寒区公路改扩建高墩桥梁维修加固安全施工关键技术研究

关键词： 支座更换；有限元分析；旧病害处理

引言：支座作为桥梁关键传力构件，其失效会导致梁体内力重分布，使结构实际受力状态偏离设计理论图示，严重影响桥梁承载能力与正常使用。尤其在超载车辆增多、材料老化加剧的背景下，支座脱空、变形、开裂等病害频发。传统更换工艺需中断交通且风险高，而同步顶升技术结合有限元分析方法的应用，实现了不中断交通条件下的精准顶升与支座更换。本研究从病害机理、顶升工艺及数值模拟三方面展开，形成系统性解决方案，对推动桥梁管养技术进步具有重要意义。

1 依托工程概况

项目位于吉林省白山市，路线起点位于漫江镇锦江村附近，既有国道G331 与 G504 交叉位置，沿既有长白山环线向北经白溪小镇、大碱场村、马鞍山，终点位于二道白河镇美人松路与建封路交汇处，顺接美人松路。起点桩号 K560+800 ，终点桩号 K610+040 ，路线全长 49.24 公里。采用一级公路标准建设，双向四车道，设计时速60 公里/ 小时，路基宽度19 米。本设计段既有大桥 748.16m/3 座，中桥 156.12m/3 座，小桥 176.46m/14 座改建后本设计段共设置大桥 749.58/3 座（均为半幅维修利用，半幅新建）。中桥 264.52m/4 座（其中不满足行洪拆除重建 134 米 /2 座；半幅维修利用半幅新建 130.52 米 /2 座）

2 前川大桥旧桥病害问题分析

2.1 前川大桥现状

前川大桥桥梁中心桩号为 K601+570.112 ，交角 90^∘ ，上部结构采用15×30m 预应力混凝土简支 T 梁，桥长 456.04m ，桥宽 10.5m ，下部结构采用矩形桥墩，肋板台，钻孔灌注桩基础、扩大基础。其旧桥桥墩主要病害如下：墩柱存在竖向裂缝 6 条，分布于 3 根构件上，裂缝长度介于1m～2.4m 之间，裂缝宽度介于 0.06mm～0.2mm 之间，竖向裂缝总长度为 10.3m 。桥墩存在剥落、露筋15 处，分布于7 根构件上，总面积为 2.47m² 。桥墩存在碳化、腐蚀 2 处，分布于 2 根构件上。桥墩存在锈胀露筋 1 处，面积 0.02m² ，位于5# 墩柱。存在病害支座98 个，占总数的 65.33% 。

2.2 支座病害原因分析

支座病害的精准识别是制定更换方案的前提。通过对多座桥梁的实地检测与文献研究，总结出以下典型病害模式：

2.3 脱空与偏压

在前川大桥检测中发现，52 个支座出现脱空，46 个支座存在脱空开裂现象。此类病害主要由支座垫石标高偏差或梁体预拱度不均引起，导致支座局部悬空，有效承压面积减小。脱空率达 45% 以上时，将显著改变梁体弯矩分布，引发梁端开裂。

2.4 异常变形与开裂

前川大桥原设计采用的球冠式橡胶支座出现超过 10% 的压缩变形和径向开裂。分析表明，主要成因包括：橡胶材料劣化（臭氧老化）、超载车辆反复作用（尤其重载车辆占比超 20% 时）以及设计选型不当（与现行《公路桥梁板式橡胶支座规格系列》不符）。

2.5 老化与磨损

前川大桥老化特征表现为表面龟裂、硬度增加（邵氏硬度变化>10% ）及弹性下降（压缩模量衰减超 30% ）。化学侵蚀（除冰盐氯离子渗透）与紫外线氧化是主要诱因。

表一：支座病害综合特征及主要成因

3 寒区高墩桥梁维修加固方案设计

针对寒区高墩桥梁的典型病害，本研究提出了以下维修加固方案：

公路桥梁桥墩维修的过程主要包含以下方面脚手架搭置、主梁顶升、支座更换、表面维修、植筋维修等。首先是搭建脚手架。在搭建脚手架的过程中，需要使脚手架尽量接近墩柱，为施工人员提供通行便利。如果脚手架的搭建是为了进行表面维修覆盖工作，此时脚手架的高度和平面尺寸的确定依据是墩柱的高度。

其次支座顶升是本工程危险性最高的施工，因此需要细化施工方案。其采用千斤顶对桥梁上部结构进行支撑抬起，千斤顶放置在支点位置，由专人指挥，统一发令，每次顶升高度为 3mm 。顶升过程中要设置临时支点。千斤顶由油泵控制，每台油泵控制多台千斤顶，每个千斤顶要由专人负责，随时测量，保证每个千斤顶处的顶升高度基本保持一致，误差不能超过0.5mm 。 顶升时以竖向位移和千斤顶油压表读数进行双控。竖向位移用桥面上设置的观测标志确定， 要求竖向位移差基本保持一致。竖向位移观测人员要随时与油泵操作人员保持密切联系，指导 操作人员进行操作。同时，各油泵操作人员通过油压表读数随时进行调整。顶升时各油压表读数与理论计算误差值不超过 ±1MPa 。顶升时一定要缓慢同步，且一边顶升一边支垫，以防发生突发事件。

最后是进行现场测试 ， 需要做好现场的检查工作以保证整个机构过程的安全。每个施工工程开始前 ， 都需要对现场进行检查工作，这是施工部门展开工作的前提。主要检查以下几个方面：现场开裂情况、桥墩的垂直度、支座的状态等。其中支座检查最为重要，包含盖梁同主梁之间的平面对应关系。最后是进行混凝土结构的处理。采用环氧树脂砂浆修补凿除面，当空洞厚度达到 5cm 时， 可采用聚合物混凝土修补。

在材料选择方面，重点考虑低温环境下的性能要求。选用抗冻性、耐腐蚀性优异的高性能混凝土和修补材料；采用低温固化、高粘结强度的结构胶粘剂；选择耐候性好的防腐涂料。

4 结论与展望

本研究通过系统分析支座病害机理，结合同步顶升技术与有限元模拟，形成成套支座更换解决方案：

病害控制：支座选型需严格符合现行规范，加强垫石施工精度控制，并建立超载车辆监控机制

顶升优化：整体同步顶升是连续梁桥优选方案，顶升高度按跨径与位置差异化控制（一般 ⩽8mm/ 级）

数值模拟：Midas Civil 可精准预测顶升反力与应力，参数化设计保障方案安全