沿海復雜軟弱地層中橋梁偏位檢測技術應用分析

■蘇少蘭

（寧德市交通建設發展中心，寧德 352101）

當高速公路受用地和既有周邊構造物影響時，有時不得不在復雜軟弱地層中布置大縱坡小半徑曲線橋。 但由于此類橋梁運營過程中常發現存在梁體偏位缺陷等問題，因此需要對橋梁進行偏位檢測和糾偏處理。 目前國內對于梁體糾偏的研究屢見不鮮，如：楊澤君[1]在增加托換結構臨時支撐的基礎上，采用橫向頂推的方法達到糾偏目的；呂宏奎等[2]設計了單點頂升和橫向復位的糾偏方案，并通過工程實踐證明該方案效果良好；李琦[3]探究了橋梁頂升及糾偏的數值計算模型的建立方法，并完成了橋梁的頂升、糾偏施工的仿真分析。 但前人研究鮮少采用三維激光掃描、雙速度法等檢測技術，基于此，本研究以某橋梁糾偏項目為依托，利用三維激光掃描、雙速度法檢測技術對橋梁梁體、墩臺進行檢測，并通過建模驗證，分析橋梁偏位成因，提出梁體糾偏建議，為類似項目提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本文所述橋梁為某高速公路樞紐互通匝道橋，該橋全長871 m，上部結構采用3×40 m 連續T 梁＋25.5 m 現澆箱梁＋（4×25＋16×20）m 連續T 梁＋（27＋30＋27）m 現澆箱梁＋（24＋30＋24）m 現澆箱梁＋（4×20＋3×20）m 連續T 梁，橋面凈寬13 m。 下部結構為柱式墩、樁基礎；肋板臺、樁基礎。 發生偏位的橋梁為第10 聯和第11 聯，其平面位于R=230 m 曲線及緩和曲線內，縱斷面位于4.6%下坡段內，偏位段落橋型布置立面如圖1 所示， 橋梁典型橫斷面如圖2所示，橋梁支座結構縱向布置圖如圖3 所示。

圖1 第10 聯、第11 聯橋型布置示意圖（單位：cm）

圖2 橋梁典型斷面布置圖（單位：cm）

圖3 橋梁支座結構布置圖 （單位：mm）

1.2 橋位地質情況

地勘報告顯示橋址屬沖海積平原地貌，地形平緩，以農田、魚塘為主。 主要地層為：淤泥、粉質黏土、卵石、全風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖層，流塑狀淤泥層厚約6.0～19.5 m。 該橋在投入運營2 年后出現臺后沉降問題， 后續采用PTC 樁復合地基對臺后路堤進行處置。

1.3 橋梁偏位情況

通過查閱該橋竣工圖結合現場調查顯示，該橋38#臺、35#墩、31#墩T 梁采用φ 325×76 mm 四氟滑板橡膠支座，37# 墩、36# 墩、34# 墩、33# 墩、32# 墩T 梁采用φ425×75 mm 板式橡膠支座。 根據檢測報告內容顯示，該橋存在支座串動、剪切變形，梁端頂緊，伸縮縫型鋼密貼缺陷?，F場測量顯示31#墩頂位置伸縮縫縫寬變大，梁端間的距離為20 cm，原設計梁端距離為11 cm；35#墩位置伸縮縫型鋼密貼，梁端間的最小距離為9 cm，原設計梁端距離為12 cm；38#臺位置伸縮縫型鋼密貼，梁端與背墻的最小距離為0，原設計梁端距離為6 cm，伸縮縫寬度情況如圖1 所示，研究認為該橋存在縱向偏位。支座病害情況如表1 所示，現場調查情況及典型病害照片如圖4～6 所示。

表1 橋梁支座缺陷情況匯總

圖4 支座串動及梁端頂緊典型情況

圖6 支座病害平面布置圖

2 橋梁專項檢測

2.1 橋梁專項檢測方案制定

如上所述，該橋梁為小曲線大縱坡橋梁，且橋位處地質較差，臺后軟基處理施工在橋臺施工之后。為了分析橋梁的偏位是T 梁上部結構滑移還是下部結構偏位引起的，本研究制定了專項檢測方案：（1）梁體偏位處橋梁外觀缺陷檢測；（2）橋梁墩臺垂直度檢測；（3）橋梁墩臺位置檢測；（4）橋位處周邊環境調查。 其中橋梁墩臺垂直度和位置可以利用三維激光掃描設備測量每個墩臺的平面位置并進行切片，從而獲取圓心坐標值計算得到；墩臺樁基的完整性則利用雙速度法檢測獲得。 具體檢測設備如表2 所示。

表2 主要檢測儀器設備

2.2 專項檢測方法及結論

2.2.1 橋梁上部結構外觀檢測結論

橋梁上部結構主要存在以下典型病害：（1）梁端與背墻頂緊；（2）支座剪切變形；（3）伸縮縫型鋼密貼。 典型病害如圖7、8 所示。

圖7 梁端與背墻頂緊

圖8 伸縮縫型鋼密貼

2.2.2 三維激光掃描專項檢測方法及結論

橋梁構造物掃描主要利用三維激光掃描儀以非接觸的測量方式獲取構造物表面的三維坐標。 三維激光掃描流程如圖9 所示。 三維掃描檢測結果（表3）顯示：（1）墩臺平面位置與設計相比無大差異，最大偏差為5 mm；（2）墩柱最大縱向傾斜量為14.8 mm，出現在33#墩；墩柱最大橫向傾斜量為14.6 mm，出現在33# 墩；所有墩柱垂直度均滿足規范要求；（3）相鄰兩根墩柱距離偏差值最大為34.2 mm，出現在35#和36#墩間。

表3 三維掃描檢測結果

3 橋梁偏位成因分析

3.1 有限元軟件計算

3.1.1 模型建立

為了模擬汽車荷載和臺后軟基處理對橋梁樁基受力變形的影響，通過有限元軟件建立計算模型，計算模型如圖10 所示。 模型順橋向長度為100 m，橫橋向寬度為80 m，深度為40 m；樁基及地基處理所用的PTC 樁基均采用梁單元＋樁土接觸界面的形式模擬[5]。 地基土物理力學參數如表4 所示。

圖10 有限元數值計算模型

上部結構按荷載等效加載在墩頂，荷載值為2 700 kN，水平向施加線性彈簧模擬支座側向約束。根據《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01-2020）第6.2.7 條規定，四氟滑板橡膠支座剪切剛度k 計算公式如下：

式（1）中：Gd為板式橡膠支座的動剪切模量（kN/m2），一般取1 200 kN/m2；Ar為橡膠支座的剪切面積（m2）；∑t為橡膠層的總厚度（m）。

四氟板橡膠支座恢復力模型如圖11 所示。 四氟滑板橡膠支座的臨界滑動摩擦力計算公式如下：

圖11 四氟板橡膠支座恢復力模型

式（2）中：μd為滑動摩擦系數，取0.02；R 為支座所承擔的上部結構重力（kN）。 經計算，Fmax=μdR=0.02×2 700=54 kN，因此取墩頂水平屈服彈簧剛度為2 816 kN/m，屈服力為54 kN。

本橋為橋梁建設完成后通車，通車運營3 年后發現臺后路基出現沉降跳車現象，后挖除臺后路基施工PTC 樁。 模型建立多個施工步驟，各施工步驟的順序及持續時間如表5 所示。

表5 施工步驟

3.1.2 計算結果

根據計算顯示臺后軟基未處理時通車狀態下路基段沉降較大，對橋臺樁基存在影響，橋臺樁基最大縱向位移為11 mm；臺后軟基PTC 樁基施工過程中對橋臺樁基影響小，最大縱向位移為1 mm；軟基處理后，通車過程中橋臺縱向位移為2.6 mm。 由此得出臺后軟基未處理時通車是橋梁梁體偏位的原因之一。 各階段橋臺位移如圖12～14 所示。

圖12 軟基未處理時橋臺縱向位移圖

圖13 臺后軟基PTC 樁基處理后橋臺縱向位移圖

圖14 通車運營后橋臺縱向位移圖

3.2 原因分析

針對專項檢測報告結果，結合有限元軟件計算分析如下：（1）根據專項檢測顯示橋梁墩臺樁基完整性滿足規范規定，無明顯外觀缺陷；（2）橋梁墩臺平面位置及相鄰墩臺距離滿足設計要求；（3）墩柱垂直度滿足規范要求，未見墩柱明顯傾斜現象；（4）臺后軟基未處理通車對橋臺樁基礎有一定影響，臺后PTC樁基施工過程對橋臺樁基礎但影響很小。 綜上所述，本研究認為橋梁墩臺位置未見明顯錯位，墩柱垂直度滿足要求，樁基完整性滿足要求，由此可以推斷橋梁墩臺及基礎未見明顯變形，橋梁梁體錯位主要是因為上部滑移導致的。 現場調查顯示梁體偏位段橋梁縱坡為4.6%，采用板式支座，位于同樣縱坡段的相鄰跨為現澆箱梁，采用盆式支座，卻未見梁體偏位跡象。 本研究認為橋梁梁體支座調平設置不到位，由于橋梁縱坡較大，橋梁在自重影響下導致支座變形，支座的變形又進一步增大橋梁上部的下滑力，是導致橋梁梁體偏位真實原因。

4 橋梁上部結構梁體偏位處置建議

4.1 梁體糾偏目的

如前所述，本橋偏位的主要原因是：由于橋梁縱坡較大，橋梁梁體在自重和車輛下坡沖擊力作用下有著縱橋向下滑的趨勢，支座安裝不到位，極易造成支座剪切變形，剪切變形造成支座局部受力過大，支座開裂破損失效，支撐不住橋梁上部結構的下滑力，從而出現縱向滑移現象。 糾偏方案需要考慮解決支座復位、梁體按照原設計復位和增加橋梁縱向偏位的限位措施。

4.2 梁體糾偏建議

參照文獻[1-2]的糾偏方案均為利用單向千斤頂，通過設置反力架的方式進行，該措施反力架施工不到位會難以達到梁體糾偏效果，且頂推位移依靠人工監測易出現偏差。 因此，本研究擬采用三向頂升裝置，結合PLC 多點同步頂升液壓系統對梁體進行糾偏。 具體方案為將梁體往上坡側頂推移動6 cm，重新施工密貼的伸縮縫，并在伸縮縫梁端增設橡膠墊塊，同時在每聯的連續墩相鄰梁片的端橫梁位置設置2 道鋼結構限位措施。 頂升及限位方案如圖15～19 所示。

圖15 頂升糾偏立面圖

圖17 頂升糾偏橫斷面布置圖

圖18 頂升糾偏梁端處置大樣及頂升裝置圖

圖19 梁端限位設置示意圖

4.3 梁體糾偏實施要點

4.3.1 千斤頂選用

荷載計算。一孔T 梁自重：89.05×26=2 315.3 kN；橋面鋪裝自重：51.84×20=1 036.8 kN；防撞護欄自重：7.8×20×2=312 kN；活載：（10.5×20＋300）×2=1 020 kN；一孔荷載組合為：1.2×（2 315.3＋1 036.8＋312）＋1.4×1020=5 824.9 kN，即582.5 t。

三維調整液壓千斤頂承載能力大，可根據實際需要調整承載能力，單臺承載能力為50～1 000 t，如上計算顯示上部荷載總重為582.5 t，考慮1.5 的安全儲備， 故每個墩頂按照梁片數選用4 個KETSWD-250 規格千斤頂，其規格尺寸為600 mm（縱向）×600 mm（橫向）×200 mm（高度）。

4.3.2 糾偏實施要點

安放上述選定千斤頂進行油泵系統的連接，形成頂升梁體系統。 經過油泵系統排空、調試，各方面工作就緒后進行頂梁預演，確保無誤后，著手進行下一步頂梁施工， 設計考慮對全聯T 梁進行頂升，待梁體橫移完畢，再統一將頂升的T 梁回落。 糾偏流程圖如圖20 所示。

圖20 梁體糾偏流程圖

糾偏實施要點如下：（1）前期準備工作內容主要包括頂升平臺搭設、千斤頂安置及調試，為滿足同步頂升需求，宜采用統一型號伸縮縫。 千斤頂安放必須平穩。 所有千斤頂及油泵進場前均應進行標定。（2）如上計算墩頂單個支座支反力為116.5 t，預頂升主要工作內容為在設備調試正常后頂到支座計算反力的50%左右即58.3 t，持荷5～10 min 檢查頂升設備的安全性，無任何異常后千斤頂回落到原位；待停放20 min 后，以頂升位移控制為主，將梁體頂升至脫離原支座1～2 mm，檢查所有支座與梁體脫開情況，同時測定梁體總重及各支座反力。 預頂升主要是為了檢查頂升監控系統是否正常工作。（3）正式頂升主要工作內容為利用千斤頂垂直方向逐級頂升梁體至支座脫開為限，一般控制在5 mm左右。 梁體頂升高度滿足要求后，根據每片梁片的偏位情況利用三維千斤頂逐級縱向頂推。 每級頂升的觀測時間規定為：每級頂升完畢后，每15 min 觀測一次；累計1 h 后，每隔30 min 觀測1 次。 （4）落梁，待梁體縱向按設計歸位后利用三向千斤頂分組、分級循環落梁，梁頂高程回落到設計高程。 （5）施工監測措施，糾偏前在橋面上設觀測標志（每孔設4個）糾偏施工時由專業技術人員采用全站儀對監測點進行測量監測頻率為每次頂升前、頂升時、頂升后，以便準確反映梁體頂升過程各個方向的變位。 監測點布置示意如圖21 所示。

圖21 監測點布置示意圖

5 結語

本文針對可能發生橋梁偏位的原因，制定專項橋梁檢測方案，并利用三維激光掃描儀和雙速度法分別對橋梁梁體、墩臺平面位置、墩柱垂直度進行檢測，并配合有限元計算分析橋梁偏位原因，制定利用三向頂升裝置的梁體糾偏建議。