铆接钢桁梁桥维修改造专项技术

（中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司，湖北 武汉 430205）

重庆市牛角沱嘉陵江大桥建成于1966年，位于渝中区上清寺与江北区相国寺之间，为当时重庆第一座跨江大桥，2009年被列为重庆市文物保护单位。大桥全长625.71m，其中主桥为（68+80+88+80+68）m五跨钢桁梁全铆接桥。桥型如图1所示。

截至2018年，重庆牛角沱嘉陵江大桥已连续服役52年，因受环境、荷载等诸多因素的影响，原桥混凝土桥面板以下的主桁顶面杆件和铆钉锈蚀、变形严重，主要病害如下。

部分主桁杆件锈蚀、变形严重杆件的隐蔽部位、杆件间隙存在锈斑、锈坑，伸缩装置附近杆件锈蚀较严重。同时，上下平联共计18根剪刀撑存在异常变形。主桁体系杆件的锈蚀状况如图2所示。

图1 正桥总体立面图（单位：m）

图2 主桁杆件锈蚀情况

图3 桥面板病害情况

主桥混凝土桥面板的主要缺陷是混凝土剥落、裂缝、露筋等。部分行车道板底面存在着大量的纵向和横向裂缝，部分裂缝存在渗水现象，基本裂穿。桥面板病害情况如图3所示。

牛角沱大桥需在整治桥梁病害的同时，最大程度保留恢复其原有形态。改造完成后，桥梁横桥向宽度、布置与改造前保持一致，正桥主桁结构的整体受力体系不变，适当减小桥面板系重量减轻旧桥负担。具体改造方案如下。

将原有的混凝土车行道板更换为正交异性钢桥面，提高桥梁承载能力的同时降低桥梁恒载。采用无应力状态控制法更换原桥锈蚀、变形严重杆件，采用电磁热铆技术更换和补充原桥锈蚀、缺失铆钉。

一、桥面板结构功能恢复与提升

国内早期建设的钢桁梁桥桥面多为混凝土结构，随着运营时间的延长及桥梁长期振动的影响，出现混凝土桥面板保护层碳化剥落、开裂渗水、砂浆垫层碎落、钢纵梁疲劳裂纹等常见病害，严重影响桥梁结构继续服役。

荷载方面，牛角沱嘉陵江大桥原钢桁梁桥设计荷载低于实际交通荷载。现有桥梁上的常规主车一般为20t左右，车货重50t以上，重型车辆车轮的局部载荷也在10t以上；而原设计标准汽车的主车为18t，车货重30t，现有交通荷载远超行车道板原设计的正常使用承载能力，直接导致行车道板下密集裂缝的产生。

材料特性方面，混凝土桥面具有自重大和易开裂性等特点。经过几十年的运营和环境腐蚀，公路桥面板的设计结构几何尺寸与其设计荷载标准相适应，桥面板混凝土的碳化、裂缝严重，构件实际有效几何尺寸减小，部分主受力钢筋锈蚀，客观上造成了因使用寿命导致的承载力退化。

结构特点方面，钢桁梁桥的刚度小于混凝土梁桥，受车辆行驶振动的影响，直接支撑于钢桁架的桥面板与钢构件直接相互作用，使得桥面板混凝土在支撑处普遍开裂。

原结构的混凝土桥面板由于病害和承载能力不足，已不再适用于该桥。此次维修改造将原有的混凝土桥面结构更换为正交异性钢桥面体系，可有效提高桥面结构的承载力和整体性，在减轻结构自重的同时，改善了钢桁架结构的力学性能，既缩短了施工周期，又提高行车舒适性。钢桥面板与钢桁梁通过多支座连接，减少桥面伸缩缝数量，结构体系更合理，可有效适应板桁温差的变化，解决传统钢桁梁桥桥面板结构劣化及影响运营安全等问题。

为保证改造期间交通正常通行，根据工程特点采用分幅改造模式，保留半幅作为交通通道。桥面板改造依照“先左幅、后右幅”的总体施工原则，左幅施工时，防撞护栏设置在右幅，距轴线距离根据社会通道需求确定，防撞护栏施工完成后封闭左幅交通，自跨中向两侧通过拼装式架板机依次倒退进行桥面系统改造。

二、杆件无应力置换及电磁铆接

钢桁梁桥因风吹日晒而导致大量杆件锈蚀严重，且原有杆件防腐体系已经基本失效，为保证钢桁梁的结构整体性及安全稳定性，采用与原桥结构相同的板件（规格材料）同等更换。

更换过程中，为了保证钢桁梁桥在杆件置换时的的安全性，置换杆件的截面与原有杆件截面形式相同，应尽量使其处于无应力状态，将置换的杆件变为零杆。杆件置换过程应遵循以下原则。

1.新制杆件必须与旧杆件几何尺寸一致，保证置换后新杆件的应力状态与旧杆件的应力状态基本保持同一状态。

2.有效控制待置换杆件相邻节点间的位移。

3.对待置换的杆件采用临时杆件替代。

4.临时桁架、胎架必须有足够的强度和刚度，以保证钢桁梁整体安全稳定性。

5.在工厂制造新构件时，以旧构件为模板，并采用套钻技术，新杆件一端孔在工厂钻制，现场配置另一端孔，确保置换后杆件孔与节点板孔的对位精度。

牛角沱嘉陵江大桥的杆件置换在保证交通中断且结构荷载处于对称状态下进行。因原有杆件间通过铆钉连接，为满足“修旧如旧”的原则，需更换部分锈蚀失效铆钉。为加快施工速度，提高铆接工艺水平，铆钉加热选用全固态电磁感应铆钉加热炉，精确控制铆钉的长度是电磁热铆施工成功的前提。电磁热铆施工前，先评定试验铆接工艺，对铆接板厚、直径、温度等工艺指标进行试验，修改铆钉长度参数，提高铆接质量和结构的安全可靠性。铆钉电磁铆接过程应遵循以下原则。

为保护原结构、提高工作效率、节约成本，不选取常规氧割方法拆除铆钉，选用“碳弧气刨+磁力钻钻芯”技术拆除原有铆钉，并清理孔壁；铆钉的始铆温度应控制在1000℃～1100℃的区间，且终铆温度在450℃～600℃的区间，终铆温度不宜过高或过低；为使铆钉钉头周边与杆件表面密贴，铆钉钉头成形后，迅速用铆钉枪绕钉头倾斜打击并旋转一周。

三、结语

国内的铆接钢结构桥梁使用寿命普遍超过70年，混凝土桥面板破损、部分钢结构锈蚀等病害日益严重。对众多铆接钢桁梁桥维修加固过程中，形成的桥面板结构功能恢复与提升技术、杆件无应力置换与电磁铆接技术等维修改造技术，均在牛角沱大桥维修改造工程中得到了良好应用，既保证了铆接钢桁梁桥在维修时的安全稳定性，又提升了使用功能，最终实现铆接钢桁梁桥“修旧如旧”的总原则，为同类型铆接钢桁梁桥的维修加固提供了数据参考，也提高了我国铆接钢桁梁桥的维修改造水平。