南同蒲鐵路黃河特大橋換梁工程關鍵技術

郭子煜 楊永明

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

早期建設的鐵路鋼橋，受當時設計理論和經濟能力限制，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，以及鋼結構養護不到位，導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應力鋼筋混凝土梁更換為同等跨度鋼梁或鋼-混結合梁[1]，由于更換后的鋼梁或鋼-混結合梁較原混凝土梁輕，故下部結構一般不需要加固。也有將鋼梁更換為預應力混凝土梁，由于梁重的增加，需要減小跨度及增加橋墩個數[2]。而以上兩種方法均為橫向置換，即舊梁橫向一側移除后，新梁從另外一側橫向頂推至橋位[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混凝土管樁基礎外，其余均為直徑10 m的混凝土沉井基礎。

既有橋梁部主要存在主桁橫向剛度嚴重不足、上橫聯桿件端部有裂紋、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。既有橋現狀見圖1，孔跨布置及基礎形式見圖2。

圖1 南同蒲鐵路黃河特大橋現狀

圖2 南同蒲鐵路黃河特大橋孔跨布置(單位：m)

2 主要工程內容

(1)鋼梁更換

既有橋梁部采用戰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有規范要求，故需要整體更換。經過比選，決定將梁部更換為整體性能更好、質量更輕、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進行幫寬加固，故全橋墩身需維持現狀。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 關鍵技術和創新點

(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，質量僅110 t。墩身和基礎已建成50年，表面均出現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構不能幫寬加固，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)設計可行的施工方案

國內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(搭設棧橋→拆除既有橋梁→改造橋墩臺頂帽→建設新梁)無法實施。因此，結合既有橋現狀并經過多方案比選[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，國內外無經驗可循，如何保證拖拉過程順利實施成為關鍵。

(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置限位及糾偏裝置。由于兩點限位平面上為靜定結構，作用點和方向確定，根據簡單的力平衡原理計算確定拖拉過程各狀態在拖拉力作用下梁體橫向的作用力的大小。可以有效計算出墩頂橫向限位的最大可能受力，以便設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生較大影響。采取合理有效的工程措施，在保證施工質量的前提下，有效縮短斷道施工時間，可以產生明顯的社會效益和經濟效益。

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，梁部質量僅110 t。在橋墩和基礎難以加固情況下，新梁必須選擇自重輕[9]、整體性好的梁型，以滿足下部結構和地基承載力的要求[10]。通過比選，選擇明橋面鋼箱梁，質量為220 t。通過對既有橋墩、樁基礎和沉井基礎的檢算，目前既有橋下部結構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棧橋斷道施工。既有橋中部20孔范圍上下游兩側搭建棧橋，棧橋寬10 m，棧橋上架設兩臺跨線門吊；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范圍，方案無法通過相關部門審批，故予以舍棄。

結合本橋特點，創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，實現連續拖拉[14]。該方案的優點是舊梁可作為新梁的導梁，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置，同時接觸面上也設置通長的不銹鋼板。

(2)墩頂下滑道梁端設置

為使舊梁節點更容易拉上橋墩，將墩頂的下滑道梁端設計為圓弧狀(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滑道面摩擦力稍有不同，將導致梁體出現橫移。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縱向滑動和橫向位移調整。橫向調整限位裝置見圖9。

圖9 可調節的橫向線位裝置

(4)墩頂位移監控

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展，因此需要在拖拉過程中嚴密監測墩頂位移，若接近允許限值則立刻暫停拖拉[16]。

7 結論

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

(2)拖拉施工對于鋼結構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，非常適合環保、水土及行洪要求高的橋梁施工。

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

(4)長距離拖拉施工過程中，應確?；烂娴钠秸?、光滑。對于橫向剛度偏弱的橋梁，橫向限位裝置應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。