深圳創業立交匝道橋的問題分析與加固處理
發布時間：2010-01-14 共1頁
1．概述
創業立交位于107國道深圳段與深圳市寶安區創業路交叉處，是一座定向型互通立交，由10條匝道橋組成，其中A、B匝道為跨線（107國道）匝道，C、D、E、F為左轉彎匝道，D、H、I、J為右轉彎匝道，共20聯96跨，每聯最多8跨，最少2跨。受場地限制，匝道最小平曲線半徑R=70m，最縱坡為6%，設計車速為跨線匝道40km/h，轉彎匝道30km/h。橋梁下部采用25#混凝土鉆孔灌注樁基礎，30#混凝土圓形墩柱，上部采用40#預應力混凝土連續箱梁。橋墩樁直徑1.5m，柱直徑1.2m，梁高1.3m，橋面寬度為7.5m及9.5m。等寬段采用單樁柱式墩，每聯兩端橋墩為雙柱式橋墩，上置牛腿，除部分墩柱與箱梁固結外，其余墩柱、臺頂設多向活動球型支座。
該立交工程在施工期間出現轉彎匝道橋固結墩柱內側產生水平裂縫及曲線箱梁偏轉、外移的問題，經第一次加固處理后墩柱裂縫基本消除，但曲線箱梁位移問題有所發展，經研究后又進行了第二次加固處理，基本解決了墩柱受力和箱梁位移兩方面的問題，保證了橋梁的結構和使用性能。本文將對產生裂縫及位移的原因進行分析，并詳細介紹兩次加固處理的情況。
2．第一次加固處理
2．1存在問題
該立交工程于1996年1月20日開工，橋梁基礎及下部構造經檢測表明質量良好。1997年春節前，在全橋澆注完上部結構箱梁后發現，左轉彎匝道C、D、E、F的7個固結墩（C3、C4、D3、D4、E4、E5、F4）均在內弧側出現橫向裂縫，經對裂縫長度、寬度、深度進行檢測發現：單根墩柱最多產生24條裂縫，裂縫最長193cm，最寬為1.00mm，最深為10.1cm,部分裂縫寬度已超過《橋規》要求，裂縫長度、深度均較為嚴重。另C、D、E、F四個轉彎匝道箱梁出現不同程度的主梁外弧側邊緣降低、內弧側邊緣抬高的偏轉位移，橋面系防撞欄、伸縮縫和排水管也有一定程度的錯位。
2．2原因分析
創業立交橋施工工藝及控制完全按照規范及設計要求進行，轉彎匝道固結墩柱內弧側在施工期間產生早期橫向裂縫，主要原因是由于作用于固結墩柱上的彎矩偏心ΣM≥Md所致。而使ΣM超過固結墩柱設計抗彎能力Md的原因是比較復雜的，筆者認為主要的影響有兩個方面：
（1）梁體自重不平衡的影響。設計時考慮不夠完善，將墩柱中心設于主梁橫向中心，忽略了彎橋內外側曲線半徑不等，外半橋梁曲線長度于內半橋梁，即外半橋恒重于內半橋，產生梁體自重不平衡，并在箱梁兩端產生向外側扭轉的扭矩MT，在固結墩柱處MT通過箱梁作用于柱身產生彎矩M恒，使內弧側受拉，加了ΣM。
（2）溫降及混凝土收縮的影響。該橋上部箱梁施工時處于冬季，溫降幅度，加上箱梁新澆筑混凝土收縮，使曲線箱梁在平面內發生彎曲變形（向外側），使梁內產生平面彎矩M、軸向力N和水平剪力Q，由于曲線半徑小，且所有徑向位移均被固定，故產生較的水平溫度力。由于箱梁平面剛度，這些水平溫度力傳至柱—梁聯結處，產生較的水平剪力，導致墩身受彎，內弧側混凝土開裂。
此外，箱梁預應力體系、混凝土徐變等也對箱梁和墩柱產生綜合影響，在此不再討論。
2．3加固處理措施
經研究，針對固結柱橫向開裂比較嚴重的問題，先后采取了以下兩個方面的處理措施：
（1）固結墩頂放松。將固結墩頂固結處放松，改柱—梁固結為鉸接，目的在于減少乃至消除由恒載扭矩MT引起的柱身彎矩M恒。施工時從7個產生裂縫的固結柱所在的橋面處鑿開橋面混凝土，露出橫隔梁骨架鋼筋，圍繞柱中心鉆6個孔，插入鋼筋后在柱頂內側鑿環形槽口，依此向外側開展，等槽鑿好、柱—梁固結鋼筋切斷后，在從橋面上向孔中灌40號水泥砂漿，然后用橡膠混凝土填滿環形槽，鋪好橋面。
（2）設置拉力支座。固結墩柱頂放松處理后，裂縫得到控制與減少，卻加劇了上部結構的橋面高程變化，內弧側升、外弧側降的數值增，與此同時，C、D、E、F匝道分聯處橋臺和蓋梁內弧側支座脫空，外弧側支座受力增加，可能超過允許承載力，另外從使用功能上看，支座脫空在行車作用下易產生“拍擊現象”，對墩柱和主梁造成損害。為解決出現的以上問題，在內弧側脫空支座外增設預應力拉力支座，支座拉力為400KN，并接長端橫梁，重新安設一個新支座代替脫空支座。施工時，先布置好有關鋼筋、鋼墊板及拉桿、鋼套管等張拉器具，將蓋梁橫向接長，在脫空支座內側重新安裝支座，再將箱梁沿底面橫向加厚，蓋梁接長及箱梁加厚均采用40#號鋼筋混凝土，澆筑砼時保證支座被壓緊，待砼達到強度后在箱梁頂張拉，預應力筋采用ф132，Rby=750Mpa，張拉完畢后恢復箱梁面層，將鋼墊板、錨固頭等外露部分用防銹油漆噴涂。
采取以上兩項處理措施后，對7個墩柱的裂縫及箱梁進行了觀測，表明處理后，整體趨勢是柱頂端裂縫明顯縮小，但立柱底部原有裂縫較以前略有擴，并有少量新裂縫出現；固結改鉸接后，箱梁繼續向外側偏轉（尤以橋臺處最為明顯），箱梁相對橋臺向外側錯位，轉彎匝道超高由4%變為2～2.5%，但仍滿足行車要求，經對全橋進行荷載試驗和專門對C匝道進行靜動荷載試驗，試驗結果表明，橋梁結構滿足受力要求。拉力支座的受力在設計預期內，于1997年8月1日開放通車，但遺留了部分問題。
3．第二次加固處理
3．1加固原因
1999年5月，為對該立交的運營狀態進行檢驗，組織對通車運營近兩年的創業立交匝道橋的橋墩、支座、伸縮縫等進行了長達7個月的全面檢測，檢測結果主要有：
（1）轉彎匝道的墩柱頂均發生不同程度的偏移，但偏移不，除F4傾斜1.23%外，其余在1%以內。原左轉彎匝道的7個固結墩改為鉸接后，墩內側裂縫數量基本不變，部分裂縫有增趨勢，左轉彎匝道G、H的固結墩在竣工前未發現裂縫，仍為固結墩，此次發現內側分別有10條、19條裂縫。右轉彎匝道I、J的固結墩仍未發現裂縫。
（2）轉彎匝道的支座均發生不同程度的偏移，從橫向看均是外移，即向圓弧圓心相反方向移動，最為F3=94mm,F5=89mm（兩支座與原固結墩F4鄰近），F匝道較，其余匝道較小，從縱向來看，前后不一，位移不，但部分支座上鋼板橫向扭轉角超過2%。
（3）經過第一次加固處理及兩年運營考驗，匝道橋工作狀態正常；墩柱裂縫趨于緩和，橋面高程變化趨于穩定，支座橫向位移得到控制。
由于箱梁、墩柱偏位仍然存在，加上通車后增加了汽車制動力、離心力的影響，該立交部分匝道橋仍有不穩定的傾向，決定進行第二次加固處理。
3．2加固設計
通過采用3D-BSA程序進行計算和曲線橋結構分析軟件ASCB復算，確定加固范圍為C、D、E、F、G、H六條匝道，每條匝道在每聯接近中部加固一個墩（即加固C4、D4、E4、F4、G3、H2六個墩），墩與梁的聯結方式采用固結，同時加墩身強度，并在外弧側加一根樁基。加固總體設計如圖所示。
3．3加固施工方法
加固施工步驟如下：
（1）先測量加固墩未施工時的狀況，如柱頂偏移值、柱頂斷面橋兩側高程，并做好標記、記錄，作為加固工程竣工后檢測的原始資料。 （2）平整場地，在加固墩附近外弧側加輔助支撐，采用貝雷架支撐，以確保施工作業和行車安全。
（3）加樁基施工，先開挖基坑，錘擊打入鋼護筒至樁底高程，采用人工挖孔樁施工120cm、25#砼樁基，新舊樁連線為半徑方向，新舊樁凈距為320cm。當新樁砼達到強度后，樁頂需預壓1300KN，持荷時間于4h，使其完成部分沉降量，采用設反力梁與千斤頂施加壓力。
（4）開挖舊樁樁頂、檢查樁頂處裂縫情況，記錄裂縫長度和寬度。對樁頂2m范圍內的砼保護層鑿毛，深度2～3cm，鉆孔插入20錨筋，然后在孔內灌注環氧砂漿進行封孔。綁扎承臺鋼筋，澆注承臺砼。
（5）在梁底鉆孔均勻布置25錨筋，采用“植筋法”工藝，由于鉆孔時要穿過梁底多層鋼筋網，施工較為困難，在不減少其抗拔力的前提下，可適當移動位置和調整深度。
（6）對原120cm墩柱保護層砼鑿毛，深度小于2cm，在柱身按30×30cm間距梅花型釘入金屬膨脹螺栓，螺栓安全剪力于7.5KN。再綁扎墩身鋼筋，分兩次澆注墩身砼，減少墩身砼的收縮變形量，特別注意使墩頂與箱梁連接處的砼澆注密實。
（7）承臺、墩身砼在凝固期，應注意減少震動，采取封閉交通或限制載重于5t的貨車行駛的交通管制措施。
創業立交位于107國道深圳段與深圳市寶安區創業路交叉處，是一座定向型互通立交，由10條匝道橋組成，其中A、B匝道為跨線（107國道）匝道，C、D、E、F為左轉彎匝道，D、H、I、J為右轉彎匝道，共20聯96跨，每聯最多8跨，最少2跨。受場地限制，匝道最小平曲線半徑R=70m，最縱坡為6%，設計車速為跨線匝道40km/h，轉彎匝道30km/h。橋梁下部采用25#混凝土鉆孔灌注樁基礎，30#混凝土圓形墩柱，上部采用40#預應力混凝土連續箱梁。橋墩樁直徑1.5m，柱直徑1.2m，梁高1.3m，橋面寬度為7.5m及9.5m。等寬段采用單樁柱式墩，每聯兩端橋墩為雙柱式橋墩，上置牛腿，除部分墩柱與箱梁固結外，其余墩柱、臺頂設多向活動球型支座。
該立交工程在施工期間出現轉彎匝道橋固結墩柱內側產生水平裂縫及曲線箱梁偏轉、外移的問題，經第一次加固處理后墩柱裂縫基本消除，但曲線箱梁位移問題有所發展，經研究后又進行了第二次加固處理，基本解決了墩柱受力和箱梁位移兩方面的問題，保證了橋梁的結構和使用性能。本文將對產生裂縫及位移的原因進行分析，并詳細介紹兩次加固處理的情況。
2．第一次加固處理
2．1存在問題
該立交工程于1996年1月20日開工，橋梁基礎及下部構造經檢測表明質量良好。1997年春節前，在全橋澆注完上部結構箱梁后發現，左轉彎匝道C、D、E、F的7個固結墩（C3、C4、D3、D4、E4、E5、F4）均在內弧側出現橫向裂縫，經對裂縫長度、寬度、深度進行檢測發現：單根墩柱最多產生24條裂縫，裂縫最長193cm，最寬為1.00mm，最深為10.1cm,部分裂縫寬度已超過《橋規》要求，裂縫長度、深度均較為嚴重。另C、D、E、F四個轉彎匝道箱梁出現不同程度的主梁外弧側邊緣降低、內弧側邊緣抬高的偏轉位移，橋面系防撞欄、伸縮縫和排水管也有一定程度的錯位。
2．2原因分析
創業立交橋施工工藝及控制完全按照規范及設計要求進行，轉彎匝道固結墩柱內弧側在施工期間產生早期橫向裂縫，主要原因是由于作用于固結墩柱上的彎矩偏心ΣM≥Md所致。而使ΣM超過固結墩柱設計抗彎能力Md的原因是比較復雜的，筆者認為主要的影響有兩個方面：
（1）梁體自重不平衡的影響。設計時考慮不夠完善，將墩柱中心設于主梁橫向中心，忽略了彎橋內外側曲線半徑不等，外半橋梁曲線長度于內半橋梁，即外半橋恒重于內半橋，產生梁體自重不平衡，并在箱梁兩端產生向外側扭轉的扭矩MT，在固結墩柱處MT通過箱梁作用于柱身產生彎矩M恒，使內弧側受拉，加了ΣM。
（2）溫降及混凝土收縮的影響。該橋上部箱梁施工時處于冬季，溫降幅度，加上箱梁新澆筑混凝土收縮，使曲線箱梁在平面內發生彎曲變形（向外側），使梁內產生平面彎矩M、軸向力N和水平剪力Q，由于曲線半徑小，且所有徑向位移均被固定，故產生較的水平溫度力。由于箱梁平面剛度，這些水平溫度力傳至柱—梁聯結處，產生較的水平剪力，導致墩身受彎，內弧側混凝土開裂。
此外，箱梁預應力體系、混凝土徐變等也對箱梁和墩柱產生綜合影響，在此不再討論。
2．3加固處理措施
經研究，針對固結柱橫向開裂比較嚴重的問題，先后采取了以下兩個方面的處理措施：
（1）固結墩頂放松。將固結墩頂固結處放松，改柱—梁固結為鉸接，目的在于減少乃至消除由恒載扭矩MT引起的柱身彎矩M恒。施工時從7個產生裂縫的固結柱所在的橋面處鑿開橋面混凝土，露出橫隔梁骨架鋼筋，圍繞柱中心鉆6個孔，插入鋼筋后在柱頂內側鑿環形槽口，依此向外側開展，等槽鑿好、柱—梁固結鋼筋切斷后，在從橋面上向孔中灌40號水泥砂漿，然后用橡膠混凝土填滿環形槽，鋪好橋面。
（2）設置拉力支座。固結墩柱頂放松處理后，裂縫得到控制與減少，卻加劇了上部結構的橋面高程變化，內弧側升、外弧側降的數值增，與此同時，C、D、E、F匝道分聯處橋臺和蓋梁內弧側支座脫空，外弧側支座受力增加，可能超過允許承載力，另外從使用功能上看，支座脫空在行車作用下易產生“拍擊現象”，對墩柱和主梁造成損害。為解決出現的以上問題，在內弧側脫空支座外增設預應力拉力支座，支座拉力為400KN，并接長端橫梁，重新安設一個新支座代替脫空支座。施工時，先布置好有關鋼筋、鋼墊板及拉桿、鋼套管等張拉器具，將蓋梁橫向接長，在脫空支座內側重新安裝支座，再將箱梁沿底面橫向加厚，蓋梁接長及箱梁加厚均采用40#號鋼筋混凝土，澆筑砼時保證支座被壓緊，待砼達到強度后在箱梁頂張拉，預應力筋采用ф132，Rby=750Mpa，張拉完畢后恢復箱梁面層，將鋼墊板、錨固頭等外露部分用防銹油漆噴涂。
采取以上兩項處理措施后，對7個墩柱的裂縫及箱梁進行了觀測，表明處理后，整體趨勢是柱頂端裂縫明顯縮小，但立柱底部原有裂縫較以前略有擴，并有少量新裂縫出現；固結改鉸接后，箱梁繼續向外側偏轉（尤以橋臺處最為明顯），箱梁相對橋臺向外側錯位，轉彎匝道超高由4%變為2～2.5%，但仍滿足行車要求，經對全橋進行荷載試驗和專門對C匝道進行靜動荷載試驗，試驗結果表明，橋梁結構滿足受力要求。拉力支座的受力在設計預期內，于1997年8月1日開放通車，但遺留了部分問題。
3．第二次加固處理
3．1加固原因
1999年5月，為對該立交的運營狀態進行檢驗，組織對通車運營近兩年的創業立交匝道橋的橋墩、支座、伸縮縫等進行了長達7個月的全面檢測，檢測結果主要有：
（1）轉彎匝道的墩柱頂均發生不同程度的偏移，但偏移不，除F4傾斜1.23%外，其余在1%以內。原左轉彎匝道的7個固結墩改為鉸接后，墩內側裂縫數量基本不變，部分裂縫有增趨勢，左轉彎匝道G、H的固結墩在竣工前未發現裂縫，仍為固結墩，此次發現內側分別有10條、19條裂縫。右轉彎匝道I、J的固結墩仍未發現裂縫。
（2）轉彎匝道的支座均發生不同程度的偏移，從橫向看均是外移，即向圓弧圓心相反方向移動，最為F3=94mm,F5=89mm（兩支座與原固結墩F4鄰近），F匝道較，其余匝道較小，從縱向來看，前后不一，位移不，但部分支座上鋼板橫向扭轉角超過2%。
（3）經過第一次加固處理及兩年運營考驗，匝道橋工作狀態正常；墩柱裂縫趨于緩和，橋面高程變化趨于穩定，支座橫向位移得到控制。
由于箱梁、墩柱偏位仍然存在，加上通車后增加了汽車制動力、離心力的影響，該立交部分匝道橋仍有不穩定的傾向，決定進行第二次加固處理。
3．2加固設計
通過采用3D-BSA程序進行計算和曲線橋結構分析軟件ASCB復算，確定加固范圍為C、D、E、F、G、H六條匝道，每條匝道在每聯接近中部加固一個墩（即加固C4、D4、E4、F4、G3、H2六個墩），墩與梁的聯結方式采用固結，同時加墩身強度，并在外弧側加一根樁基。加固總體設計如圖所示。
3．3加固施工方法
加固施工步驟如下：
（1）先測量加固墩未施工時的狀況，如柱頂偏移值、柱頂斷面橋兩側高程，并做好標記、記錄，作為加固工程竣工后檢測的原始資料。 （2）平整場地，在加固墩附近外弧側加輔助支撐，采用貝雷架支撐，以確保施工作業和行車安全。
（3）加樁基施工，先開挖基坑，錘擊打入鋼護筒至樁底高程，采用人工挖孔樁施工120cm、25#砼樁基，新舊樁連線為半徑方向，新舊樁凈距為320cm。當新樁砼達到強度后，樁頂需預壓1300KN，持荷時間于4h，使其完成部分沉降量，采用設反力梁與千斤頂施加壓力。
（4）開挖舊樁樁頂、檢查樁頂處裂縫情況，記錄裂縫長度和寬度。對樁頂2m范圍內的砼保護層鑿毛，深度2～3cm，鉆孔插入20錨筋，然后在孔內灌注環氧砂漿進行封孔。綁扎承臺鋼筋，澆注承臺砼。
（5）在梁底鉆孔均勻布置25錨筋，采用“植筋法”工藝，由于鉆孔時要穿過梁底多層鋼筋網，施工較為困難，在不減少其抗拔力的前提下，可適當移動位置和調整深度。
（6）對原120cm墩柱保護層砼鑿毛，深度小于2cm，在柱身按30×30cm間距梅花型釘入金屬膨脹螺栓，螺栓安全剪力于7.5KN。再綁扎墩身鋼筋，分兩次澆注墩身砼，減少墩身砼的收縮變形量，特別注意使墩頂與箱梁連接處的砼澆注密實。
（7）承臺、墩身砼在凝固期，應注意減少震動，采取封閉交通或限制載重于5t的貨車行駛的交通管制措施。
3．4加固功效
經過第二次加固，可達到5個功效，從而使立交匝道橋的使用功能更加安全可靠：
（1）加固墩本身橫向抗彎扭（向外弧側）能力有較加強，能抗衡來自不平衡恒載、弦向溫度變位、活載離心力、弦向活載制動力的影響。
（2）約束各墩支座向彎道外側移動的水平位移。
（3）約束聯兩端伸縮縫的剪刀叉變位。
（4）改善未加固的固結墩內弧側的水平裂縫。
（5）穩定原橋梁結構體系的正常運作，使端支座受力超負荷現象、橋面外緣下降、內緣上升現象及瀉水管錯位現象等到有效的控制和改善。
