簡支鋼桁梁鐵路橋拖拉換梁施工技術

龐成瑞PANG Cheng-rui

（中鐵十五局集團第二工程有限公司，上海 201713）

1 概述

某黃河鐵路特大橋位于黃河和渭河匯合口下游約3km 處，是南同蒲鐵路線上一座大型單線鐵路橋梁。全橋共計23 個橋墩、2 個橋臺，為24×49.1m 上承式簡支鋼桁梁（圖1），每孔含橋面系重量約170t。結構采用兩片雙層拆裝式菱形桁梁，主桁高5m，上、下弦桿均為2[300mm 型鋼，主桁中心距2.2m，節間距4m，橫梁桿件單元連接方式主要為高強螺栓連接，部分鉚接。橋梁為鐵路明橋面布置，橋枕置于上弦桿桿件上。

圖1 大橋立面布置圖（單位：cm）

該黃河鐵路特大橋通車至今已有40 余年，在此期間8 號墩下部結構曾發生過病害并于1989 年完成了相應的加固工作。自1970 年至2002 年相關檢測單位對該橋分別進行過三次常規技術檢定試驗，發現橋梁結構存在：主桁橫向剛度嚴重不足、上橫聯桿件端部開裂、高強度螺栓折斷、橫向振幅過大、桁梁塑性變形等病害。目前以上病害均已危及橋梁行車安全，不適應鐵路運輸的要求，雖已進行橋上軌道交通限速處理，但無法根除隱患，故亟需對該橋進行徹底整治。

2 整治施工方案

2.1 設計整治方案

本次整治擬將全橋既有鋼桁梁更換為單箱單室等高度鋼箱梁。鋼箱梁梁高4.0m，每孔鋼箱梁全長及計算跨度均與原鋼桁梁保持一致，分別為49.1m 和48m，單跨鋼箱梁重約250t。鋼箱梁腹板中心距為3.8m，梁體設置有預拱度，出廠預拱度在跨中位置處達到52mm。因鋼箱梁高度及寬度均與原鋼桁梁存在差異，故拖拉換梁須在原橋墩加高加寬改造施工完成后進行。鋼梁節段的劃分充分考慮到鋼梁結構特點、制造和運輸等方面的因素[1-4]，每孔梁分為五段，最長梁段為10.7m，最大重量為43t，箱梁節段運輸至橋位后現場拼裝，底板和腹板采用高強螺栓連接，頂板采用焊接。

2.2 總體施工方案

換梁施工范圍為0#臺～24#臺，共24 跨。在北岸梁場設置拼裝支架平臺及50t 跨線門吊用于新梁拼裝；在南岸梁場23#墩～24#橋臺之間設置拆除支架平臺用于布置牽引拖拉系統及舊梁拆除工作，如圖2 所示。

圖2 換梁施工場地立面布置圖

梁體牽引拖拉施工前通過頂升方式逐跨完成梁體抬高施工，立模進行橋墩加高加寬改造。在橋墩改造過程中，提前安裝梁體牽引拖拉施工中所需的墩頂滑道梁。通過對國內同類型橋梁的施工方法調查、分析及研究[5-6]，最終確定采用牽引拖拉的方式進行換梁施工：將相互獨立的各跨簡支鋼桁梁、新制鋼箱梁之間通過型鋼桿件及鋼板連接，形成連續梁體系，借助設置于南岸梁場的拆除支架平臺完成第24 跨梁體拆除施工后，即以半跨為單元循環進行梁體拖拉→舊梁拆除、新梁安裝施工，直至完成全橋24 跨范圍的梁體更換。

2.3 技術特點

①輔助墩：利用原橋墩作為傳統拖拉施工中所需的輔助墩，避免了設置水中臨時墩，省去了輔助墩墩旁支架，節約了工程成本[7]。

②鋼導梁：利用舊鋼桁梁作為傳統拖拉施工中所需的鋼導梁，實現了既有資源的高效利用，簡化了施工工藝。

③滑動面：通過在舊梁梁底下掛通長軌道、新梁利用梁底檢修小車軌道替代傳統滑塊，實現了梁底滑動面連續性，免去了起頂梁體填塞滑塊工序。通過下掛軌道與梁底間的填板有效地補償了預拱度帶來的影響，同時避開了節點處的螺栓。

④設備需求：省去了大型拆梁、架梁設備，僅在南岸梁場設置牽引拖拉設備、北岸梁場設置跨線門吊設備即可。

⑤工效：實現了舊梁拆除和新梁安裝的同步作業，縮短了施工工期。

⑥安全環保：實現了舊梁拆除、新梁安裝的集中化施工，有效降低了高處作業、水上作業需求，同時也避免了原位施工對橋下環境的污染。

3 換梁施工關鍵技術

3.1 鋼桁梁拆除施工技術

鋼桁梁拆除工作貫穿于換梁施工的全過程。為合理組織現場施工，在牽引拖拉施工前設置簡易臨時支架完成第24 跨的既有鋼桁梁拆除工作。完成拆除支架搭設并布置好牽引拖拉系統后，則可循環進行梁體拖拉→舊梁拆除工作。在拆除平臺上，以既有鋼桁梁節間距4m 為單位進行梁體分解。分解時，為最大限度保證既有鋼桁梁的完整性，對栓接或鉚接節點位置通過解除高強度螺栓或鉚釘完成分解，對連續桿件則借助氧割設備進行鋼結構桿件切割。分解后每節段重約13t，現場采用80t 汽車吊依次完成鋼桁梁節段的吊裝工作。

3.2 梁體牽引拖拉施工技術

3.2.1 牽引拖拉系統布置

牽引拖拉系統主要分布于南岸第24 跨拆除支架上，其主要構成包括2 臺350t 水平連續千斤頂、錨座、鋼絞線以及錨梁結構，如圖3～圖4 所示。其中，水平千斤頂布置在拆除支架上，相當于每片主桁設置了1 臺350t 水平連續千斤頂，移梁速度可達40cm/min。牽引拖拉施工所用的鋼絞線是φ17.8mm、1860 級低松弛鋼絞線，每個連續千斤頂穿31 根，長度為35m。

圖4 牽引拖拉系統平面布置圖

當完成所有鋼桁梁的拖拉拆除后需要將錨固點由鋼桁梁錨梁上移動至鋼箱梁兩側臨時焊接的錨固牛腿上，因篇幅限制本文不再對錨固牛腿進行論述。

3.2.2 滑動面設置

為盡量減小梁體拖拉過程中所產生的摩擦力作用，同時避免運動中的梁體與橋墩等固定結構間產生新的約束，滑動面的設置尤為關鍵。且在本橋施工中，梁體牽引拖拉施工較常規鋼梁頂推作業距離更長，在拖拉施工中鋼梁起頂的條件極為有限，因此不再采用活動滑塊提供滑動面，僅設置上、下兩個滑動面，其中上滑動面為鋼桁（箱）梁下掛軌道梁；下滑動面為墩頂滑道梁及拼裝支架、拆除支架頂面滑道梁。

①上滑動面。

上滑動面主要為既有鋼桁梁及新鋼箱梁梁底滑動面，為避開梁底節點板，螺栓位置，同時避免梁底不平整及預拱度對施工的影響，通過在梁底下掛通長的軌道梁提供可靠的上滑動面。上滑動面均由固定于型鋼底面的4mm 厚不銹鋼板構成。

考慮到舊梁底部桿件老化，經復核計算發現，梁體牽引拖拉過程中原鋼桁梁在墩頂部位的支反力若直接作用于弦桿上，其抗剪承載力無法滿足受力要求，且現有桿件均存在不同程度的銹蝕，故在下掛軌道梁與鋼桁梁下弦桿之間的大節點處焊制填板以利結構傳力，如圖6 所示。

圖6 鋼桁梁滑動面布置立面圖

掛設于鋼箱梁底的軌道梁在箱梁橫隔板對應部位設置填板用以補償預拱度影響，同時避開節點板，具體布置如圖7 所示。鋼箱梁下掛軌道梁最終保留在鋼箱梁底部作為梁底檢查小車的軌道，故不另行拆除。

圖7 鋼箱梁滑動面布置立面圖

②下滑動面。

在圖5～圖7 中所顯示的墩頂滑道梁頂面即為下滑動面的一種，另一種為拼裝支架、拆除支架頂面。下滑動面均由固定于型鋼頂面的2cm 厚MGE 板構成，且在順橋向設置圓弧面，以適應梁體豎向變形。

圖5 滑動面布置圖

根據上、下滑動面材料特性，在結構可靠性分析中，摩擦系數取值均按0.1 考慮，即最大拖拉力需求約為550t，采用兩臺350t 連續同步千斤可以滿足需求。實際施工中，梁體啟動狀態換算摩擦系數約為0.8，梁體勻速縱移狀態換算摩擦系數約為0.4～0.6。

3.2.3 牽引拖拉過程控制措施

①縱向傳力構造。

因鋼桁梁與鋼箱梁均為簡支結構，故在牽引拖拉前須采取措施將梁體調整為連續梁結構。本橋通過在舊梁與舊梁、舊梁與新梁、新梁與新梁之間設置臨時連接桿件實現梁體的縱橋向連續。舊梁與舊梁、舊梁與新梁之間臨時連接桿件均由常見的型鋼構成，利用原有螺栓孔進行栓接，局部焊接。新梁與新梁之間臨時連接通過拼接鋼板栓接形成。拖拉到位后、落梁前即可進行所有臨時連接構造的拆除施工。

②橫向偏位控制。

在牽引拖拉過程中，350t 連續同步千斤頂通過計算機自動控制系統及液壓泵站進行控制。施工過程中，控制上、下游兩側的千斤頂同步性是成敗的關鍵因素之一，若梁體兩側拖拉速度不一致，將直接引起梁體橫向偏移，繼而影響后續拖拉施工。本次施工采用了先進的同步性頂推控制系統縱向同步控制誤差控制在2mm 范圍內；橫向偏差控制值為5cm，預警值設置為9cm，每個橋墩頂部配備專職盯控人員，時刻關注梁體橫向偏移情況，拖拉過程中出現有超過控制值的情況，立即停止拖拉，檢查并糾偏后方可再次作業。

本次施工采用的糾偏方式為：在各墩頂通過設置預埋件在鋼梁兩側墊石頂設置橫向限位糾偏裝置，該裝置由錨固立柱、限位支撐和布設于限位支撐前端的滑輪構成，具有限位導向和橫向糾偏的功能，通過腔體內放置的千斤頂可以實現對兩種不同梁寬的舊梁和新梁偏位的調整。最后一輪牽引拖拉前，根據設計位置對滑道梁頂面進行放線，對鋼箱梁軸線進行調整，使鋼箱梁橫向偏位控制在5cm以內。實際施工中，所測橫向偏移值基本處于2～5cm 范圍內。

③縱橋向位移控制。

由于鋼箱梁受溫度影響長度在不斷的變化中，中間過程只對鋼梁的長度進行復核，不作為主要的控制參數。鋼箱梁縱向的里程主要是控制鋼箱梁拖拉到位時支座中心的里程，在實際施工過程中，通過多項措施的共同實施，最終支座處節點中心控制在設計中心里程達到設計和規范要求的±10mm 的控制標準。主要措施有以下幾點：

1）根據鋼梁支座板的螺栓孔做出支座中心十字線，作為控制線；

2）在鋼箱梁拖拉過程中用慢擋做2～3 次開始和停止的試驗，測定鋼梁開始頂推時的滑動距離和停止時的滑動距離，作為最后定位控制時的參考值；

3）為防止鋼梁在縱向發生移動，在鋼箱梁拖拉到位后，立即在滑道梁頂面焊接限位擋板。

3.3 鋼箱梁安裝施工技術

3.3.1 鋼箱梁拼接

鋼箱梁在工廠完成預拼后拆解運輸至北岸梁場，通過跨線門吊將鋼箱梁節段提升放至于拼裝支架上，調整合格后，采用沖釘、螺栓將兩節段臨時連接后進行頂板焊接，最后采用高強度螺栓逐個替換沖釘及螺栓。

3.3.2 支座安裝及落梁

解除新梁與新梁間的臨時連接，完成由連續梁到簡支梁的體系轉換。根據支座墊石測量數據，預先將支座下掛安裝于梁底對應部位。鑿毛支座就位部位的支承墊石表面，清除預留錨栓孔中的雜物。逐跨通過頂升裝置將新梁下放至設計標高。立模并采用重力式灌漿方式灌注無收縮高強度灌漿料，灌漿材料終凝后完成落梁。

4 結語

通過既有某黃河鐵路特大橋設計改造方案及現場施工環境的分析，探究了一種新、舊梁首尾相連牽引拖拉的施工方案進行換梁施工，利用既有鋼桁梁結構作為新梁牽引拖拉的導梁；利用既有橋墩作為輔助墩，同時設置了固定的跨線門吊、拼裝支架、拆除支架，有效地降低了施工難度及安全風險，縮短了需用工期。同時，對拖拉滑動面的優化進一步解決了梁體無頂升條件、難以上墩等難題。目前，該技術已成功應用于該黃河鐵路橋換梁施工，可為今后工期壓力大、環保要求高、施工空間有限的既有橋梁換梁工程提供參考。