鉚接鋼桁梁橋維修改造專項技術(shù)

（中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430205）

重慶市牛角沱嘉陵江大橋建成于1966年，位于渝中區(qū)上清寺與江北區(qū)相國寺之間，為當時重慶第一座跨江大橋，2009年被列為重慶市文物保護單位。大橋全長625.71m，其中主橋為（68+80+88+80+68）m五跨鋼桁梁全鉚接橋。橋型如圖1所示。

截至2018年，重慶牛角沱嘉陵江大橋已連續(xù)服役52年，因受環(huán)境、荷載等諸多因素的影響，原橋混凝土橋面板以下的主桁頂面桿件和鉚釘銹蝕、變形嚴重，主要病害如下。

部分主桁桿件銹蝕、變形嚴重桿件的隱蔽部位、桿件間隙存在銹斑、銹坑，伸縮裝置附近桿件銹蝕較嚴重。同時，上下平聯(lián)共計18根剪刀撐存在異常變形。主桁體系桿件的銹蝕狀況如圖2所示。

圖1 正橋總體立面圖（單位：m）

圖2 主桁桿件銹蝕情況

圖3 橋面板病害情況

主橋混凝土橋面板的主要缺陷是混凝土剝落、裂縫、露筋等。部分行車道板底面存在著大量的縱向和橫向裂縫，部分裂縫存在滲水現(xiàn)象，基本裂穿。橋面板病害情況如圖3所示。

牛角沱大橋需在整治橋梁病害的同時，最大程度保留恢復其原有形態(tài)。改造完成后，橋梁橫橋向?qū)挾取⒉贾门c改造前保持一致，正橋主桁結(jié)構(gòu)的整體受力體系不變，適當減小橋面板系重量減輕舊橋負擔。具體改造方案如下。

將原有的混凝土車行道板更換為正交異性鋼橋面，提高橋梁承載能力的同時降低橋梁恒載。采用無應(yīng)力狀態(tài)控制法更換原橋銹蝕、變形嚴重桿件，采用電磁熱鉚技術(shù)更換和補充原橋銹蝕、缺失鉚釘。

一、橋面板結(jié)構(gòu)功能恢復與提升

國內(nèi)早期建設(shè)的鋼桁梁橋橋面多為混凝土結(jié)構(gòu)，隨著運營時間的延長及橋梁長期振動的影響，出現(xiàn)混凝土橋面板保護層碳化剝落、開裂滲水、砂漿墊層碎落、鋼縱梁疲勞裂紋等常見病害，嚴重影響橋梁結(jié)構(gòu)繼續(xù)服役。

荷載方面，牛角沱嘉陵江大橋原鋼桁梁橋設(shè)計荷載低于實際交通荷載。現(xiàn)有橋梁上的常規(guī)主車一般為20t左右，車貨重50t以上，重型車輛車輪的局部載荷也在10t以上；而原設(shè)計標準汽車的主車為18t，車貨重30t，現(xiàn)有交通荷載遠超行車道板原設(shè)計的正常使用承載能力，直接導致行車道板下密集裂縫的產(chǎn)生。

材料特性方面，混凝土橋面具有自重大和易開裂性等特點。經(jīng)過幾十年的運營和環(huán)境腐蝕，公路橋面板的設(shè)計結(jié)構(gòu)幾何尺寸與其設(shè)計荷載標準相適應(yīng)，橋面板混凝土的碳化、裂縫嚴重，構(gòu)件實際有效幾何尺寸減小，部分主受力鋼筋銹蝕，客觀上造成了因使用壽命導致的承載力退化。

結(jié)構(gòu)特點方面，鋼桁梁橋的剛度小于混凝土梁橋，受車輛行駛振動的影響，直接支撐于鋼桁架的橋面板與鋼構(gòu)件直接相互作用，使得橋面板混凝土在支撐處普遍開裂。

原結(jié)構(gòu)的混凝土橋面板由于病害和承載能力不足，已不再適用于該橋。此次維修改造將原有的混凝土橋面結(jié)構(gòu)更換為正交異性鋼橋面體系，可有效提高橋面結(jié)構(gòu)的承載力和整體性，在減輕結(jié)構(gòu)自重的同時，改善了鋼桁架結(jié)構(gòu)的力學性能，既縮短了施工周期，又提高行車舒適性。鋼橋面板與鋼桁梁通過多支座連接，減少橋面伸縮縫數(shù)量，結(jié)構(gòu)體系更合理，可有效適應(yīng)板桁溫差的變化，解決傳統(tǒng)鋼桁梁橋橋面板結(jié)構(gòu)劣化及影響運營安全等問題。

為保證改造期間交通正常通行，根據(jù)工程特點采用分幅改造模式，保留半幅作為交通通道。橋面板改造依照“先左幅、后右幅”的總體施工原則，左幅施工時，防撞護欄設(shè)置在右幅，距軸線距離根據(jù)社會通道需求確定，防撞護欄施工完成后封閉左幅交通，自跨中向兩側(cè)通過拼裝式架板機依次倒退進行橋面系統(tǒng)改造。

二、桿件無應(yīng)力置換及電磁鉚接

鋼桁梁橋因風吹日曬而導致大量桿件銹蝕嚴重，且原有桿件防腐體系已經(jīng)基本失效，為保證鋼桁梁的結(jié)構(gòu)整體性及安全穩(wěn)定性，采用與原橋結(jié)構(gòu)相同的板件（規(guī)格材料）同等更換。

更換過程中，為了保證鋼桁梁橋在桿件置換時的的安全性，置換桿件的截面與原有桿件截面形式相同，應(yīng)盡量使其處于無應(yīng)力狀態(tài)，將置換的桿件變?yōu)榱銞U。桿件置換過程應(yīng)遵循以下原則。

1.新制桿件必須與舊桿件幾何尺寸一致，保證置換后新桿件的應(yīng)力狀態(tài)與舊桿件的應(yīng)力狀態(tài)基本保持同一狀態(tài)。

2.有效控制待置換桿件相鄰節(jié)點間的位移。

3.對待置換的桿件采用臨時桿件替代。

4.臨時桁架、胎架必須有足夠的強度和剛度，以保證鋼桁梁整體安全穩(wěn)定性。

5.在工廠制造新構(gòu)件時，以舊構(gòu)件為模板，并采用套鉆技術(shù)，新桿件一端孔在工廠鉆制，現(xiàn)場配置另一端孔，確保置換后桿件孔與節(jié)點板孔的對位精度。

牛角沱嘉陵江大橋的桿件置換在保證交通中斷且結(jié)構(gòu)荷載處于對稱狀態(tài)下進行。因原有桿件間通過鉚釘連接，為滿足“修舊如舊”的原則，需更換部分銹蝕失效鉚釘。為加快施工速度，提高鉚接工藝水平，鉚釘加熱選用全固態(tài)電磁感應(yīng)鉚釘加熱爐，精確控制鉚釘?shù)拈L度是電磁熱鉚施工成功的前提。電磁熱鉚施工前，先評定試驗鉚接工藝，對鉚接板厚、直徑、溫度等工藝指標進行試驗，修改鉚釘長度參數(shù)，提高鉚接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的安全可靠性。鉚釘電磁鉚接過程應(yīng)遵循以下原則。

為保護原結(jié)構(gòu)、提高工作效率、節(jié)約成本，不選取常規(guī)氧割方法拆除鉚釘，選用“碳弧氣刨+磁力鉆鉆芯”技術(shù)拆除原有鉚釘，并清理孔壁；鉚釘?shù)氖笺T溫度應(yīng)控制在1000℃～1100℃的區(qū)間，且終鉚溫度在450℃～600℃的區(qū)間，終鉚溫度不宜過高或過低；為使鉚釘釘頭周邊與桿件表面密貼，鉚釘釘頭成形后，迅速用鉚釘槍繞釘頭傾斜打擊并旋轉(zhuǎn)一周。

三、結(jié)語

國內(nèi)的鉚接鋼結(jié)構(gòu)橋梁使用壽命普遍超過70年，混凝土橋面板破損、部分鋼結(jié)構(gòu)銹蝕等病害日益嚴重。對眾多鉚接鋼桁梁橋維修加固過程中，形成的橋面板結(jié)構(gòu)功能恢復與提升技術(shù)、桿件無應(yīng)力置換與電磁鉚接技術(shù)等維修改造技術(shù)，均在牛角沱大橋維修改造工程中得到了良好應(yīng)用，既保證了鉚接鋼桁梁橋在維修時的安全穩(wěn)定性，又提升了使用功能，最終實現(xiàn)鉚接鋼桁梁橋“修舊如舊”的總原則，為同類型鉚接鋼桁梁橋的維修加固提供了數(shù)據(jù)參考，也提高了我國鉚接鋼桁梁橋的維修改造水平。