公路連續梁橋改擴建為公鐵兩用鋼桁梁橋技術*

徐步齊，張文學，許 樂，高 奇

(1.中鐵十二局集團第七工程有限公司，湖南 長沙 410004； 2.北京工業大學建筑工程學院，北京 100124)

0 引言

隨著我國交通路網越來越密集，東部土地資源越來越稀缺，西部交通建設合理走廊帶越來越少，公路鐵路合建需求越來越大，建設公鐵兩用橋的優勢越來越明顯。首先，建設公鐵兩用橋不僅可共用基礎，節省造價，而且可大幅度節約建設用地，降低土地征拆費用，具有明顯的成本優勢。其次，在跨江、跨河公路橋和鐵路橋共建，可降低對河道通航干擾；在山區采用公鐵兩用橋可大幅度降低對原有地貌的破壞，具有非常明顯的環境效益。經過多年發展與實踐，我國在新建公鐵兩用橋梁的設計、施工領域積累了豐富經驗，但在既有橋梁改擴建為公鐵兩用橋的工程實例還很少，還未見相關報道。為此本文以南沙港鐵路為依托，從主要施工方案選取，到關鍵工序施工要點及質量控制等方面較全面地對公路連續梁橋改擴建為公鐵兩用鋼桁梁橋進行了施工技術總結，可為今后同類工程的建設提供參考和借鑒。

1 工程概況及重難點分析

1.1 工程概況

新建鐵路廣州南沙港鐵路西江特大橋跨雞鴉水道公鐵兩用連續鋼桁梁橋的跨徑組合為103m+175m+103m，全橋長381m。平行弦連續鋼桁梁結構，主桁共2片，桁間距為15.0m，桁高16.4m，邊跨節間長12.75m，中跨節間長12.50m，全橋由30個節間組成。公路與鐵路分2層布置，上層為6車道高速公路，橋面寬34.2m，公路橋面橫向采用輔助桁架，副桁上弦桁間距為33.5m；下層布置雙線鐵路，線間距4.0m，鋼桁梁截面形式如圖1所示。該橋總用鋼量14 500t，最大桿件重達73t，高強螺栓41萬套。

圖1 鋼桁梁橫截面(單位：m)

該橋是在原廣中江高速公路雞鴉水道大橋橋位上進行改擴建，原公路橋為左、右幅分建的連續剛構橋，左幅跨徑組合為(102.5+176+102.5)m，右幅跨徑組合為(102.5+176+106)m。合建前原廣中江高速公路雞鴉水道公路大橋已完成墩身和右幅箱梁0號塊與1號塊施工。根據設計，合建公鐵兩用橋需利用既有公路橋的基礎和橋墩，在合建前將已施工公路橋的梁體及部分墩身拆除。

1.2 重難點分析

1)既有橋下部結構改造利用 進場前原廣中江高速公路雞鴉水道橋公路左、右幅均已完成樁基、承臺和墩身施工，右幅橋0號和1號塊已施工完成。在此基礎上改擴建成公鐵兩用橋，由此產生的技術問題有：①既有公路橋梁體及部分墩身破除施工技術，如何既要提高切除施工效率，又要保證再利用橋墩混凝土的完整性和接頭鋼筋的可靠性是該項目的一個難點；②既有橋墩于1年前澆筑完成，如何防止新舊混凝土結合面因齡期差異而導致新澆筑混凝土開裂是該項目必須考慮的問題。

2)鋼桁梁架設合龍 橋梁地處廣東經濟繁華區，雞鴉水道為Ⅲ級航道，過往船只多、噸位大，河道內不能設置臨時支墩，只能采取懸拼或頂推施工方案。而該橋跨度大、自重大、合龍口多(上弦5個接口，下弦3個，如圖2所示)，懸臂拼裝線形控制及跨中合龍難度大。

圖2 合龍口

3)橋面系施工質量控制 ①鐵路橋面系在架設過程中預拱度及整體線形的精度控制高，復合鋼板現場焊接工藝新穎，質量要求高；②公路橋面系標準段寬34.2m，混凝土板為現澆施工，混凝土施工體量大，如何有效控制混凝土后期收縮徐變是關鍵；公路橋面結構由縱橫梁組成的格子梁、封底鋼板、縱肋、橫向剪力鍵、剪力釘、上層鋼筋網等組成，構件較多，工序較多，施工過程復雜，如圖3所示。

圖3 公路橋面結構

2 鋼桁梁架設方案比選與設計

2.1 方案比選

根據雞鴉水道公鐵兩用橋的結構形式和橋梁所跨越河道的通航要求，其鋼桁梁架設可采用的方案有懸拼方案和頂推方案2種。

1)懸拼方案 兩側邊跨支架拼裝+中跨懸拼方案，邊跨布置4道臨時支墩，具體如圖4所示，同時為便于構件水上運輸起吊和跨中合龍，一側采用梁上旋轉吊機拼裝，另一側采用浮吊拼裝。

圖4 懸拼方案示意

2)頂推方案 在一側引橋和邊跨布置臨時支墩，在箱梁前進端設置108m長鋼桁架導梁，共布置11道臨時支墩，具體如圖5所示。

為選擇更合理的施工方案，從場地條件、鋼桁梁架設過程受力特點和施工控制難易程度等角度對以上兩種方案進行定性對比分析。分析結果表明：無論是從臨時結構材料用量，還是從施工控制的難易程度方面，懸拼方案均比頂推方案更優些。同時，通過對頂推過程模擬分析可知，當頂推至最大懸臂狀態時，鼻梁前段的撓度為1 298mm(方向向下)，鋼桁梁下弦桿的最大壓應力為473.8MPa，大于弦桿的材料設計強度340MPa，如圖6所示，故不建議采用頂推施工方案。

圖5 頂推方案示意

圖6 頂推過程應力與變形

2.2 懸拼施工過程分析

本橋施工過程分析采用MIDAS/Civil-V2015建立全橋空間有限元模型，模型中桿件采用beam單元，節點按剛接處理，每根桿件劃分為5～10個單元，全橋共有3 550個節點，5 812個單元。架梁吊機按200t計算，按集中荷載作用在桁架節間上；公路橋面鋪裝折算為線荷載后按集中荷載作用在桁架節間上；整橋自重按15 500t計算。

根據實際懸拼方案進行施工過程模擬得在懸拼過程中鋼桁梁各桿件的應力狀態滿足規范要求，合龍口變形如圖7所示。在小里程側懸臂端，縱向位移Δx1=21.7mm，豎向撓度Δz1=-236.5mm，合龍口轉角θ1=11.95°；在大里程側懸臂端，縱向位移Δx3=-22.3mm，豎向撓度Δz3=-196.0mm，合龍口轉角θ2=9.96°。

圖7 整橋合龍前變形

按合龍工藝流程，合龍口的縱、橫向偏差均采用墩頂縱、橫向糾偏裝置進行調整。合龍口的豎向偏差及轉角采用邊墩落梁的方法進行調整。通過理論計算得出，在678號墩落梁333mm，在681號墩落梁265mm，可消除合龍口的豎向偏差及轉角。故鋼桁梁在施工過程中整體比支座頂面高30cm，便于降邊墩，調整合龍口。

3 關鍵工序施工技術

根據依托工程的結構特點、場地情況及工期安排，南沙港鐵路雞鴉水道公鐵兩用鋼桁梁橋的主要施工工藝包括：①既有公路橋箱梁和部分墩身拆除；②大型臨時設施工程施工；③構件工廠加工及運輸；④現場拼裝架設；⑤跨中合龍施工等。現對關鍵工序進行技術總結如下。

3.1 既有公路橋下部結構改造利用施工

既有公路橋梁0，1號塊及部分墩身需切除，然后在此基礎上進行接墩、澆筑蓋梁。如何既保證接頭位置混凝土的完整性和接頭鋼筋的可靠性，又提高既有橋墩混凝土的破除效率是需解決的問題。為此，本項目提出先采用繩鋸分塊切割，分塊拆除廢除部分，在既有墩身鋼筋利用段采用微爆破加人工風鎬剝離混凝土工藝，取得較好施工效果。同時，考慮到既有橋墩于1年前澆筑完成，為預防新舊混凝土結合面因齡期差異而導致新澆筑混凝土開裂問題，開發了二次振搗混凝土澆筑施工工藝，通過二次振搗約可降低新澆筑混凝土早期收縮30%，如圖8所示，圖中A組和D組為正常澆筑，一次振搗，B組和C組分別間隔2h和4h進行二次振搗。

圖8 二次振搗降低混凝土早期收縮

3.2 鋼桁梁構件加工

鋼材從鋼廠送至鋼構件加工廠，驗收合格后，定尺切割，焊材驗收合格后進行鋼板組裝，組裝完成后過火矯正，對拼裝完成桿件按設計要求進行3個節間的平面試拼裝，拼裝合格后，對桿件進行涂裝防腐后出廠。其中，鐵路橋面系采用縱橫梁明橋面，縱橫梁的腹板和底板均采用Q370qE，縱橫梁的頂板采用不銹鋼復合鋼板，基材為Q370qE，復合層為3mm厚321型不銹鋼，如圖9所示。不銹鋼復合鋼板采用爆炸法，將不銹鋼復合層和基層鋼板焊接在一起，復合率要求達到100%，兼備了復合層的強耐蝕性、 高耐磨性和基層材料的優異力學性能。運到現場的桿件要對焊縫質量和涂層厚度等進行復驗，復檢包括項目部的自檢和業主委托的第三方檢測機構的抽檢。

圖9 鐵路明橋面不銹鋼復合板

3.3 鋼桁梁拼裝架設

桿件驗收合格后采用大小里程同時往跨中安裝，過主墩后拆除邊跨支架，開始懸臂拼裝，到合龍口后進行合龍桿件加工，完成全橋主跨合龍。

3.3.1拼裝架設

由于陸運過程中的一些污染，在吊裝前對構件進行清洗，然后對桿件在預拼場進行節間板的預拼裝，拼裝完成后開始桿件吊裝。吊裝時做好桿件的精確對位，包括桿件對中安裝、桿件垂直度調整，滿足要求后落鉤。

大里程利用塔式起重機安裝前2個節間的桿件。先下弦安裝，后鐵路橫梁安裝，然后是鐵路橋面系的X型下平聯和4根鐵路縱梁，最后安裝豎桿及上弦桿。上弦安裝完成后，開始閉合主桁構件，在拼裝場對門架進行拼裝后整體吊裝，以提高工效。主桁閉合后在公路橋面繼續利用塔式起重機安裝70t回旋吊機，然后利用塔式起重機在拼裝場提梁放置在運梁小車上，運梁小車不斷喂梁給回旋吊機，回旋吊機不斷前移安裝后續主、副桁梁桿件。

小里程由于交地影響，邊墩在同時施工樁基，上游處的500kV高壓線路平行于主橋，只能在下游處進行單側吊裝，起重機臂長要求72m，采用400t全回旋浮吊從第2節間之后吊裝。自重較小的桿件可在浮吊上提前拼裝后整體安裝。

3.3.2沖釘安裝

沖釘的安裝符合設計及規范要求，保證栓群的定位。在拼裝場用公稱直徑比鋼梁設計孔徑小0.1～0.2mm的沖釘將板束準確對孔，再用部分螺栓將板層充分壓緊。支架拼裝時沖釘和高強螺栓總數量不得少于孔眼總數的1/3，其中沖釘應占2/3，孔眼較少部位沖釘和高強螺栓數量不得少于6個。鋼梁懸臂或半懸臂拼裝時，連接處沖釘數量應按所承受的荷載計算決定，但不得少于孔眼總數的1/2。

3.3.3高強螺栓施工

本工程采用的為摩擦型高強螺栓連接，即通過螺桿產生的拉力壓緊構件接觸面，在板件間產生摩擦力來傳遞內力的連接方式。高強螺栓規格為M24，M30，全橋高強螺栓總數約41萬套。高強螺栓施擰前，每個批號的高強螺栓應在現場實驗室測定扭矩系數，如表1所示，每個批號高強螺栓需取8套，扭矩系數在0.110～0.150，標準偏差≤0.010。

表1 高強螺栓扭矩系數

栓接板面在出廠前應采用拋丸(砂)處理，并噴涂設計要求的防滑涂料(本項目為熱噴鋁)，出廠時栓接板面抗滑移系數(摩擦系數)的最小值不得小于0.55。構件拼裝前必須進行抗滑移試驗，每批試件的抗滑移系數的最小值不得小于0.45。

螺栓采用扭矩扳手安裝，使用前扭矩扳手必須進行標定，其標定誤差不得大于使用扭矩的±3%。初擰扳手標定值為終擰扭矩值的1/2，終擰扳手標定值為終擰扭矩值。對于已安裝沖釘和普通螺栓的栓接位置，分批將沖釘和普通螺栓退出，并逐個更換為高強螺栓，更換順序由節點中心向四周擴散，用扭矩扳手進行初擰。初擰后的高強螺栓用白色記號筆做好畫線標記，在螺母、栓桿、墊圈、摩擦面畫上1條白線，以防止重復施擰、遺漏和便于檢查。施擰順序應從節點中心部分向不受約束的邊緣進行。全部螺栓都初擰完成后，對所有初擰后高強螺栓進行終擰，施擰順序由節點中心向四周擴散，并檢查白線錯位情況。終擰由經過校驗的電動定扭矩扳手完成，對于個別部位上無法使用電動工具的螺栓，使用經過校驗的表盤式檢查扳手或帶響手動扳手完成終擰。終擰完成后用紅色記號筆做好畫線標記，初擰、終擰應在同一天內完成。

終擰檢查在終擰4h以后、24h以內進行，抽檢比例為10%。同時，用紅色記號筆做好檢查標記，三角形為合格，叉記號為不合格。終擰扭矩檢查采用緊扣法，用檢查扭矩扳手擰緊螺母，測得螺母與螺栓剛產生微小相對轉角時的扭矩，應在0.9～1.1倍緊扣檢查扭矩范圍內。每個栓群或節點檢查的螺栓合格率不得小于80%，欠擰螺栓補擰到規定扭矩、超擰>10%的螺栓更換連接副后重新施擰。

3.3.4邊跨落架及糾偏

鋼梁架設過主墩后，利用千斤頂起梁，將邊跨脫離支架，如圖10所示，進行第1次體系轉換，利用邊跨的壓重和鋼桁梁的自重及自身剛度進行荷載重分配，使后續懸臂拼裝受力更明確，更有利于主跨的懸臂拼裝。邊跨起梁后，用小浮吊拆除臨時支墩及上部縱橫梁，將縱橫梁作為邊墩處的配重，保證鋼桁梁體系的抗傾覆穩定性要求。考慮糾偏需求，在2個主墩設置16臺1 000t三維千斤頂，2個邊墩設置8臺1 000t單向千斤頂，實現鋼梁的豎直方向、橫橋向及順橋向的位移調整。

圖10 邊跨脫空

3.4 鋼桁梁合龍施工

主桁拼裝至合龍口后，副桁都拼裝到11節間，大里程側回旋吊機退回主墩，便于兩側的鋼梁狀態基本一致。調整支座中心線位置后，將臨時固定支座位置調整到設計中心線，直接落梁在抄墊上，其他3個墩的支座處于自由滑動狀態。采用起落梁調整法，按線形監控數據調整鋼梁狀態，保證合龍桿件兩側的鋼梁縱橫向位置、豎向轉角。測量調整已拼裝梁段的平立面位置，使合龍口兩懸臂端的主桁中線偏差<2mm。根據模擬結果在邊支座下拉 30cm，中支座上頂 5.6cm，中跨E14，E14′節點上頂至29cm，E0～E14號相對高差58cm，使合龍口處于相互平行位置。平縱面及轉角位置調整完成后，連續測量觀測7d合龍段長度，在合龍時間內確定合龍桿件的實際長度，并通過合龍段的下料長度來消除剩余誤差，最后選擇后半夜23℃時的桿件長度。合龍段尺寸確定后加工廠按測量長度放樣加工，利用溫度變化引起的鋼梁自身熱脹冷縮采用溫差調整法合龍，先合龍下弦，后合龍上弦。主桁合龍完成，利用回旋吊機前移架設完所有8節間的副桁。全橋架設完成后落梁，再對支座進行灌漿，灌漿完成后施工公路橋面附屬設施。

3.5 復合板橋位焊接施工

鐵路橫梁(48+3)mm和(28+3)mm縱梁2種復合鋼板采用現場橋位焊接，全橋I級焊縫長度共計139m，每道焊縫0.6m，焊接時間4～6h，二級風以上現場需采用擋風棚內焊接。采用電動打磨機對坡口進行打磨處理，要認真清理、打磨至露出金屬光澤。然后采用陶瓷襯墊兜底，對接焊縫的兩端均設引熄弧板，引熄弧板的材質、板厚和坡口形式與正式桿件相同，長度≥8cm。分別采用不同的焊材進行基層、過渡層、復層逐層焊接。復層焊縫表面應盡可能與復層鋼板表面保持平順，且復層焊縫的余高不得大于1.5mm。焊接完成蓋面后24h后進行超聲波無損檢測。

3.6 涂裝施工

節間板安裝完成后，用打磨機對栓群及拼接板打磨至金屬光澤，報檢合格后噴涂環氧磷酸鋅透明封閉底漆1道，底漆厚度25μm。底漆施工完成后噴涂環氧云鐵中間漆(厚漿型)1道，厚度80μm，后噴涂第1層氟碳面漆，厚度35μm，第2道面漆成橋后統一噴涂。現場噴涂的環境溫度宜在5～35℃，相對濕度宜≤85%，涂裝后4h不得淋雨，施工時不宜在強烈日光下進行。

4 結語

1)該橋結構復雜，設計新穎，為確保該橋按設計意圖保質保量按期建成，應加強與業主、設計、監理和施工隊之間的溝通與協商，充分領悟設計意圖，明確質量要求。

2)該橋體量大、工期緊、施工過程特殊，在編制總體施工方案時要進行充分調研、咨詢和比選，確保總體施工方案合理可行；在制訂具體施工方案和設備選擇時要動態、通盤考慮，統一部署。

3)拼裝架設方案確定后，要利用先進技術及時進行拼裝方案的仿真模擬，并通過計算結果指導修改桿件制造長度。

4)注重質量源頭控制，加強進場原材料的檢測和構件加工廠的出廠檢測。注重現場施工細節質量控制，加強現場監控量測工作，發現誤差及時調整，避免誤差累計放大。