鋼桁橋維護改造工程難點及對策

錢國輝

（上海市道路運輸事業發展中心，上海市 200025）

0 引 言

上海市道路運輸事業發展中心（原上海市路政局）近年來在上海的城市更新項目中采用EPC（設計、采購、施工總承包）模式陸續組織實施了浙江路橋大修、徐浦大橋大修、楊浦大橋大修、南浦大橋大修、松浦大橋大修等一系列蘇州河和黃浦江上的橋梁大修項目。在實施過程中通過實踐總結了一系列的橋梁大修方面的技術管理經驗，可供類似項目參考。其中浙江路橋大修項目是技術特點比較鮮明的一個案例，本文以浙江路橋大修為例，談談鋼桁橋大修工程中的一些經驗。

1 項目概述

在我國，從20世紀初開始，陸續建設了大量的鉚接鋼桁橋，建設時間較早的一些橋梁已經屬于不可移動文物。經過幾十年甚至超過百年的使用，這些橋梁目前都已出現不同程度的病害，對橋梁的運營安全造成影響，而且通過日常養護難以解決這些病害，因此，鋼桁橋大修的高峰期已經到來。通過對鋼桁橋的大修改造，不僅可以延長橋梁使用壽命，而且可以通過對橋梁的改造優化提高橋梁的使用功能，使這些老橋滿足新的使用需求，繼續為社會服務。同時，大修改造通過技術創新盡可能的利用了老結構，避免了大拆大建，減少了不必要的浪費，也符合目前綠色施工的理念。因此，對這些鋼桁橋的大修改造是很有意義的。

通過對鋼桁橋的大修改造，可以達到以下幾個目的：

（1）通過對舊構件、節點的更換和加固等手段，改善和提高橋梁結構受力性能，消除安全隱患的同時，可以提高橋梁的承載能力和延長使用壽命；

（2）老橋交通功能已經不能與目前的交通需求相適應，在大修改造中可以通過對橋梁通行斷面的優化改造，提高交通通行能力，優化橋梁使用功能；

（3）早期建設的橋梁，通常通航凈空較小，對于不能滿足目前航道規劃的橋梁，可以在大修改造過程中采取橋梁整體或部分頂升方式改善橋下通航凈空，滿足通航要求；

（4）隨著社會的發展，老橋的抗震功能、環保功能、安全設施、景觀功能大多不能滿足目前的需求，在大修改建過程中，通過更換支座、增設相關附屬設施等手段，可以全面提升橋梁的綜合功能。

浙江路橋建成于1908年，迄今已有百余年的歷史，屬于上海市市級文物。該橋由英國人設計，橋上所用鋼構件為英國道門朗（Dorman Long）公司生產制造，如圖1所示。

圖1 浙江路橋大修前全貌

該橋梁位于上海市區蘇州河上，南接黃浦區浙江中路，北連閘北區浙江北路，橋梁結構形式為魚腹式鋼桁架梁，單跨跨越蘇州河，跨徑59.75 m，橋寬14.352 m。主桁跨中高度9.092 m，兩片平行式主桁中心距7.32 m，機動車單向一車道通行，兩側非機動車道寬2.16 m，人行道寬1.08 m。主梁為鋼結構縱橫梁體系，上設混凝土橋面板和瀝青鋪裝。橋梁細節如圖2所示。

圖2 浙江路橋細節現狀

作為一座運營時間超過百年的老橋，長期遭受環境侵蝕、荷載作用以及結構自然退化，已經出現了較為嚴重的病害。再加上目前該橋通行功能的弱化，橋下通航限制等，如果要延長橋梁使用壽命，必須進行大修改造。

浙江路橋魚腹式鋼桁架結構形式，充分體現了19世紀工業革命時期的藝術性和科學性，極具時代特點。橋梁在蘇州河上已矗立了一個多世紀，見證了近代上海的發展變遷也承載著上海人民的深厚感情，具有城市道路、歷史和景觀三位一體的功能和重要地位。

針對存在的病害及橋面布置等問題，于2015年以設計施工工程總承包（EPC）模式，根據橋梁自身情況及周邊條件，采用了將浙江路橋整體移運上岸的總體方案，在臨時廠房內對橋梁進行了全面大修改造，隨后再進行復位。使其在交通功能、景觀功能、文物功能、安全耐久性等各方面均得以提升，取得了良好的經濟效益和社會效益。

如圖3所示，大修工程更換了橫聯及橋面板，調整了主桁間距，使目前的通行斷面更加合理，目前根據總體交通狀況機動車仍為單向一車道，但是通過主桁間距調整預留了遠期調整為機動車雙向2車道的可能性。

圖3 浙江路橋大修斷面調整

該次大修提高了橋梁凈空、增設了自動水位測量顯示設備、增加了景觀照明及小品，橋梁的通航能力、景觀功能及自身的安全性得到了綜合提升，如圖4所示。

圖4 浙江路橋大修后夜景

類似浙江路橋這種已經運營幾十年甚至上百年的鋼桁橋大修改造，由于工程對象、施工內容、周邊環境等的特殊性，對設計施工的技術水平以及管理水平都具有很高的要求。

2 鋼桁橋維修改造技術難點及對策

2.1 橋梁維護總體方案確定困難

鋼桁橋的維修改造受橋梁形式及規模、航道通航能力、周邊場地情況、橋上及周邊管線情況等多方面因素的共同影響，需要綜合考慮比選，確定最優的總體維修方案。

國內的鋼桁橋維修根據各自特點也都采用了不同的方案。蘭州中山橋采用了原位維修加固方案；廣州海珠橋采用了中跨浮運更換，邊跨移位至引橋上搭建的廠房內維修的方案；上海外白渡橋采用了駁船浮托移運至船廠露天維修的方案；上海松浦大橋采用非機動車不斷交條件下，上下層分階段原位維修加固的方案。

考慮浙江路橋的具體情況，首先，該橋為單跨60 m的橋梁，規模較小；其次橋梁所在的蘇州河為七級航道，通航凈空不能滿足橋梁移運條件；橋梁北岸目前動拆遷后有滿足橋梁維修的場地條件。結合以上幾個主要條件，綜合考慮周邊交通、管線等相關情況，最終確定了浮箱、履帶吊、模塊車協同配合，將浙江路橋整體移運至岸上的臨時廠房，全封閉進行維修的總體方案，如圖5所示。

圖5 整體移運至臨時廠房內進行大修

2.2 前期老橋檢測難以反映全部橋梁狀況

鋼桁橋的大修改造的設計施工方案需要以橋梁的檢測報告為依據，但是由于鋼桁架的空間結構較為復雜，在橋梁使用狀態下很難對其進行全面的檢測，尤其是桁架節點部位，內部的連接狀況以及鋼構件的銹蝕程度目前的檢測手段難以全面真實的反應，如圖6所示，這就給鋼桁橋的設計施工帶來了很大的難度。需要在橋梁大修過程中隨著橋梁的拆除、節點的打開，分別根據不同的病害情況確定大修方案，因此會導致工程量的增加和工期延長。

圖6 節點銹蝕程度超預期

另一方面，由于鋼結構病害情況不能完全掌握，如果需要在大修改造過程中需要對鋼結構進行整體移運或者在受力狀態下進行會增加鋼桁架移運和大修過程中的安全風險。

在浙江路橋大修工程中，移橋工程充分考慮了鋼結構文物橋梁病害程度的不確定性，針對城市內河鋼桁架橋的整體搬遷，首次研究形成“海、陸、空”多設備協同整體移運的施工技術。核心設備包括水中的浮箱，陸上的履帶吊和模塊運輸車。該技術充分發揮各設備的自身優勢，具有工期短，成本低以及環境影響小等優點。移運過程中雖然經過多次受力轉換，但總體原則是橋梁受力盡量接近在橋位時的原狀，橋梁受力點位置盡量布置在能夠明確判斷完好的鋼構件上，如圖7所示。橋梁移運過程中，采取“剛柔并濟”的措施對桁架結構進行加固保護。

圖7 移橋加固措施

2.3 桁架結構受力復雜，在大修過程中加固、移動難度大

桁架橋本身受力比較復雜，且老橋在多年的使用過程中桿件存在銹蝕、變形等不確定因素，給大修過程中桁架分解、桿件節點加固連接、桁架整體平移都帶來很大的難度。

浙江路橋進入廠內大修，采用七支點支承狀態，如圖8所示。此時測得結構荷載為375.5 t。采用Midas模型計算得各支點反力，各支承千斤頂應依據此力值進行調節設置。此時上下弦桿應力為1.1~6.1 MPa，可以認為結構處于近似無應力狀態下。

圖8 廠內大修支撐情況

本次廠內大修在近似無應力狀態下對節點板及下弦桿進行更換，采用逐面交替拆除安裝的方式，保證桿端處的有效約束，并嚴格控制更換后節點處位移及變形，如圖9所示。

圖9 桿件更換示意

為優化橋梁的通行斷面，該次大修需要調整兩片主桁架的間距。該次采用5個液壓千斤頂同步頂推的方法將西側主桁向外平移1.72 m，如圖10所示。

圖10 桁架間距調整示意

2.4 加固工序復雜，且有鉚接等舊工藝，質量控制難度大

鋼桁橋老橋的鋼構件多采用鉚接工藝連接，而且建造較早的鋼桁橋使用的鋼材成分與現在不同，不一定適用焊接工藝，如圖11和圖12所示。因此鋼桁橋大修改造中根據不同情況經常會使用鉚接、栓接、焊接等多種連接工藝。由于鋼桁橋的空間結構復雜，結構加固難度很高，尤其是在受力情況下對于節點部位的加固，由于節點不能完全打開，一個節點加固經常需要經歷：部分鉚釘拆除-摩擦面處理-鋼板定位-打孔固定-鉚（栓）接-涂裝這一系列工序的反復操作才能完成。為保證施工質量，對施工精度的控制、對每道工序的驗收檢查都至關重要。

圖11 鉚釘檢查

圖12 鉚釘設備及工藝試驗

對于鉚接這種目前已經接近淘汰的施工工藝，本次大修把老工藝與現代設備相結合，采用全固態感應加熱爐等設備，通過工藝試驗確定加熱溫度、施鉚溫度等技術參數，并通過實驗確定不同板厚條件下所需要的鉚桿長度，作為施工依據。

3 橋梁大修工程管理難點及對策

橋梁大修工程不同于新建工程，工程的施工內容有很大的不確定性，具有設計與檢測結合緊密、邊設計邊施工的特點。需要隨著大修的進程，根據新發現的問題制定有針對性的設計施工方案，從而給建設單位的投資、質量、安全、工期等方面的控制帶來很大的難度。對于浙江路橋這座百年老橋的大修工作，以上的幾個問題顯得尤為突出。

EPC（設計、采購、施工總承包）模式恰恰可以有效的解決以上問題。這一模式有利于發揮總承包方的主觀能動性、技術經濟實力和經營管理經驗，使得設計、采購、施工各環節緊密結合，充分體現市場經濟和社會環境的進步。總承包單位的設計施工部門緊密結合，隨時發現問題，隨時制定解決方案，最大化縮短工期，同時不斷優化設計施工方案，可以有效控制總體成本。

建設單位可采用總價包干合同控制工程總投資，同時通過合同約束，保證總工期以及工程質量和安全，同時也節約了大量的管理成本。因此，浙江路橋大修工程以及類似的橋梁大修工程選擇采用EPC總承包模式顯然具有明顯的優勢。

以下分別從幾個方面，結合浙江路橋大修工程的實際情況，說明本工程采用總承包模式收到的效果。

3.1 工期控制方面

由于施工前檢測條件不具備，很多橋梁構件的銹蝕、變形等情況不明，這就意味著大修工作內容及工程量有很大的不確定因素。

在主桁下弦節點拆開以后，檢測結果顯示，靠近跨中部分的幾個節點銹蝕情況遠遠超出預期，節點內的豎桿需要局部更換，下弦桿需要更換的數量也增加了2個節間。新增的更換內容意味著需要重新制定相應的設計方案，再根據設計方案備料、下料加工新構件、到現場進行拆換。如果處理不當，每個環節都可能出現問題，造成總工期的拖延。

在巨大的工期壓力下，總承包方立即組織設計部門和施工部門相關人員溝通協調，制定優化設計方案及大修工序、增加施工人員設備投入，日夜兼程進行施工。雖然橋梁主桁實際更換的桿件數量比預期增加了近一倍，項目最終仍然按照要求順利的實現了年底前通車的目標，把總工期從投標的400 d縮短到八個半月。

3.2 質量控制方面

鉚接工藝是早期鋼結構橋梁上使用比較廣泛的一種連接工藝，目前已經逐步淘汰。本次浙江路橋的大修本著“修舊如舊”的原則，仍然沿用了鉚接工藝。

總承包單位為了保證這一接近淘汰的工藝在本次大修中的施工質量，通過多方尋找，選擇了具有類似鉚接施工經驗的施工隊伍；采購了電磁加熱爐、氣動鉚接設備等目前較為先進的設備；通過工藝試驗確定鉚釘加熱溫度、鐓打壓力等相關施工參數；通過參考外白渡橋大修經驗、早期鋼結構橋梁施工規范、召開專家評審會等形式確定鉚釘質量檢驗的參數、頻率等質量控制標準。

通過不懈的努力和對質量控制一絲不茍的精神，把鉚接這一陳舊工藝的施工標準化、規范化，有效的控制了本次大修工程的質量。

3.3 費用控制方面

由于EPC合同采用總價包干的合同形式，在約定的范圍內和條件下，合同總價不因工作量的增加進行調整。因此，在本工程中，雖然桿件更換的數量和難度都比投標時有所增加，根據合同約定，總承包單位需要自行承擔相應成本，不產生額外的工程變更費用。

綜上所述，EPC模式適用于具有相當技術復雜性的橋梁大修類工程。該模式有利于集中資源、優化招投標階段時間、縮短工程實施階段工期，使項目早日投入使用。有利于節約管理成本，提高工作效率。同時又可以有效的控制投資以及質量、安全、工期等各方面的風險。

4 總 結

（1）鋼桁橋大修改造，由于項目的特殊性，經常需要檢測、施工、設計同步進行，且工程量以及施工工期都具有不確定性，因此，這類項目的招投標宜采用設計施工總承包（EPC）模式，交給具有類似施工經驗的設計施工單位進行實施，可以有效降低項目風險，提高工程效率。

（2）對于橋梁規模較小，且有條件移位至專用場地進行大修改造的鋼桁橋，宜采用整體移運的方式進行維修。移位后，可以采用多點支撐的方式，使鋼桁架在近似“無應力”狀態下進行桿件更換和加固，更有利于新老構件的共同受力，可以多點同時作業，也更能保證維修過程中橋梁的結構安全。

（3）要特別注重工程開工前的工程總體策劃工作。技術策劃中應該優先考慮施工前期盡早對拆除附屬物后的橋梁進行全面的檢查，發現前期橋梁檢測難以檢測部位的病害情況，復核老橋實際結構與設計圖紙是否一致。發現問題及時反饋給設計部門，并共同確定合理的維修方案。

（4）細節決定成敗，鋼桁橋的維修加固是一項猶如刺繡的細活，每一道工序都需要嚴格控制。桿件、節點板上的鉚釘、螺栓每一個孔位都要精確対位；每一顆鉚釘都要檢查，保證不能松動；每一道涂裝都要做好基面處理，保證施工溫濕度條件；每一處節點部位都要做好防水、排水措施；只有具備這樣一絲不茍的工匠精神，才能做出質量優秀的鋼桁橋大修改造工程。大修后浙江路橋如圖13所示。

圖13 大修后的浙江路橋