南同蒲鐵路黃河特大橋換梁工程關(guān)鍵技術(shù)

郭子煜 楊永明

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

早期建設(shè)的鐵路鋼橋，受當(dāng)時設(shè)計理論和經(jīng)濟能力限制，往往存在梁體高跨比不合理，自重過輕等問題。隨著鐵路運量運能的提升，以及鋼結(jié)構(gòu)養(yǎng)護不到位，導(dǎo)致鋼橋桿件病害嚴重。為徹底解除病害，需要對梁體進行更換。

目前，換梁施工多為中小跨度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁更換為同等跨度鋼梁或鋼-混結(jié)合梁[1]，由于更換后的鋼梁或鋼-混結(jié)合梁較原混凝土梁輕，故下部結(jié)構(gòu)一般不需要加固。也有將鋼梁更換為預(yù)應(yīng)力混凝土梁，由于梁重的增加，需要減小跨度及增加橋墩個數(shù)[2]。而以上兩種方法均為橫向置換，即舊梁橫向一側(cè)移除后，新梁從另外一側(cè)橫向頂推至橋位[3]。此施工方案需要沿既有橋修建臨時墩，對于多孔大跨度鋼梁，特別是位于水面上的橋梁而言并不適用，故需要設(shè)計一種新的施工方案，既不增加涉水工程，又能安全快速地更換梁體。

基于南同蒲鐵路黃河特大橋改造加固的實踐，提出一種單向單點連續(xù)拖拉的施工方案，以期達到較好的改造效果。

1 工程概況

既有南同蒲鐵路黃河特大橋位于黃河和渭河匯合口下游約3 km，是南同蒲線上一座大型橋梁[4]。該橋于1966年籌建，1969年竣工，1970年交付運營。全橋采用24-48 m上承式簡支拆裝式桁梁[5]，全長1 199.6 m，橋面為直線平坡，設(shè)計活載為中-22級。

橋墩墩身為圓形，1～5號、23號墩墩身直徑為4 m，6～22號墩墩身直徑為3 m，橋臺為T臺。除0號、24號臺、1～5號墩及23號墩采用直徑55 cm混凝土管樁基礎(chǔ)外，其余均為直徑10 m的混凝土沉井基礎(chǔ)。

既有橋梁部主要存在主桁橫向剛度嚴重不足、上橫聯(lián)桿件端部有裂紋、高強度螺栓折斷、橫向振幅過大、桁梁死撓度等病害，自2001年5月17日起，限速25 km/h。既有橋現(xiàn)狀見圖1，孔跨布置及基礎(chǔ)形式見圖2。

圖1 南同蒲鐵路黃河特大橋現(xiàn)狀

圖2 南同蒲鐵路黃河特大橋孔跨布置(單位：m)

2 主要工程內(nèi)容

(1)鋼梁更換

既有橋梁部采用戰(zhàn)備用的拆裝式梁作為永久性橋梁，耐久性較差，各桿件病害嚴重，且各項性能指標不能滿足現(xiàn)有規(guī)范要求，故需要整體更換。經(jīng)過比選，決定將梁部更換為整體性能更好、質(zhì)量更輕、便于施工的明橋面鋼箱梁。更換梁體前后的橫截面見圖3。

圖3 既有拆裝梁和鋼箱梁橫截面

(2)橋墩臺頂帽改造

河道主管部門不允許水面以下墩臺及基礎(chǔ)進行幫寬加固，故全橋墩身需維持現(xiàn)狀。相較于既有拆裝梁，鋼箱梁橫向支點距離更寬，梁高更矮。因此，需要對既有橋墩的頂帽進行加寬和加高改造。橋墩改造前后對比見圖4。

圖4 橋墩改造前后對比

3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

(1)選擇合理的替換梁型

既有橋梁梁部為較輕便的拆裝式桁梁，質(zhì)量僅110 t。墩身和基礎(chǔ)已建成50年，表面均出現(xiàn)肉眼可見的裂縫和不同程度的混凝土碳化，但由于河道管理部門要求水面以下結(jié)構(gòu)不能幫寬加固，故改造加固后梁體各項指標必須能夠滿足地基承載力、橋墩及基礎(chǔ)在施工及運營期間受力、開通運營后車輛行車舒適性等各項要求。

(2)設(shè)計可行的施工方案

國內(nèi)換梁通常采用的施工方案為梁體整體拆除后再整體吊裝。該橋位于黃河和渭河匯合口下游約3 km處，橋的兩端均為隧道，橋位處河道狹窄，任何的涉水工程均被禁止，最簡單快捷方案(搭設(shè)棧橋→拆除既有橋梁→改造橋墩臺頂帽→建設(shè)新梁)無法實施。因此，結(jié)合既有橋現(xiàn)狀并經(jīng)過多方案比選[7]，提出一種新的總體縱向拖拉的施工方案。難點在于不拆除舊梁的同時加高加寬橋墩頂帽，同時拖拉長度達1 km，國內(nèi)外無經(jīng)驗可循，如何保證拖拉過程順利實施成為關(guān)鍵。

(3)橫向限位裝置受力計算

為使得梁體在拖拉過程中受力控制更簡單，拖拉過程更加安全。采用兩點限位的方式，僅在最靠近拖拉位置和任意墩頂位置設(shè)置限位及糾偏裝置。由于兩點限位平面上為靜定結(jié)構(gòu)，作用點和方向確定，根據(jù)簡單的力平衡原理計算確定拖拉過程各狀態(tài)在拖拉力作用下梁體橫向的作用力的大小?？梢杂行в嬎愠龆枕敊M向限位的最大可能受力，以便設(shè)計出滿足受力要求的橫向限位裝置，確保施工過程安全可靠[8]。

(4)縮短斷道時間

南同蒲線為山西通往華南、華東的重要運輸通道。長時間的斷道施工在國內(nèi)鐵路史上屬于首次。斷道期間對鐵路沿線居民的出行及山西省對外貨物運輸產(chǎn)生較大影響。采取合理有效的工程措施，在保證施工質(zhì)量的前提下，有效縮短斷道施工時間，可以產(chǎn)生明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

4 新梁型的選擇及全橋性能指標

舊梁為跨度48 m明橋面上承式簡支拆裝梁，梁部質(zhì)量僅110 t。在橋墩和基礎(chǔ)難以加固情況下，新梁必須選擇自重輕[9]、整體性好的梁型，以滿足下部結(jié)構(gòu)和地基承載力的要求[10]。通過比選，選擇明橋面鋼箱梁，質(zhì)量為220 t。通過對既有橋墩、樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)的檢算，目前既有橋下部結(jié)構(gòu)能夠滿足換梁施工及換梁完成后的運營安全。通過車橋動力仿真分析[11]，換梁完成后的梁部和橋墩能夠滿足運營舒適性的要求。

5 施工方案的選擇

最為方便高效的施工方案為搭設(shè)棧橋斷道施工。既有橋中部20孔范圍上下游兩側(cè)搭建棧橋，棧橋?qū)?0 m，棧橋上架設(shè)兩臺跨線門吊；斷道后拆除既有梁部，改造墩臺頂帽，逐孔架設(shè)新梁。本方案工期最短僅需4.5個月。但橋位處屬于濕地保護區(qū)范圍，方案無法通過相關(guān)部門審批，故予以舍棄。

結(jié)合本橋特點，創(chuàng)造性提出采用總體縱向拖拉的施工方案[12]。首先通過橋面上兩臺可在鋼軌上行走的吊車，將既有鋼梁逐孔起吊、臨時固定，再對既有墩臺頂帽進行切割、鑿除，然后吊裝鋼殼，綁扎鋼筋，澆筑混凝土，頂帽改造完成后，在墩頂安裝滑道梁、限位裝置等拖拉設(shè)備。施工平臺安裝完成后，將舊梁之間、新梁之間以及新舊梁之間相互連接[13]，拆除舊梁的同時安裝新梁，實現(xiàn)連續(xù)拖拉[14]。該方案的優(yōu)點是舊梁可作為新梁的導(dǎo)梁，同時可縮短施工工期。施工方案示意見圖5，實際拖拉過程見圖6，拼裝平臺見圖7。

圖5 施工方案示意

圖6 拖拉過程

圖7 新梁拼裝平臺

施工步驟如下。

①在首尾各兩孔梁下搭設(shè)拼裝平臺。

②利用跨線龍門吊機拆除此4孔鋼梁。

③在剩余鋼梁上安裝側(cè)向支撐裝置，起頂各孔鋼梁。

④對既有墩臺頂帽進行加高加寬改造施工。

⑤在各橋墩墩頂安裝滑道梁、墩頂錨固塊等設(shè)備，各孔間采用臨時桿件連接牢靠。

⑥在第二孔位置的施工平臺上架設(shè)鋼箱梁。

⑦新舊梁之間通過臨時桿件連接。

⑧向大里程拖拉鋼梁。當(dāng)舊梁牽引至后施工平臺上后，將其拆除。同時在前施工平臺上架設(shè)新的鋼箱梁。

⑨將新的鋼箱梁與前孔梁通過臨時桿件相連。

⑩重復(fù)以上步驟直至所有鋼梁拖拉就位。

6 施工過程的保障措施

(1)舊梁梁底上滑道設(shè)置

舊梁為上承式拆裝梁，主桁均為槽鋼或角鋼的組合桿件，本橋雖位于平坡直線的線路平面上，但梁體本身豎向剛度弱，跨中高程要低于墩頂高程。拖拉過程中，每個主桁節(jié)點拖拉上橋墩時就像在爬一個個小山坡。為了降低拖拉力，將舊梁底的上滑道沿縱向通長設(shè)置，同時接觸面上也設(shè)置通長的不銹鋼板。

(2)墩頂下滑道梁端設(shè)置

為使舊梁節(jié)點更容易拉上橋墩，將墩頂?shù)南禄懒憾嗽O(shè)計為圓弧狀(見圖8)。

圖8 通長的梁底上滑道和帶圓弧的墩頂下滑道

(3)加強舊梁橫向限位裝置

舊梁橫向主桁中心距僅2.2 m，橫向剛度弱，拖拉過程中，若上下游拖拉力稍有不均或同一墩頂上下游側(cè)滑道面摩擦力稍有不同，將導(dǎo)致梁體出現(xiàn)橫移。為避免梁體橫向位移過大，需加強橫向限位裝置[15]。同時，橫向限位裝置可實現(xiàn)縱向滑動和橫向位移調(diào)整。橫向調(diào)整限位裝置見圖9。

圖9 可調(diào)節(jié)的橫向線位裝置

(4)墩頂位移監(jiān)控

由于既有橋墩沒有進行幫寬加固，且墩身裂縫有一定程度發(fā)展，因此需要在拖拉過程中嚴密監(jiān)測墩頂位移，若接近允許限值則立刻暫停拖拉[16]。

7 結(jié)論

(1)改造加固項目不同于新建項目，需要對既有橋梁的狀態(tài)進行檢測并對各結(jié)構(gòu)進行深入細致的分析，以便形成合理可行的加固方案。

(2)拖拉施工對于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的改造是非常重要的施工方法，能夠有效避免水上臨時輔助措施施工，非常適合環(huán)保、水土及行洪要求高的橋梁施工。

(3)既有鋼橋換梁施工應(yīng)盡量利用既有鋼結(jié)構(gòu)，將其作為拖拉施工的一部分，既可以節(jié)省造價又可以節(jié)省工期。

(4)長距離拖拉施工過程中，應(yīng)確保滑道面的平整、光滑。對于橫向剛度偏弱的橋梁，橫向限位裝置應(yīng)保證有足夠能力限制梁體制橫向位移，同時具有橫向糾偏的能力。