狹窄地段橋梁重建方案設計

于 剛,于 娟

(濟南通達公路工程有限公司,山東 濟南 250200)

橋梁通常是建在河流、湖泊和海洋中,以保證車輛、行人和其他交通工具順暢通過。為了適應現(xiàn)代運輸工業(yè)的快速發(fā)展,橋梁也被擴展為跨越山澗、地質(zhì)條件不良路段或為滿足其它交通需求而建造的建筑物[1],被廣泛應用到多種不同的場景中。然而由于橋梁的長時間使用,在外界環(huán)境以及車輛荷載的影響下,橋梁存在不同程度的損壞,不僅影響車輛通行的穩(wěn)定性,還可能會危及行人的出行安全。為了最大程度地保證行人以及車輛在橋梁區(qū)段上的通行安全,需要對存在明顯損傷的橋梁進行重建處理。然而在狹窄地段,受到地理環(huán)境的限制,給橋梁施工帶來較大難度。為了能夠在有限的場地內(nèi)完成橋梁重建施工,需要制定具體的針對性重建方案,以期能夠在不影響周圍設施的情況下,以最快的速度獲取最優(yōu)的橋梁結(jié)構。

1 狹窄地段橋梁工程概況

以濟南市東部某大橋工程為研究對象,原橋全長35 m,橋面中央設置隔離帶,兩側(cè)為機動車道,主輔路設置輔路和人行道,道路全寬4.8 m,凈寬為4.0 m。原橋體的上部結(jié)構為鋼筋混凝土肋骨,面板為預制拼裝混凝土板和水泥混凝土鋪裝層,下部以鉆孔樁為基礎,橋臺為重力式橋臺。橋梁座落在鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍內(nèi),四面都是住宅樓,西北、西南、東北和東南四個方位上的建筑物與橋身邊沿之間的距離分別為0.8、1.0、1.5、0.6 m。橋梁所處的地質(zhì)環(huán)境為軟土地質(zhì),在場地地面以下45 m處,按順序分布著素填土、粉土、粉砂土,土層的厚度分別為1.0、7.0、33.0 m,土體力學性能不佳[2]。由于橋體上出現(xiàn)明顯破損、鋼筋外露和腐蝕現(xiàn)象,因此需要拆除重建。

2 拆除狹窄地段原橋

由于原橋處于狹窄地段,且周圍為村莊,因此不能使用大型機械設備重擊橋面,只能采用小型風鉆配合人工鑿除施工。在前期準備工作完成后,為了保證橋梁拱圈和拱頂在拆除過程中不會產(chǎn)生位移,從破壞嚴重的一側(cè)拱腳進行拆除。在拆除拱橋破裂后,拱圈圍繞拱腳向下旋轉(zhuǎn)下落時受到的約束為直線約束,從而確保了整體拱圈的下降方向是垂直的。全部橋面鋪裝、墊層至挑梁頂面標高處,對挑梁之間已經(jīng)開裂破損的墊層混凝土要做鑿除處理,施工時,小型風鉆應?？吭谂赃叿€(wěn)定的地基上,不可上到拱腳頂端,以免發(fā)生翻轉(zhuǎn)而影響拱腳。在清理過程中,使用小型風鉆和鑿巖機對破損的橋身進行粉碎,用自卸車運到指定的位置堆放。

3 確定狹窄地段橋梁重建結(jié)構

根據(jù)橋梁的受力情況確定狹窄地段橋梁的重建結(jié)構,在不同的混凝土受壓高度下,橋梁正截面的承載力可以表示為

(1)

式中:Ψcon和Ψsteel分別為橋梁的抗拉和抗壓強度,MPa;H為橋梁達到應變界限時的受壓區(qū)高度,m;Ay和Al分別為受壓和受拉鋼筋的截面面積,m2;hValid為橋面的有效高度,m;εl為橋梁的允許拉應變;λ為彈性模量,Pa;h0和h分別為混凝土受壓高度的上下限值,m;b為截面寬度,m;d為橋梁重心到受壓區(qū)邊緣的距離,m[3]。

公式(1)中變量H的計算公式如下

(2)

式中:εconcrete和εe分別為橋梁材料的極限應變和二次受力初始應變;[εy]為橋梁施工材料允許的拉應變。

通過對狹窄地段橋梁受力情況的分析,結(jié)合橋梁施工材料的基本參數(shù),確定重建橋梁的基本結(jié)構如圖1所示。

圖1 橋梁重建結(jié)構圖(單位:m)

橋梁重構工作中需要確定的結(jié)構參數(shù)包括橋面寬度、橋墩位置、橋臺位置等,確定的橋梁橋面寬度盡量保證道路和橋梁的承載能力與交通量的增加相一致。對于新橋,應選用大跨徑,其跨徑應為原跨徑的1.5～2倍,可減少橋墩數(shù)目,降低工程造價,增大過水段[4]。橋墩橫橋的方位基本不變,順橋的定位以順橋為重點,應結(jié)合孔徑的布局來綜合考慮。

4 實現(xiàn)狹窄地段橋梁重建

在橋梁重建方案設計中,應在對施工場地進行全面調(diào)研的基礎上,根據(jù)合理的上部結(jié)構和下部結(jié)構的施工工藝,確定最佳的結(jié)構方案。

4.1 開挖回填與預壓地基

在狹窄地段橋梁重建施工過程中,開挖回填地基處理的基本原則是將劣質(zhì)地基中的土壤置換為具有良好性質(zhì)的填充物。在施工中,通過這種方法可以提高基礎的承載力,從而有效地控制結(jié)構的沉降。在預設的施工場地,對橋面結(jié)構產(chǎn)生的等效載荷,會將孔隙水從地基中排出,從而使地基致密。在此項技術作業(yè)中,不會改變土壤的性質(zhì),只會使土壤更加致密,而且在施壓的時候,要注意逐漸增大預壓的范圍,以避免在預壓的時候出現(xiàn)土體凹陷。

4.2 支座構造與灌漿施工

支座的結(jié)構及注漿工程共分三個階段:支座襯砌、支座組合安裝、注漿。支架螺栓預留孔采用預埋PVC管孔,在支架安裝之前,必須先鑿開PVC管孔,然后對孔壁進行鑿毛,以增強注漿劑與孔壁的結(jié)合。在進行了上表面的鑿毛后,要清除孔洞和石塊上的浮渣和積水。選用高強度、不收縮的特殊支承注漿材料,以達到施工的需要。它的流動性好,能夠在超細縫內(nèi)進行微重力注漿,且不會產(chǎn)生收縮而是微膨脹,從而防止支架下產(chǎn)生空洞;高強度、高彈性模量,可滿足各種安裝要求。在進行灌漿時,先將每一根螺栓孔灌入到墊石頂部2.5 cm處,再注入60 mm的間隙,直到所有的漿液都漏出。在灌漿時,用竹條或繩索前后拉緊,以利于漿料的流通,中間不能缺漿、斷漿;實際注漿的高度應該稍高于或與底板的上部平面平行[5]。注漿完畢30 min后,立即進行養(yǎng)護,用塑料布將砂漿表面包覆,用繩索或透明膠帶將其上下粘合,以防水分流失,并定期灑水保濕,保持20 d左右。注漿8 h后,將高出設計墊石5 cm處的墊石,用刮板輕輕鏟到承臺下鋼板的位置,即設計墊石的頂部標高,并對灌漿層進行壓平處理。

4.3 搭設鉆孔樁

采用跳打法鉆進的方式搭設鉆孔樁,在狹窄地段重建橋梁中的鉆孔樁布設情況,如圖2所示。

圖2 橋梁鉆孔樁布設示意圖

在樁基附近設置泥漿池,并在某一段進行回收。用攪拌機攪拌泥漿,現(xiàn)場測試泥漿性能。在鉆孔達到設計深度后,應立即采取抽碴、吸泥等方法清孔,并對孔徑、孔深、孔形、垂直度及孔底地質(zhì)條件與設計一致性進行判斷用于調(diào)整。

4.4 狹窄地段橋梁植筋

狹窄地段重建橋梁植筋的目的是提升橋梁的穩(wěn)定性,植入鋼筋的抗剪能力設計值為

(3)

式中:Kbond和Kz分別為粘結(jié)系數(shù)和有效作用系數(shù);μ為摩擦系數(shù);ηp為植入鋼筋相應于截面的配筋率,%;χsteel和χconcrete分別為鋼筋和橋面混凝土的抗壓強度設計值,MPa。

將滿足抗剪能力要求的鋼筋以綁扎的形式植入到橋梁內(nèi)部,鋼筋按照設計圖紙在狹窄地段下料,運輸至工地進行鋼筋綁扎,鋼筋間距、尺寸、接頭應符合設計及有關技術規(guī)范。在進行基材焊接時,應注意連接的數(shù)目,在相同的斷面上,連接的數(shù)目不得多于30%,而且焊縫的位置必須是彎曲的,以確保在相同的軸線上[6]。由于頂板鋼筋必須在內(nèi)部模板安裝完畢后才能進行,為了節(jié)省施工時間,必須提前將頂板鋼筋綁扎成形,并將齒板和鋼筋都提前綁扎好,等內(nèi)模組裝好后,將鋼筋網(wǎng)固定到位,然后進行整體綁扎。

4.5 設置后澆帶與橋面防水層

后澆帶是在橋梁面板等超長建筑工程中,臨時預留的臨時變形縫,按設計施工需要,經(jīng)一段時間后進行填充、封堵,使其成為一個整體。設置后澆帶,是為了在后澆帶關閉之前,使其更自由地干縮,并充分利用其前期收縮的特性,將大部分的干縮應力釋放出去,減小了混凝土干縮引起的張應力,從而更好地控制裂縫。在重建的橋面上設置兩層防水層,分別使用FTY-2橋面防水劑和FTY-1橋面防水劑,確保防水劑能滲透到橋面混凝土10 mm以下。對混凝土橋面的防水涂料也要有較好的附著力,以確保瀝青路面的附著力,同時也要保證橋面的緊密性。在防水層的粘接后,不能有夾帶空氣的情況下,其抗?jié)B率必須>0.3 MPa。

除此之外,根據(jù)水利水文計算的結(jié)果,對橋梁和下游河岸、河床的保護進行了研究,對于重點排水渠道,要與水利部門進行綜合整治。通常,為了防止或減輕橋位和下游段的水流沖刷,應在橋位及下游一定長度的河段中進行全覆蓋,并設截水墻、跌水等措施,以防止或減輕水流沖刷,尤其是為了防止新、老橋墩的并存而造成局部沖刷,從而保證橋梁的安全。

5 狹窄地段橋梁重建方案實測分析

將提出的狹窄地段橋梁重建方案應用到該工程中,得出對應的重建施工結(jié)果,根據(jù)當?shù)氐膶嶋H橋梁使用需求,對重建橋梁的應用風險、重建工期等參數(shù)進行測試,并通過與預設值的比較,判斷提出的狹窄地段橋梁重建方案是否能夠達到預期效果。

5.1 布設重建橋梁測點

布設測點的目的是獲取重建橋梁各個節(jié)點的實時位置,從而判斷橋梁在使用過程中是否存在變形情況。分別在橋面、橋梁、橋墩等位置上設置測點,保證任意兩個測點之間的距離不超過5 m,且不低于1 m。根據(jù)測點布設規(guī)則和橋梁幾何結(jié)構的重建情況,確定布設的測點數(shù)量為62個,按照空間規(guī)律對布設測點進行編號處理。在布設的測點位置上安裝鋼弦式應變計,用來檢測在拉伸和受壓情況下的橋梁的應變值。最終通過無線網(wǎng)絡將應變計設備與主測計算機連接,保證實時采集的應變數(shù)據(jù)能夠及時上傳給分析終端。

5.2 選擇測試內(nèi)容與指標

此次實測試驗分別從重建效果和重建成本兩個方面進行測試,設置重建橋梁平均變形量作為重建效果的量化測試指標,其數(shù)值結(jié)果如下

(4)

式中:變量ζi為第i個測點的實際變形量,可通過測點位置上安裝的應變計直接得出數(shù)值結(jié)果,mm;Nmea為重建橋梁上設置的測點數(shù)量,取值為常數(shù),個。

另外,重建成本的量化計算指標設置為橋梁重建工期Trec和重建費用C,具體的計算公式可以表示為

(5)

式中:tcompleted和tstart分別為橋梁竣工時間和起始重建時間;Cbody、Cpier、CSupport、Cabutment和Cprotect分別為橋體、橋墩、支座、橋臺和防護的建設費用,元。

為了保證狹窄地段橋梁重建方案在實際工程中的應用效果,要求重建橋梁平均變形量≤2 mm,重建工期≤24個月,重建費用≤50萬。

5.3 實測過程與結(jié)果分析

在狹窄地段橋梁重建方案執(zhí)行之前,切斷總干渠上游水源,施工期間不再通水,故將施工場地布設在總干渠內(nèi)。在施工區(qū)上下游修筑圍堰排干渠內(nèi)多余積水,并開設排水溝,及時排除地表雨水和地下滲水。在保證水、電供應正常的情況下,通過原橋拆除、結(jié)構計算等步驟,完成橋梁重建施工。在重建竣工7 d后,允許車輛與行人通行,經(jīng)過3個月、6個月、12個月的使用,得到各個測點的變形統(tǒng)計情況,如表1所示。

表1 狹窄地段橋梁重建效果測試結(jié)果 單位:mm

將表1中的數(shù)據(jù)代入到公式(4)中,計算得出不同使用時間下,橋梁平均變形量分別為0.288、0.513、0.825 mm,均<2 mm。另外橋梁重建成本的計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 狹窄地段橋梁重建成本計算結(jié)果

經(jīng)過公式(5)的計算,得出狹窄地段橋梁重建方案的重建工期和重建費用分別為16.7個月和32.6萬元,均低于預設值。

6 結(jié) 語

橋梁在狹窄地段中起著重要的作用,周圍環(huán)境的限制給橋梁的施工帶來較大難度。在此次研究中,以濟南市東部某大橋為研究對象,提出采用小型風鉆配合人工鑿除的方法拆除原橋,根據(jù)橋梁的受力情況確定橋梁的重建結(jié)構。通過開挖回填與預壓地基、支座構造與灌漿施工、搭設鉆孔樁、植筋等步驟,實現(xiàn)狹窄地段橋梁重建施工。從試驗結(jié)果中可以看出,設計的橋梁重建方案能夠較好地解決狹窄地段橋梁施工難、工期長、投入大等問題。