧桥台支座存在顶板变形、偏压、螺栓松动、密封圈脱落等问题，如果不及时进行支座修复调整处理将会直接影响桥梁结构的耐久性与安全性，业主要求对两侧桥台位置共8个（每侧4个）盆式支座，进行维修更换。由于该桥为进出朱拜勒港及朱拜勒老城区的重要交通枢纽，施工过程中，业主要求不中断交通，保证桥梁正常通行。桥梁承担的交通荷载巨大且多为大型重载车辆，桥梁上跨朱拜勒至达曼TS-1高速公路，施工需在高速公路上进行封路施工，安全风险较大。图1.1-1桥台支座断面图图1.1-2支座平面布置图图1.1-3沙特朱拜勒T-103桥1.2支座设计参数及支座病害1.2.1支座设计参数及球形支座构造支座设计参数及球形支座构造如图1.2-1和图1.2-2所示。图1.2-1原支座设计参数图1.2-2球形钢支座构造图1.2.2支座病害桥梁支座经检测发下如下病害：⑴病害一支座顶板变形：由于箱梁端部横隔梁钢筋、预应力加强筋布置密集，混凝土不易振实，或存在漏振现象，造成支座顶板上部混凝土局部空洞、松散，致使支座局部脱空，不均匀传力变形。图1.2-2支座顶板变形⑵病害二支座倾斜偏压：支座施工时，未采取相应的调平措施或安装位置不够准确，桥梁纵坡和横坡过大，楔形混凝土施工薄弱，桥梁运营之后，梁体偏压。图1.2-3支座倾斜偏压⑶其他病害支座螺栓松动、密封圈脱落。图1.2-4支座螺栓松动、密封圈脱落支座病害影响：支座病害出现后，如果没有及时处理和修复，可能导致整个支座失效，各梁间荷载分配关系发生相应改变。梁体偏离了设计受力情况，容易诱发其它病害，制约桥梁结构稳定性和可靠性提升。1.3项目特点及关键点（1）T-103桥是进出朱拜勒港及朱拜勒老城区的重要交通枢纽，业主要求在保证桥梁上部不中断交通的情况下，进行结构修复施工，支座更换需考虑车辆动载影响；（2）桥梁横跨的TS-1高速公路是朱拜勒工业城来往朱拜勒老城区及达曼的最主要道路，车流量大，且沙特交通管制较松来往车辆车速极快，安全风险高；（3）两侧箱梁并联，为不破坏两侧箱梁间的连接结构，两侧箱梁需做到同步顶升；（4）原有桥梁支座经过十余年超负荷使用后出现较大变形，施工难度较大；（5）梁板与桥台之间距离有限，导致支座更换工作空间极其狭窄，常规的电动拆除工具无法正常施工。需要移除纠正的支座顶板上锚杆深入箱梁内，支座顶板楔形混凝土及箱梁内钢筋密集，楔形混凝土及上锚杆拆除困难；（6）支座顶板砂浆恢复填充质量要求高，锚杆深入箱梁内，锚杆周围砂浆需确保填充密实；（7）施工涉及到封路施工，交通安全需严格管控，封路方案需报批沙特路政部门审批通过。1.4项目研究的目的桥梁支座是连接桥梁上部结构与桥梁下部结构的关键部件,它不但要将桥梁上部承受的荷载和变形稳定地传递给桥梁下部结构，而且还担负着减震和隔震的作用,对于桥梁建设、桥梁使用和桥梁维护都是十分重要的。但是由于桥梁支座会受到诸多因素影响，桥梁支座容易发生病害。桥梁支座病害的严重性直接影响桥梁结构的耐久性与安全性，及时对有病害的桥梁支座进行修复更换有利于提高桥梁养护水平，有效延长桥梁使用寿命。因此，必须认真解决桥梁支座存在的质量问题，提高桥梁支座更换工作力度。本项目结合工程实际，研究并应用了在不中断桥梁交通的情况下实施桥梁支座修复更换的成套技术工艺，主要包括桥梁同步顶升工艺、超高压水射流设备混凝土凿除工艺、支座混凝土恢复压浆工艺。本项目是公司首次在海外承担旧桥修复类工程施工，项目的履约意义重大，同时希望结合海外项目施工管理较为成熟的经验，能为国内类似施工提供借鉴和指导。2.工艺技术研究内容2.1工艺原理及方案比选2.1.1桥梁同步顶升工艺考虑不中断桥梁上部交通，在每侧桥台上合适位置布置液（油）压千斤顶，利用多顶分流阀（如图2.1-1）对桥梁实行各千斤顶同步顶升（落梁）。图2.1-1多顶分流阀千斤顶选型：千斤顶选用超薄自锁式液压千斤顶（西班牙LARZEPSTR56010），与其他千斤顶相比，其特点是结构紧凑，体积小，重量轻，传动平稳，承重能力强。且自锁式千斤顶可用于需长时间支撑重物的地方，它可在除去油压时利用螺母自锁装置仍可支持重物，而且安全可靠，易于操作控制，同时设计有安全保压装置，内置卸压阀防止过载，可保护千斤顶以利于安全操作。且节约了安装空间，从而使结构更安全、更有利于支座更换施工作业。千斤顶组成如图2.1-2，千斤顶尺寸和工作参数如图2.1-3。图2.1-2液压千斤顶组成图2.1-3自锁式千斤顶（LARZEPSTR56010）尺寸及参数千斤顶顶升荷载分析：考虑到两侧箱梁并联情况，为不破坏两侧箱梁间的连接结构，两侧箱梁需同步顶升，先顶升一侧桥台并完成相应4个支座的更换，再将千斤顶转运到另外一侧桥台顶升，并完成剩余4个支座的更换。桥体顶升高度除了要满足结构安全的允许限值，还要有足够的操作空间，保证支座能顺利拆卸和安装，顶升高度需15mm。考虑通车情况下车辆动载，采用三维建模(见图2.1-5)模拟桥梁顶升时荷载情况，单侧桥台顶升按照4个千斤顶布置，位置如图2.1-4，千斤顶所需顶升荷载（见图2.1-6）分别为4234KN、4462KN、4836KN、4963KN，最大荷载为4963KN，采用LARZEPSTR56010型千斤顶（额定顶升荷载5522KN）可完成顶升作业。图2.1-4千斤顶布置位置图2.1-5桥梁顶升3D模型图2.1-6桥梁顶升千斤顶作用力（考虑车辆动载）2.1.2支座修复更换方案根据章节1.2.2提到的支座病害情况，由于两侧桥台共8个旧支座变形损坏严重，需移除更换新支座。因锚杆深埋混凝土内，锚杆本身材料质量较好，可保留原支座下锚杆，仅对原支座下部灌浆料进行拆除，因支座上部变形和偏压严重，上锚杆需要拆出重新定位安装，另外连接锚杆和支座的锚栓锈蚀变形严重，均需更换新的锚栓。新支座定位安装后，上下顶板的混凝土需恢复填充。支座修复更换示意图如下。图2.1-7旧支座移除图2.1-8上锚杆移除图2.1-9新支座定位安装图2.1-10新支座混凝土恢复填充2.1.3支座混凝土凿除工艺比选传统电动凿除工具：传统电动凿除工具，如电锤、风镐，施工噪音大，存在粉尘污染，对周围环境危害大。且因需要移除纠正的支座顶板上锚杆深入箱梁内，支座顶板楔形混凝土及箱梁内钢筋密集，电动工具会破坏既有钢筋，混凝土极易产生裂缝，影响结构受力，同时钢筋易损坏电动工具（卡钻）。另外因桥台与箱梁之间工作面狭窄，电动工作也无法深入箱梁内施工。超高压水射流设备：超高压水射流设备工作原理是利用高压泵对水分进行加压后输送到高压管线，使其以较高的速度经过喷嘴，通常情况下喷嘴的孔径比高压管线的内径要小很多，因此水流在经过喷嘴后会以更高的速度（流速13-26L/min,压力1000-2500Bar）喷出，经过喷嘴孔加速后凝聚形成的水束就称之为射流。射流作用于混凝土表面，高速水流钻入混凝土表面的微孔中，速度转化成压力，当压力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土就被破碎。由于钢筋表面密实，没有微孔，高压水无法钻入，所以钢筋毫无损伤。超高压水射流设备与传统电动凿除工具相比，具有如下优点：可以选择性地凿除混凝土；高压水不会产生震动，不会导致混凝土微裂和大的裂痕；环保、节能，高压水不会造成扬尘，效率远远高于机械方式，节省人工；高压水不会损伤钢筋；高压水在凿除混凝土过程中会对钢筋除锈和清洗；高压水凿除可形成完美的结合基面；因此本项目选用超高压水射流设备凿除支座混凝土，选用设备型号：德国FALCH（福狮）basejet1002500-20-0-d（见图2.1-11）。图2.1-11超高压水射流设备（FALCHbasejet1002500-20-0-d）2.1.4支座混凝土恢复压浆工艺新支座及锚杆、螺栓调平固定完成后，支座顶板和底板混凝土需恢复填充。先进行支座底板灌浆施工，灌浆料采用流动性强的高强环氧砂浆，灌浆料需搅拌充分。顶板砂浆填充施工因重力作用，决定采用压浆设备将拌和好的砂浆压入，使用木模板和发泡剂将顶板与箱梁底密封好，由于锚杆深入箱梁内，为使锚杆周围压浆饱满，在模板侧面各个方位布置排气管，以使模板内空气顺利排出。压浆设备采用德国Putzmeister（普茨迈斯特）SparyboyP12,如图2.1-12，设备输送压力25bar。图2.1-12压浆设备（PutzmeisterSparyboyP12）2.2支座更换施工工艺流程梁体顶升和支座更换的施工总体流程如图2.1-1所示。图2.2-1桥梁支座更换施工工艺流程图2.3支座更换操作要点2.3.1施工准备 施工准备阶段，需要进行施工方案和材料报批，取得施工许可，路政部门批复交通控制方案。安排材料采购及设备进场，包括支座及配件、灌浆料、千斤顶顶升系统、支撑钢垫板、压浆设备、超高压水射流设备等，同时进行桥梁现场施工准备和道路封路施工。2.3.2梁板顶升梁板顶升施工按照如下步骤实施：安放千斤顶及同步顶升系统和临时支撑；安装监测设备（位移计）；试顶升（问题反馈及处理）；正式分批次同步顶升；同步顶升至最小千斤顶荷载，开始分别单独顶升至预定荷载；千斤顶持荷，调整临时支撑高度，完成顶升。梁板顶升操作要点如下：提前标记千斤顶顶升位置，保证千斤顶安装位置与原支座轴线一致。按照图2.1-4所示，在桥台上布置安装各千斤顶。顶升过程中，在梁体和桥台局部单位面积上产生的顶升力会大于混凝土的抗压强度，造成混凝土局部压碎现象，影响梁体的完整度和质量安全。针对这种现象，在千斤顶上下各设置钢板，增加梁体的受力面积，分散千斤顶的破坏力，以实现单位面积上的顶升力小于混凝土的抗压强度。由于梁体横坡，桥台与梁底之间距离存在变化，由于千斤顶尺寸、顶升高度和冲程限制，部分位置千斤顶不能触及梁底，针对这种情况，需加塞不同厚度的钢板，传递千斤顶的顶升力到梁体，如图2.3-1所示。考虑到梁底横坡情况，以及更进一步保护梁体和桥台混凝土，在钢板与混凝土之间采用高强砂浆找平固定。完成液压同步系统连接并调试，包括手动泵油缸、油管、多顶分流阀、压力表的连接，见图2.3-2和图2.3-4。顶升过程中，如果千斤顶出现漏油或其他故障，可能导致梁体不均匀顶升，严重时可能导致梁体倾覆。因此，需在梁体顶升过程中采用安全钢垫板进行支撑，保护梁体不发生整体倾覆。安装位移计监测梁体顶升位移变化（见图2.3-3），以便控制顶升的位移和顶升过程中梁体的姿态。同时提前在桥台上标记顶升前梁体相对位置，过程中用卷尺复核量测。图2.3-1千斤顶安装固定图2.3-2多顶分流阀连接图2.3-3位移计安装图2.3-4液压顶升系统调试向手动泵油缸内加入液压油，操控手柄，开始打压试顶升,见图2.3-5。试顶升完成后，分批次同步顶升。顶升过程中采用顶升力和位移双控，安排专人监测压力表读数变化、量测梁体位移（见图2.3-6）、观察桥梁姿态，保证顶升系统、桥梁结构安全稳定。同步顶升至最小千斤顶荷载4234KN(压力表读数537kg/cm2)时，该千斤顶停止加压，开始持荷。调节多顶分流阀阀门，分别单独顶升其他3个千斤顶至预定荷载4462KN、4836KN、4963KN（压力表读数分别为566kg/cm2、614kg/cm2；629kg/cm2）。顶升高度除了要满足结构安全的允许限值，还要有足够的操作空间，保证支座能顺利拆卸和安装。顶升高度达到15mm时，千斤顶进入持荷阶段，调整临时支撑高度，完成顶升。图2.3-5手动泵油缸打压图2.3-6桥体位移量测图2.3-7观察压力表读数变化2.3.3支座拆除顶升完成后即可开始既有支座的拆除工作，经过前期分析保留原支座下部预埋锚杆，仅对原支座下部灌浆料进行拆除，因支座上部变形和偏压严重，上部锚杆需要拆出重新定位安装。2.3.3.1既有支座拆除操作步骤和要点如下：采用电锤或风镐凿除支座底板下部灌浆料，如图2.3-8；支座顶板螺栓拆除，移除支座上半部，如图2.3-9；支座底板螺栓拆除（下锚杆保留）；凿除支座下半部，旧螺栓安回上下锚杆，临时保护封堵锚杆内丝；在支座垫石上安放钢垫板支撑保护，如图2.3-10；采用超高压射流设备拆除楔形混凝土及上锚杆周围混凝土，取出上锚杆，如图2.3-11；角磨机打磨桥台和梁底混凝土毛边，具备安装新支座条件。图2.3-8支座底板灌浆料凿除图2.3-9支座上半部拆除图2.3-10安放钢垫板支撑保护图2.3-11超高压射流设备拆除2.3.3.2超高压射流设备功效250Mpa超高压射流设备拆除混凝土效率很高，如果打钢筋保护层厚度的混凝土，1分钟左右可完成1平。如果继续往下打，钢筋出现，钢筋网会对射流产生阻力，效率会下降。可以理解为越往混凝土更深处大，阻力会加大，拆除效率也会降低。本项目拆除的支座上锚杆混凝土深入梁体内部，且施工视野不好，工作面狭窄，工人容易疲劳，拆除效率降低明显。2.3.3.3超高压射流设备安全防护设备带有专用安全防护装备，如下图示：图2.3-12超高压射流设备安全防护设备2.3.4新支座安装及压浆操作步骤和要点如下：新支座安装调平定位，确保支座安装方向与支座设计传力方向一致，如图2.3-13；安装支座上下螺栓和上锚杆；安装支座底板模板并灌浆，灌浆料采用流动性强的高强环氧砂浆，如图2.3-14；安装支座顶板模板，模板用发泡剂封堵严密，在模板侧面各个方位设置排气管，保证排气通畅，采用压浆设备压浆，见图2.3-16，待排气管有浆液成股流出，封堵排气管；拆模、养护、打磨，完成支座更换，如图2.3-18。图2.3-13新支座安装定位图2.3-14底板支模灌浆图2.3-15砂浆拌和图2.3-16顶板压浆2.3.5落梁压浆施工完成后48小时，砂浆强度已满足设计要求，此时可以开始支座体系转换施工，移除钢垫板，千斤顶移除，完成支座更换全部施工。落梁时，各千斤顶同步回油，严格控制同一桥台上的各支点同步落梁。落梁过程同样实行顶升力和位移双控的原则，保证梁体回落到顶升前的标高处。图2.3-17千斤顶移除图2.3-18更换完成的支座3.实施效果3.1工程的实施效果本项目施工工艺技术复杂，施工难度大，项目技术团队依托海外先进施工管理模式和施工特点，研究并应用了在不中断桥梁交通的情况下实施桥梁支座修复更换的成套技术工艺，主要包括桥梁同步顶升工艺、超高压水射流设备混凝土凿除工艺、支座混凝土恢复压浆工艺，最终成功完成了8个支座的修复更换施工，施工质量合格。通过在沙特朱拜勒2#公路扩建项目的成功应用，证明本项目技术研究成果具有技术先进、工艺合理、质量可靠、安全环保、施工成本低等特点。本项目是公司首次在海外承担旧桥修复类工程施工，意义重大，为今后类似施工均具有一定的指导和推广意义。另外此桥是业主沙特皇家管理委员会的迎宾桥,