郭子煜 杨永明

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

早期建设的铁路钢桥，受当时设计理论和经济能力限制，往往存在梁体高跨比不合理，自重过轻等问题。随着铁路运量运能的提升，以及钢结构养护不到位，导致钢桥杆件病害严重。为彻底解除病害，需要对梁体进行更换。

目前，换梁施工多为中小跨度预应力钢筋混凝土梁更换为同等跨度钢梁或钢-混结合梁[1]，由于更换后的钢梁或钢-混结合梁较原混凝土梁轻，故下部结构一般不需要加固。也有将钢梁更换为预应力混凝土梁，由于梁重的增加，需要减小跨度及增加桥墩个数[2]。而以上两种方法均为横向置换，即旧梁横向一侧移除后，新梁从另外一侧横向顶推至桥位[3]。此施工方案需要沿既有桥修建临时墩，对于多孔大跨度钢梁，特别是位于水面上的桥梁而言并不适用，故需要设计一种新的施工方案，既不增加涉水工程，又能安全快速地更换梁体。

基于南同蒲铁路黄河特大桥改造加固的实践，提出一种单向单点连续拖拉的施工方案，以期达到较好的改造效果。

1 工程概况

既有南同蒲铁路黄河特大桥位于黄河和渭河汇合口下游约3 km，是南同蒲线上一座大型桥梁[4]。该桥于1966年筹建，1969年竣工，1970年交付运营。全桥采用24-48 m上承式简支拆装式桁梁[5]，全长1 199.6 m，桥面为直线平坡，设计活载为中-22级。

桥墩墩身为圆形，1～5号、23号墩墩身直径为4 m，6～22号墩墩身直径为3 m，桥台为T台。除0号、24号台、1～5号墩及23号墩采用直径55 cm混凝土管桩基础外，其余均为直径10 m的混凝土沉井基础。

既有桥梁部主要存在主桁横向刚度严重不足、上横联杆件端部有裂纹、高强度螺栓折断、横向振幅过大、桁梁死挠度等病害，自2001年5月17日起，限速25 km/h。既有桥现状见图1，孔跨布置及基础形式见图2。

图1 南同蒲铁路黄河特大桥现状

图2 南同蒲铁路黄河特大桥孔跨布置(单位：m)

2 主要工程内容

(1)钢梁更换

既有桥梁部采用战备用的拆装式梁作为永久性桥梁，耐久性较差，各杆件病害严重，且各项性能指标不能满足现有规范要求，故需要整体更换。经过比选，决定将梁部更换为整体性能更好、质量更轻、便于施工的明桥面钢箱梁。更换梁体前后的横截面见图3。

图3 既有拆装梁和钢箱梁横截面

(2)桥墩台顶帽改造

河道主管部门不允许水面以下墩台及基础进行帮宽加固，故全桥墩身需维持现状。相较于既有拆装梁，钢箱梁横向支点距离更宽，梁高更矮。因此，需要对既有桥墩的顶帽进行加宽和加高改造。桥墩改造前后对比见图4。

图4 桥墩改造前后对比

3 关键技术和创新点

(1)选择合理的替换梁型

既有桥梁梁部为较轻便的拆装式桁梁，质量仅110 t。墩身和基础已建成50年，表面均出现肉眼可见的裂缝和不同程度的混凝土碳化，但由于河道管理部门要求水面以下结构不能帮宽加固，故改造加固后梁体各项指标必须能够满足地基承载力、桥墩及基础在施工及运营期间受力、开通运营后车辆行车舒适性等各项要求。

(2)设计可行的施工方案

国内换梁通常采用的施工方案为梁体整体拆除后再整体吊装。该桥位于黄河和渭河汇合口下游约3 km处，桥的两端均为隧道，桥位处河道狭窄，任何的涉水工程均被禁止，最简单快捷方案(搭设栈桥→拆除既有桥梁→改造桥墩台顶帽→建设新梁)无法实施。因此，结合既有桥现状并经过多方案比选[7]，提出一种新的总体纵向拖拉的施工方案。难点在于不拆除旧梁的同时加高加宽桥墩顶帽，同时拖拉长度达1 km，国内外无经验可循，如何保证拖拉过程顺利实施成为关键。

(3)横向限位装置受力计算

为使得梁体在拖拉过程中受力控制更简单，拖拉过程更加安全。采用两点限位的方式，仅在最靠近拖拉位置和任意墩顶位置设置限位及纠偏装置。由于两点限位平面上为静定结构，作用点和方向确定，根据简单的力平衡原理计算确定拖拉过程各状态在拖拉力作用下梁体横向的作用力的大小。可以有效计算出墩顶横向限位的最大可能受力，以便设计出满足受力要求的横向限位装置，确保施工过程安全可靠[8]。

(4)缩短断道时间

南同蒲线为山西通往华南、华东的重要运输通道。长时间的断道施工在国内铁路史上属于首次。断道期间对铁路沿线居民的出行及山西省对外货物运输产生较大影响。采取合理有效的工程措施，在保证施工质量的前提下，有效缩短断道施工时间，可以产生明显的社会效益和经济效益。

4 新梁型的选择及全桥性能指标

旧梁为跨度48 m明桥面上承式简支拆装梁，梁部质量仅110 t。在桥墩和基础难以加固情况下，新梁必须选择自重轻[9]、整体性好的梁型，以满足下部结构和地基承载力的要求[10]。通过比选，选择明桥面钢箱梁，质量为220 t。通过对既有桥墩、桩基础和沉井基础的检算，目前既有桥下部结构能够满足换梁施工及换梁完成后的运营安全。通过车桥动力仿真分析[11]，换梁完成后的梁部和桥墩能够满足运营舒适性的要求。

5 施工方案的选择

最为方便高效的施工方案为搭设栈桥断道施工。既有桥中部20孔范围上下游两侧搭建栈桥，栈桥宽10 m，栈桥上架设两台跨线门吊；断道后拆除既有梁部，改造墩台顶帽，逐孔架设新梁。本方案工期最短仅需4.5个月。但桥位处属于湿地保护区范围，方案无法通过相关部门审批，故予以舍弃。

结合本桥特点，创造性提出采用总体纵向拖拉的施工方案[12]。首先通过桥面上两台可在钢轨上行走的吊车，将既有钢梁逐孔起吊、临时固定，再对既有墩台顶帽进行切割、凿除，然后吊装钢壳，绑扎钢筋，浇筑混凝土，顶帽改造完成后，在墩顶安装滑道梁、限位装置等拖拉设备。施工平台安装完成后，将旧梁之间、新梁之间以及新旧梁之间相互连接[13]，拆除旧梁的同时安装新梁，实现连续拖拉[14]。该方案的优点是旧梁可作为新梁的导梁，同时可缩短施工工期。施工方案示意见图5，实际拖拉过程见图6，拼装平台见图7。

图5 施工方案示意

图6 拖拉过程

图7 新梁拼装平台

施工步骤如下。

①在首尾各两孔梁下搭设拼装平台。

②利用跨线龙门吊机拆除此4孔钢梁。

③在剩余钢梁上安装侧向支撑装置，起顶各孔钢梁。

④对既有墩台顶帽进行加高加宽改造施工。

⑤在各桥墩墩顶安装滑道梁、墩顶锚固块等设备，各孔间采用临时杆件连接牢靠。

⑥在第二孔位置的施工平台上架设钢箱梁。

⑦新旧梁之间通过临时杆件连接。

⑧向大里程拖拉钢梁。当旧梁牵引至后施工平台上后，将其拆除。同时在前施工平台上架设新的钢箱梁。

⑨将新的钢箱梁与前孔梁通过临时杆件相连。

⑩重复以上步骤直至所有钢梁拖拉就位。

6 施工过程的保障措施

(1)旧梁梁底上滑道设置

旧梁为上承式拆装梁，主桁均为槽钢或角钢的组合杆件，本桥虽位于平坡直线的线路平面上，但梁体本身竖向刚度弱，跨中高程要低于墩顶高程。拖拉过程中，每个主桁节点拖拉上桥墩时就像在爬一个个小山坡。为了降低拖拉力，将旧梁底的上滑道沿纵向通长设置，同时接触面上也设置通长的不锈钢板。

(2)墩顶下滑道梁端设置

为使旧梁节点更容易拉上桥墩，将墩顶的下滑道梁端设计为圆弧状(见图8)。

图8 通长的梁底上滑道和带圆弧的墩顶下滑道

(3)加强旧梁横向限位装置

旧梁横向主桁中心距仅2.2 m，横向刚度弱，拖拉过程中，若上下游拖拉力稍有不均或同一墩顶上下游侧滑道面摩擦力稍有不同，将导致梁体出现横移。为避免梁体横向位移过大，需加强横向限位装置[15]。同时，横向限位装置可实现纵向滑动和横向位移调整。横向调整限位装置见图9。

图9 可调节的横向线位装置

(4)墩顶位移监控

由于既有桥墩没有进行帮宽加固，且墩身裂缝有一定程度发展，因此需要在拖拉过程中严密监测墩顶位移，若接近允许限值则立刻暂停拖拉[16]。

7 结论

(1)改造加固项目不同于新建项目，需要对既有桥梁的状态进行检测并对各结构进行深入细致的分析，以便形成合理可行的加固方案。

(2)拖拉施工对于钢结构桥梁的改造是非常重要的施工方法，能够有效避免水上临时辅助措施施工，非常适合环保、水土及行洪要求高的桥梁施工。

(3)既有钢桥换梁施工应尽量利用既有钢结构，将其作为拖拉施工的一部分，既可以节省造价又可以节省工期。

(4)长距离拖拉施工过程中，应确保滑道面的平整、光滑。对于横向刚度偏弱的桥梁，横向限位装置应保证有足够能力限制梁体制横向位移，同时具有横向纠偏的能力。