自平衡反壓式單支座更換技術在獨柱墩橋梁提質升級中的應用

　　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有限公司

　　工程概況

　　1. 工程背景

　　近年來，國內出現(xiàn)了多起獨柱墩梁橋的整體側翻傾覆事故，造成了重大經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，同時期的設計規(guī)范缺少對橋梁抗傾覆性能的要求，橋梁設計過程僅關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，由此導致獨柱墩橋梁出現(xiàn)了整體傾覆先于結構承載力破壞，存在安全隱患，且難以預測與防范。

　　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)境復雜。

　　本次獨柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性能提質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鍵的問題。為此，采用“自平衡反壓式單支座更換技術”對新增支座精準施加初始支反力，在各構件承載能力滿足要求的情況下，將部分恒載由舊支座轉移至新支座，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. 技術思路

　　對于獨柱墩梁橋，一般在聯(lián)端設置雙支座，中墩設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)理論分析結果，并結合類似橋梁的改造經驗，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或兩側新增支座，新增支座主要發(fā)揮抗傾覆功能。恒載以舊支座承擔為主，活載由新舊支座共同分擔；

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

　　(3)既有橋墩為有承臺的獨柱墩，盡可能在既有承臺基礎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，在獨柱墩側面新增樁柱式基礎，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，在脫空支座處增設抗拉拔輔助裝置。

　　2. 關鍵技術方案

　　新增支座如何參與受力是一個比較關鍵的問題。

　　調研發(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部分恒載；

　　(二)新增支座與梁密貼，不承擔恒載，僅分擔活載。

　　對于第（一）種，通過頂升施工將恒載反力轉移至新舊支座共同承擔。同步頂升更換或增設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。

　　此方案對原結構擾動較大，全橋支反力重新分配，內橫梁及下部結構承載能力要重新復核驗算。不僅頂升施工費用高，而且梁體經頂升、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，新支座僅參與分擔活載，不承擔恒載。新增支座初始反力為零，活載作用下支座會經歷承壓、脫空的反復過程。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件在車輛反復沖擊下出現(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、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，采用東南大學劉其偉教授團隊研發(fā)的“自平衡反壓式單支座更換技術”，主動對新增支座精準施加初始支反力。在各構件承載能力滿足要求的情況下，將部分恒載由舊支座轉移至新支座，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（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移”這一體系轉換環(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”，新支座經反壓后，其反力達到設計目標值，最后將“反壓裝置”澆筑在支座墊石內，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座橋梁提質升級改造施工任務，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”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技術，施工成本降低60%～70%，施工周期縮短40%～50%。經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、應用及推廣情況

　　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構受力體系；采用自平衡反壓式單支座更換專利技術在新增支座下方設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。新增支座預設反力精度高、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設反力時，或者在單個支座需要更換時，有較高的技術和成本優(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)護科技成果推廣應用項目。

　　2019年，該技術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鍵技術創(chuàng)新與應用，獲取2019年度江蘇省科學技術獎一等獎。

　　截止目前，自平衡反壓式單支座更換技術已在蘇州繞城高速、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用，維修處治效果良好，得到了業(yè)主單位的一致好評。