婁松， 王戒躁， 江湧， 吳芳

(1.中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司， 湖北 武漢 430205； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室)

中國早期建設(shè)的公鐵兩用鋼桁梁橋公路橋面多為混凝土結(jié)構(gòu)，隨著運營時間的延長及橋梁長期振動的影響，表現(xiàn)出保護(hù)層碳化剝落、開裂滲水、砂漿墊層碎落、鋼縱梁疲勞裂紋等病害，對提速后的下方鐵路運營安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

1 背景工程

南京長江大橋是長江上第一座由中國自行設(shè)計、建造的雙層式公鐵兩用特大橋。大橋始建于1960年，1968年通車運營。大橋正橋長1 576 m，共四聯(lián)10孔鋼梁，由北向南為1孔128 m簡支鋼桁梁和3聯(lián)3×160 m連續(xù)鋼桁梁。鋼桁梁桁寬14 m，桁高16 m，為“米”形桁梁，節(jié)間距8 m，共196個節(jié)間，立面布置如圖1所示。

圖1 南京長江大橋正橋立面布置(單位：m)

公路正橋橋面結(jié)構(gòu)由混凝土行車道板+鋼縱梁組成?？v橋向每32 m一聯(lián)，聯(lián)間設(shè)置小型伸縮裝置，共45道；相鄰鋼桁梁聯(lián)間為大型伸縮裝置，共5道。橫橋向布置11片鋼縱梁。原設(shè)計縱斷面、橫斷面布置分別如圖2、3所示。

圖2 公路正橋原縱斷面布置(單位：m)

圖3 公路正橋原橫斷面布置(單位：cm)

2 公路正橋主要病害及原因分析

南京長江大橋運營50多年，混凝土表面逐漸碳化，加上公路橋面長期超負(fù)荷及鐵路荷載致橋梁振動影響，致使公路橋面混凝土板表現(xiàn)出開裂及保護(hù)層剝落等現(xiàn)象，該病害已嚴(yán)重影響提速后鐵路行車安全。

在公路重載車輛的長期作用下，鋼縱梁腹板局部表現(xiàn)出疲勞開裂的病害，若該病害進(jìn)一步發(fā)展，將影響結(jié)構(gòu)安全。

3 公路正橋改造總體方案

3.1 改造總體思路

公路正橋改造總體思路：將原混凝土橋面板及鋼縱梁結(jié)構(gòu)整體更換為正交異性鋼主梁結(jié)構(gòu)，如圖4所示。改造施工過程中，公路與鐵路之間需設(shè)置隔離措施，確保鐵路運營安全。

圖4 公路正橋改造總體思路示意圖

3.2 改造施工重難點分析

(1) 該項目屬于大規(guī)模公鐵兩用橋梁升級改造工程，無成熟經(jīng)驗借鑒。

(2) 改造施工期間需確保鐵路運營安全，施工安全風(fēng)險高。

(3) 防護(hù)棚架設(shè)置與施工、鋼主梁架設(shè)與安裝等施工技術(shù)復(fù)雜。

(4) 營業(yè)線施工封鎖點時間短，改造期間對社會交通影響大，市民對交通快速恢復(fù)需求強烈，工期要求高。

(5) 項目涉及協(xié)調(diào)方多、封鎖施工多、現(xiàn)場作業(yè)條件復(fù)雜等，項目管理難度大。

4 公路正橋功能提升改造關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)主要病害特征及改造總體方案，通過開展結(jié)構(gòu)體系、施工方法、施工裝備和安全防護(hù)等研究，形成了4項關(guān)鍵技術(shù)，意在解決該類橋梁在確保鐵路運營安全前提下進(jìn)行提升改造的難題。

4.1 既有鋼桁梁公路橋縱橫多點支承技術(shù)

4.1.1 平面縱橫多支座支承橋上橋結(jié)構(gòu)體系

更換后的正交異性鋼主梁由面板、縱梁、橫梁及其加勁組成，縱、橫梁下緣與支座采用高強螺栓連接，如圖5所示。

圖5 多支座支承正交異性鋼主梁結(jié)構(gòu)體系(單位：mm)

正交異性鋼主梁結(jié)構(gòu)布置相當(dāng)于橋上橋結(jié)構(gòu)體系，鋼主梁通過多功能拉壓鋼支座與既有鋼桁梁連接，縱橋向在鋼桁梁的每道橫梁上設(shè)置支座，橫橋向?qū)?yīng)支承鋼主梁的每道縱梁，全橋共設(shè)置2 200個支座。鋼主梁縱向一聯(lián)連續(xù)，聯(lián)長與鋼桁梁聯(lián)長對應(yīng)，僅聯(lián)端設(shè)置大型伸縮裝置，正橋全橋共5道伸縮裝置。

根據(jù)支座布置特點，每聯(lián)正中心為固定支座，沿橋軸線均為縱向活動支座，每聯(lián)正中間一排為橫向活動支座，其余均為雙向活動支座。以單聯(lián)為例，支座平面布置如圖6所示。

圖6 單聯(lián)鋼主梁支承支座平面布置示意圖

由于車輛荷載制動力的作用，縱橋向固定支座對應(yīng)的橫梁承擔(dān)的水平力有所增大，為了抵抗該水平力，在該橫梁處增設(shè)制動支撐架，確保橫梁結(jié)構(gòu)承載力滿足要求，如圖7所示。

圖7 制動支撐架平面布置

4.1.2 多功能拉壓鋼支座設(shè)計

在鐵路活載作用下，新制鋼主梁與既有鋼桁梁之間的支座會產(chǎn)生一定的拉力；在板桁溫差作用下，新制鋼主梁與既有鋼桁梁之間會產(chǎn)生相對位移?；谏鲜龈脑旌髽蛄航Y(jié)構(gòu)體系特點，研發(fā)出多功能拉壓鋼支座(圖8)，該支座構(gòu)造尺寸小，具有抗壓、抗拉、雙向位移、轉(zhuǎn)動、臨時鎖定等多種功能。

圖8 多功能拉壓鋼支座結(jié)構(gòu)示意圖

多功能拉壓鋼支座各項功能及實現(xiàn)措施見表1。

表1 多功能拉壓鋼支座功能及實現(xiàn)措施

4.2 不中斷鐵路運營條件下的公鐵兩用橋梁既有線隔離技術(shù)

4.2.1 防護(hù)隔離棚架結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1) 結(jié)構(gòu)總體布置

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點及鐵路相關(guān)設(shè)備的空間位置關(guān)系，防護(hù)隔離棚架設(shè)置在公路橋面以下，鐵路相關(guān)設(shè)備以上的位置。防護(hù)范圍縱橋向為鋼桁梁全長，橫橋向兩邊各超出公路橋面外側(cè)邊線0.5 m，主要由主桁外側(cè)棚架和主桁內(nèi)側(cè)棚架組成，如圖9所示。內(nèi)、外棚架形成全斷面隔離防護(hù)，兼具作業(yè)平臺作用。南京長江大橋在京滬鐵路一定程度的調(diào)度后實現(xiàn)了V停封鎖點150 min、垂直封鎖點90 min。改造施工期間，京滬鐵路正常運營。

圖9 防護(hù)隔離棚架總體結(jié)構(gòu)布置(單位：m)

(2) 荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

恒荷載：按棚架主體結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施自重取值。

施工荷載：充分考慮施工人員、機具及堆放材料情況，均布荷載為2.0 kN/m2，集中荷載為10 kN。

墜物荷載：考慮最大墜落物重量G=100 kg、2.5倍沖擊系數(shù)，墜落物荷載F=2.5 kN。

風(fēng)荷載：主要考慮橫橋向風(fēng)壓，縱橋向因迎風(fēng)面積較小予以忽略。

(3) 結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計

① 吊掛式外側(cè)棚架。吊掛式外側(cè)棚架通過上下錨梁對拉錨固于主桁上弦桿生根，銷軸連接的斜豎吊帶吊掛著棚架縱橫梁平臺結(jié)構(gòu)，平臺的主縱梁與主桁斜桿接觸抵抗平臺的水平分力形成靜定結(jié)構(gòu)體系。

② 主桁內(nèi)側(cè)棚架。內(nèi)棚架設(shè)置在主桁內(nèi)部的公路橫梁下弦桿上方，主要由縱梁、橫向連接系及面層等組成，縱橋向縱梁接頭之間通過拼接板螺栓連接形成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。

③ 組合面層及安全網(wǎng)。組合面層結(jié)構(gòu)由底層木板、中間層防水膜、頂層花紋鋼板組成。為防止施工期間棚架構(gòu)件、工具等墜入鐵路橋面，在內(nèi)棚架下方設(shè)置一層鈦克鋼絲安全網(wǎng)。

4.2.2 防護(hù)隔離棚架裝配式快速施工技術(shù)

(1) 吊掛式外側(cè)棚架結(jié)構(gòu)整體模塊吊裝技術(shù)

上、下錨梁及錨固螺桿通過橋面開設(shè)的施工孔進(jìn)行安裝；封鎖點外在橋面將外側(cè)縱橫梁及斜豎吊帶、面層及欄桿拼裝為整體模塊；封鎖點內(nèi)采用橋面汽車吊將已拼裝完成的整體模塊吊裝至主桁外側(cè)，通過導(dǎo)鏈對拉實現(xiàn)精調(diào)就位，插入銷軸與錨梁連接，縱梁螺栓連接，完成外側(cè)棚架整體模塊安裝。

(2) 內(nèi)棚架狹小空間超長縱梁拖拉安裝技術(shù)

內(nèi)棚架安裝關(guān)鍵在于縱梁安裝，單根縱梁長8 m、重約300 kg，位于鐵路接觸網(wǎng)等設(shè)備正上方，操作空間狹小，凈空僅1.2 m，無法使用大型機械設(shè)備配合，安裝難度較大。

為此，設(shè)計了超長縱梁拖拉用的定向滾筒及滑移滾軸。利用鄰近營業(yè)線作業(yè)時間，在已完成的棚架上將8根縱梁拼接在一起，放到滾筒上準(zhǔn)備就位；封鎖點內(nèi)安裝滑移滾軸及導(dǎo)鏈，進(jìn)行超長縱梁拖拉法安裝施工。

4.3 在役鋼桁梁橋公路橋鋼主梁架設(shè)安裝技術(shù)

4.3.1 鋼主梁架設(shè)總體方案

鋼主梁全寬20 m，橫橋向分2塊，縱橋向每8 m一段，全橋共計400塊。分塊后較大塊尺寸為8 m×10.68 m，重約30 t。

鋼主梁總體由橋梁兩端往中間架設(shè)。鋼主梁工廠制造完成后由水路+短程陸路運輸至橋位提升站下方，再通過提升站提升至橋面，由平板車運輸至架板機位置，采用架板機進(jìn)行架設(shè)。

4.3.2 架板機快速架設(shè)寬體鋼主梁技術(shù)

(1) 架板機設(shè)計

架板機額定起重能力為50 t，采用雙列箱形主梁結(jié)構(gòu)，軌行式、自平衡過孔方式，主要由主梁、前支腿、中支腿、后支腿、起升系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)等組成。

采用中支腿升降及后支腿翻折等功能，實現(xiàn)寬體鋼主梁喂進(jìn)；吊具自動調(diào)平、縱橫移動，實現(xiàn)鋼主梁的快速、精確就位；整機三排支腿設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡潔，各主要工況下形成靜定結(jié)構(gòu)，受力明確，安全可靠。

(2) 鋼主梁架設(shè)步驟

步驟1：天車位于前支腿附近，架板機后支腿升起，鋼主梁喂進(jìn)。

步驟2：架板機后支腿落下，中支腿升起，鋼主梁架設(shè)就位。

步驟3：天車位于后支腿附近，架板機中支腿落下，前支腿升起，架板機前移，依次循環(huán)。

4.3.3 新制鋼主梁與既有鋼桁梁匹配安裝控制技術(shù)

(1) 鋼主梁安裝工藝流程

支座安裝→鋼主梁下放就位→梁段配切→馬板焊接定位→拼接板螺栓孔配鉆→拼接板安裝(沖釘臨時固定)→面板接縫焊接→高強螺栓替換沖釘→U肋、板肋嵌補段焊接。

(2) 鋼主梁安裝過程結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換

由于整聯(lián)鋼主梁從一端往另一端順序安裝，前半聯(lián)安裝過程首塊鋼主梁對應(yīng)的活動支座需縱橋向臨時鎖定。當(dāng)安裝至固定支座對應(yīng)的聯(lián)中塊鋼主梁時，需解除首塊鋼主梁活動支座的臨時鎖定，完成體系轉(zhuǎn)換。然后繼續(xù)安裝后半聯(lián)鋼主梁，直至一聯(lián)鋼主梁安裝完成。

(3) 支座安裝高程控制

根據(jù)縱向目標(biāo)線形監(jiān)控及橫向調(diào)平要求調(diào)節(jié)支座頂面高程，現(xiàn)場備用2、4、6、8、10、12 mm不等厚度調(diào)節(jié)墊板，以實現(xiàn)公路橋面線形優(yōu)化及多支座體系均衡傳力的目的。

(4) 鋼主梁縱向連接控制

① 配切量控制。鋼桁梁節(jié)間距在微觀上存在一定的離散性，鋼主梁制造時在縱橋向長度方向預(yù)留了5 cm余量，現(xiàn)場安裝時根據(jù)實際情況進(jìn)行配切，配切值如圖10所示。

圖10 配切示意圖

理論配切量：ΔL=L2+L3-L1-8 mm，其中L1為鋼桁梁節(jié)間距；L2為已安裝鋼主梁懸臂長度；L3為待安裝鋼主梁對應(yīng)側(cè)的懸臂長度，8 mm為面板橫向焊縫基本寬度。由于L1長度存在離散性，因此需現(xiàn)場配切。

② 拼接板現(xiàn)場配鉆孔。由于鋼主梁需現(xiàn)場配切，鋼主梁縱梁腹板和底板的拼接板均工廠加工一半孔，另一半現(xiàn)場配鉆。

(5) 鋼主梁預(yù)偏量控制

安裝過程受板桁溫差影響，鋼主梁與既有鋼桁梁在縱橋向存在一定的相對位移，為確保新老結(jié)構(gòu)的匹配性及活動支座的位移功能，鋼主梁安裝過程需進(jìn)行預(yù)偏量匹配控制。

已安裝鋼主梁前端實際偏移量為ΔL1=α×ΔT×L，式中：α為鋼材線膨脹系數(shù)；ΔT為鋼主梁與鋼桁梁結(jié)構(gòu)溫度差；L為已安裝鋼主梁前端支座至固定支座之間的長度，預(yù)偏量示意如圖11所示。待安裝鋼主梁前端預(yù)計偏移量為：

圖11 預(yù)偏量示意圖(單位：m)

由上述公式得知，現(xiàn)場待安裝鋼主梁預(yù)偏量與溫差無關(guān)，僅與L和ΔL1有關(guān)，因此鋼主梁現(xiàn)場安裝時通過觀測L和ΔL1推算預(yù)偏量即可，相比現(xiàn)場測溫推算預(yù)偏量更準(zhǔn)確且方便。

4.4 大型涉鐵橋梁改建工程施工安全防護(hù)技術(shù)

針對公鐵兩用橋涉鐵改造工程的建設(shè)規(guī)模大、涉鐵工序多、涉鐵服役時間長、安全標(biāo)準(zhǔn)要求高等特點，以保護(hù)既有線安全運營為核心目標(biāo)，從理論研究、方案準(zhǔn)備、施工組織、服役使用各階段開展了以下全過程的風(fēng)險研究與控制工作。

4.4.1 施工防護(hù)體系服役可靠性分析與安全風(fēng)險控制研究

(1) 風(fēng)險識別。通過現(xiàn)場走訪、問卷調(diào)查等方式，從“人-機械設(shè)備與建筑材料-環(huán)境-管理”4個角度識別影響涉鐵橋梁施工安全的風(fēng)險源，定性給出了南京長江大橋改建施工過程安全風(fēng)險識別成果。

(2) 風(fēng)險耦合。將識別的4個方面的典型風(fēng)險事件作為風(fēng)險耦合的構(gòu)成因素，直觀清晰地用有向圖的形式表現(xiàn)出來，建立這些風(fēng)險因子之間存在的耦合作用關(guān)系。

(3) 風(fēng)險評價?；诮Y(jié)構(gòu)方程模型，構(gòu)建大型涉鐵橋梁改建工程安全風(fēng)險影響模型。在實際調(diào)研獲取數(shù)據(jù)之后，對模型進(jìn)行擬合和修正，得出風(fēng)險評價分析量化結(jié)果供決策及對策研究。風(fēng)險評價結(jié)果表明由于防護(hù)體系(棚架)的鋪設(shè)，對安全風(fēng)險的降低作用非常顯著。

4.4.2 防護(hù)隔離棚架施工演練

由于南京長江大橋防護(hù)棚架施工無成熟經(jīng)驗參考，為此，提出了涉鐵橋梁改建工程高風(fēng)險施工作業(yè)實施前實體模擬思路，建立了1∶1的鋼桁梁模型演練平臺。該平臺主要起棚架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、施工方案及技術(shù)工藝驗證、測算工序時間得出封鎖點數(shù)量需求、施工組織及作業(yè)人員安全實訓(xùn)等作用。

4.4.3 防護(hù)隔離棚架安全性設(shè)計

防護(hù)棚架實施過程采用了諸多細(xì)節(jié)方面的安全性設(shè)計：棚架結(jié)構(gòu)設(shè)計以栓接為主、無現(xiàn)場焊接；為防止鐵路上方的螺栓松動墜落，均采取開口銷的螺栓防落措施；面層木板與分配縱梁通過鋼卡板連接為整體等。

4.4.4 封鎖點施工組織技術(shù)

在營業(yè)線施工管理辦法的基礎(chǔ)上，封鎖施工針對防護(hù)體系構(gòu)建了由施工負(fù)責(zé)人、工地防護(hù)員、端頭防護(hù)員、駐站聯(lián)絡(luò)組成的四位鏈接體系，按照受命、到崗、預(yù)報、確保、警報的防護(hù)流程相互鏈接，確保了封鎖點內(nèi)施工嚴(yán)密有序進(jìn)行。

針對封鎖施工，形成了“十全”防護(hù)制度，分別為專業(yè)防護(hù)班制度、全覆蓋培訓(xùn)制度、天窗計劃制度、“三會”制度、“登銷記”制度、紅線卡控制度、天窗通訊制度、領(lǐng)導(dǎo)帶班制度、工完檢查制度、量化捆綁獎懲制度。

5 實施效果

5.1 橋梁通行功能提升

南京長江大橋正橋伸縮裝置數(shù)量明顯減少，由50道減少為5道，改善了行車舒適性。橋面結(jié)構(gòu)更換后恒載降低約10%，增加了橋梁的安全儲備。

5.2 橋梁結(jié)構(gòu)功能提升

多功能拉壓鋼支座較原結(jié)構(gòu)體系鋼墊塊支承，提升了結(jié)構(gòu)對環(huán)境影響的適應(yīng)性。正交異性鋼主梁改善了公路橋梁荷載橫向分布系數(shù)，增大了橋面結(jié)構(gòu)的整體剛度，改善了下方鋼桁梁橫梁結(jié)構(gòu)的受力性能。伸縮縫的減少與更換，解決了原伸縮縫處橋面漏水問題，保障了下方鋼桁梁結(jié)構(gòu)的耐久性。橋面結(jié)構(gòu)更換后，根治了原混凝土板保護(hù)層碳化、剝落等病害，確保了鐵路運營安全。

5.3 防護(hù)棚架快速安全施工效果

采用化零為整的思路，吊掛式外棚架整體模塊吊裝技術(shù)，將一個150 min的封鎖點的安裝效率由只能安裝1個節(jié)段提高至安裝3～4個節(jié)段；內(nèi)棚架狹小空間超長縱梁拖拉技術(shù)，由原散拼平均3個封鎖點完成1個節(jié)間安裝，提高至平均1個封鎖點完成2個節(jié)間安裝。

采用空間轉(zhuǎn)移的思路，吊掛式外棚架整體模塊吊裝技術(shù)，將大量拼裝工序從高空危險作業(yè)轉(zhuǎn)移至橋面安全空間，體現(xiàn)了工廠化、預(yù)制化、模塊化的施工理念。

采用時間轉(zhuǎn)移的思路，吊掛式外棚架整體模塊吊裝技術(shù)，利用點外拼裝、點內(nèi)吊裝，內(nèi)棚架狹小空間縱梁拖拉技術(shù)，利用點外縱梁接長、點內(nèi)縱梁拖拉，節(jié)約了60%～80%的封鎖點時間，使改造總工期由預(yù)計的36個月縮減至26個月。

5.4 架板機架設(shè)寬體鋼主梁效果

架板機為水平梁結(jié)構(gòu)形式，具備主動精調(diào)姿態(tài)功能，支腿反力分散，克服了傳統(tǒng)吊裝設(shè)備空間占用大、支腿反力大、既有線上方傾覆風(fēng)險高等問題。實現(xiàn)了鋼主梁的快速架設(shè)，傳統(tǒng)吊裝架設(shè)工藝為2 d/塊，架板機為1 d/塊，縮短了工期。

5.5 新老結(jié)構(gòu)匹配安裝控制效果

支座安裝高程控制技術(shù)實現(xiàn)了公路橋面線形優(yōu)化及多支座體系均衡傳力的目的。鋼主梁縱向連接控制技術(shù)解決了改造項目新老結(jié)構(gòu)匹配連接的問題，提升了橋梁品質(zhì)。鋼主梁預(yù)偏量控制技術(shù)發(fā)現(xiàn)了板桁溫差作用下相對位移變化規(guī)律，通過設(shè)置鋼主梁前端預(yù)偏量來控制匹配精度，鋼主梁安裝完成后對應(yīng)支座縱向位移的誤差量均小于1 cm。

5.6 安全防護(hù)技術(shù)實施效果

構(gòu)建了一套針對大型涉鐵橋梁改建工程施工的安全防護(hù)體系，實現(xiàn)了南京長江大橋改造工程累計494個封鎖點施工過程零營業(yè)線安全及其他安全事故的目標(biāo)。

6 結(jié)語

在不影響鐵路運營安全前提下，實現(xiàn)對公鐵兩用鋼桁梁橋上層公路橋大規(guī)模升級改造施工，在中國尚屬首例。南京長江大橋改造工程的成功實施，有效地改善了結(jié)構(gòu)性能、耐久性更好，提高了公路橋面行車舒適度與通行能力，降低了運營過程的管養(yǎng)工作量，更好地保證了鐵路運營安全。項目采取了諸多先進(jìn)技術(shù)，加快了施工進(jìn)度、提升了施工品質(zhì)。