公路连续梁桥改扩建为公铁两用钢桁梁桥技术*

2021-04-30徐步齐张文学

施工技术(中英文) 2021年5期

徐步齐，张文学，许乐，高奇

(1.中铁十二局集团第七工程有限公司，湖南长沙 410004； 2.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

0 引言

随着我国交通路网越来越密集，东部土地资源越来越稀缺，西部交通建设合理走廊带越来越少，公路铁路合建需求越来越大，建设公铁两用桥的优势越来越明显。首先，建设公铁两用桥不仅可共用基础，节省造价，而且可大幅度节约建设用地，降低土地征拆费用，具有明显的成本优势。其次，在跨江、跨河公路桥和铁路桥共建，可降低对河道通航干扰；在山区采用公铁两用桥可大幅度降低对原有地貌的破坏，具有非常明显的环境效益。经过多年发展与实践，我国在新建公铁两用桥梁的设计、施工领域积累了丰富经验，但在既有桥梁改扩建为公铁两用桥的工程实例还很少，还未见相关报道。为此本文以南沙港铁路为依托，从主要施工方案选取，到关键工序施工要点及质量控制等方面较全面地对公路连续梁桥改扩建为公铁两用钢桁梁桥进行了施工技术总结，可为今后同类工程的建设提供参考和借鉴。

1 工程概况及重难点分析

1.1 工程概况

新建铁路广州南沙港铁路西江特大桥跨鸡鸦水道公铁两用连续钢桁梁桥的跨径组合为103m+175m+103m，全桥长381m。平行弦连续钢桁梁结构，主桁共2片，桁间距为15.0m，桁高16.4m，边跨节间长12.75m，中跨节间长12.50m，全桥由30个节间组成。公路与铁路分2层布置，上层为6车道高速公路，桥面宽34.2m，公路桥面横向采用辅助桁架，副桁上弦桁间距为33.5m；下层布置双线铁路，线间距4.0m，钢桁梁截面形式如图1所示。该桥总用钢量14 500t，最大杆件重达73t，高强螺栓41万套。

图1 钢桁梁横截面(单位：m)

该桥是在原广中江高速公路鸡鸦水道大桥桥位上进行改扩建，原公路桥为左、右幅分建的连续刚构桥，左幅跨径组合为(102.5+176+102.5)m，右幅跨径组合为(102.5+176+106)m。合建前原广中江高速公路鸡鸦水道公路大桥已完成墩身和右幅箱梁0号块与1号块施工。根据设计，合建公铁两用桥需利用既有公路桥的基础和桥墩，在合建前将已施工公路桥的梁体及部分墩身拆除。

1.2 重难点分析

1)既有桥下部结构改造利用进场前原广中江高速公路鸡鸦水道桥公路左、右幅均已完成桩基、承台和墩身施工，右幅桥0号和1号块已施工完成。在此基础上改扩建成公铁两用桥，由此产生的技术问题有：①既有公路桥梁体及部分墩身破除施工技术，如何既要提高切除施工效率，又要保证再利用桥墩混凝土的完整性和接头钢筋的可靠性是该项目的一个难点；②既有桥墩于1年前浇筑完成，如何防止新旧混凝土结合面因龄期差异而导致新浇筑混凝土开裂是该项目必须考虑的问题。

2)钢桁梁架设合龙桥梁地处广东经济繁华区，鸡鸦水道为Ⅲ级航道，过往船只多、吨位大，河道内不能设置临时支墩，只能采取悬拼或顶推施工方案。而该桥跨度大、自重大、合龙口多(上弦5个接口，下弦3个，如图2所示)，悬臂拼装线形控制及跨中合龙难度大。

图2 合龙口

3)桥面系施工质量控制 ①铁路桥面系在架设过程中预拱度及整体线形的精度控制高，复合钢板现场焊接工艺新颖，质量要求高；②公路桥面系标准段宽34.2m，混凝土板为现浇施工，混凝土施工体量大，如何有效控制混凝土后期收缩徐变是关键；公路桥面结构由纵横梁组成的格子梁、封底钢板、纵肋、横向剪力键、剪力钉、上层钢筋网等组成，构件较多，工序较多，施工过程复杂，如图3所示。

图3 公路桥面结构

2 钢桁梁架设方案比选与设计

2.1 方案比选

根据鸡鸦水道公铁两用桥的结构形式和桥梁所跨越河道的通航要求，其钢桁梁架设可采用的方案有悬拼方案和顶推方案2种。

1)悬拼方案两侧边跨支架拼装+中跨悬拼方案，边跨布置4道临时支墩，具体如图4所示，同时为便于构件水上运输起吊和跨中合龙，一侧采用梁上旋转吊机拼装，另一侧采用浮吊拼装。

图4 悬拼方案示意

2)顶推方案在一侧引桥和边跨布置临时支墩，在箱梁前进端设置108m长钢桁架导梁，共布置11道临时支墩，具体如图5所示。

为选择更合理的施工方案，从场地条件、钢桁梁架设过程受力特点和施工控制难易程度等角度对以上两种方案进行定性对比分析。分析结果表明：无论是从临时结构材料用量，还是从施工控制的难易程度方面，悬拼方案均比顶推方案更优些。同时，通过对顶推过程模拟分析可知，当顶推至最大悬臂状态时，鼻梁前段的挠度为1 298mm(方向向下)，钢桁梁下弦杆的最大压应力为473.8MPa，大于弦杆的材料设计强度340MPa，如图6所示，故不建议采用顶推施工方案。

图5 顶推方案示意

图6 顶推过程应力与变形

2.2 悬拼施工过程分析

本桥施工过程分析采用MIDAS/Civil-V2015建立全桥空间有限元模型，模型中杆件采用beam单元，节点按刚接处理，每根杆件划分为5～10个单元，全桥共有3 550个节点，5 812个单元。架梁吊机按200t计算，按集中荷载作用在桁架节间上；公路桥面铺装折算为线荷载后按集中荷载作用在桁架节间上；整桥自重按15 500t计算。

根据实际悬拼方案进行施工过程模拟得在悬拼过程中钢桁梁各杆件的应力状态满足规范要求，合龙口变形如图7所示。在小里程侧悬臂端，纵向位移Δx1=21.7mm，竖向挠度Δz1=-236.5mm，合龙口转角θ1=11.95°；在大里程侧悬臂端，纵向位移Δx3=-22.3mm，竖向挠度Δz3=-196.0mm，合龙口转角θ2=9.96°。

图7 整桥合龙前变形

按合龙工艺流程，合龙口的纵、横向偏差均采用墩顶纵、横向纠偏装置进行调整。合龙口的竖向偏差及转角采用边墩落梁的方法进行调整。通过理论计算得出，在678号墩落梁333mm，在681号墩落梁265mm，可消除合龙口的竖向偏差及转角。故钢桁梁在施工过程中整体比支座顶面高30cm，便于降边墩，调整合龙口。

3 关键工序施工技术

根据依托工程的结构特点、场地情况及工期安排，南沙港铁路鸡鸦水道公铁两用钢桁梁桥的主要施工工艺包括：①既有公路桥箱梁和部分墩身拆除；②大型临时设施工程施工；③构件工厂加工及运输；④现场拼装架设；⑤跨中合龙施工等。现对关键工序进行技术总结如下。

3.1 既有公路桥下部结构改造利用施工

既有公路桥梁0，1号块及部分墩身需切除，然后在此基础上进行接墩、浇筑盖梁。如何既保证接头位置混凝土的完整性和接头钢筋的可靠性，又提高既有桥墩混凝土的破除效率是需解决的问题。为此，本项目提出先采用绳锯分块切割，分块拆除废除部分，在既有墩身钢筋利用段采用微爆破加人工风镐剥离混凝土工艺，取得较好施工效果。同时，考虑到既有桥墩于1年前浇筑完成，为预防新旧混凝土结合面因龄期差异而导致新浇筑混凝土开裂问题，开发了二次振捣混凝土浇筑施工工艺，通过二次振捣约可降低新浇筑混凝土早期收缩30%，如图8所示，图中A组和D组为正常浇筑，一次振捣，B组和C组分别间隔2h和4h进行二次振捣。

图8 二次振捣降低混凝土早期收缩

3.2 钢桁梁构件加工

钢材从钢厂送至钢构件加工厂，验收合格后，定尺切割，焊材验收合格后进行钢板组装，组装完成后过火矫正，对拼装完成杆件按设计要求进行3个节间的平面试拼装，拼装合格后，对杆件进行涂装防腐后出厂。其中，铁路桥面系采用纵横梁明桥面，纵横梁的腹板和底板均采用Q370qE，纵横梁的顶板采用不锈钢复合钢板，基材为Q370qE，复合层为3mm厚321型不锈钢，如图9所示。不锈钢复合钢板采用爆炸法，将不锈钢复合层和基层钢板焊接在一起，复合率要求达到100%，兼备了复合层的强耐蚀性、高耐磨性和基层材料的优异力学性能。运到现场的杆件要对焊缝质量和涂层厚度等进行复验，复检包括项目部的自检和业主委托的第三方检测机构的抽检。

图9 铁路明桥面不锈钢复合板

3.3 钢桁梁拼装架设

杆件验收合格后采用大小里程同时往跨中安装，过主墩后拆除边跨支架，开始悬臂拼装，到合龙口后进行合龙杆件加工，完成全桥主跨合龙。

3.3.1拼装架设

由于陆运过程中的一些污染，在吊装前对构件进行清洗，然后对杆件在预拼场进行节间板的预拼装，拼装完成后开始杆件吊装。吊装时做好杆件的精确对位，包括杆件对中安装、杆件垂直度调整，满足要求后落钩。

大里程利用塔式起重机安装前2个节间的杆件。先下弦安装，后铁路横梁安装，然后是铁路桥面系的X型下平联和4根铁路纵梁，最后安装竖杆及上弦杆。上弦安装完成后，开始闭合主桁构件，在拼装场对门架进行拼装后整体吊装，以提高工效。主桁闭合后在公路桥面继续利用塔式起重机安装70t回旋吊机，然后利用塔式起重机在拼装场提梁放置在运梁小车上，运梁小车不断喂梁给回旋吊机，回旋吊机不断前移安装后续主、副桁梁杆件。

小里程由于交地影响，边墩在同时施工桩基，上游处的500kV高压线路平行于主桥，只能在下游处进行单侧吊装，起重机臂长要求72m，采用400t全回旋浮吊从第2节间之后吊装。自重较小的杆件可在浮吊上提前拼装后整体安装。

3.3.2冲钉安装

冲钉的安装符合设计及规范要求，保证栓群的定位。在拼装场用公称直径比钢梁设计孔径小0.1～0.2mm的冲钉将板束准确对孔，再用部分螺栓将板层充分压紧。支架拼装时冲钉和高强螺栓总数量不得少于孔眼总数的1/3，其中冲钉应占2/3，孔眼较少部位冲钉和高强螺栓数量不得少于6个。钢梁悬臂或半悬臂拼装时，连接处冲钉数量应按所承受的荷载计算决定，但不得少于孔眼总数的1/2。

3.3.3高强螺栓施工

本工程采用的为摩擦型高强螺栓连接，即通过螺杆产生的拉力压紧构件接触面，在板件间产生摩擦力来传递内力的连接方式。高强螺栓规格为M24，M30，全桥高强螺栓总数约41万套。高强螺栓施拧前，每个批号的高强螺栓应在现场实验室测定扭矩系数，如表1所示，每个批号高强螺栓需取8套，扭矩系数在0.110～0.150，标准偏差≤0.010。

表1 高强螺栓扭矩系数

栓接板面在出厂前应采用抛丸(砂)处理，并喷涂设计要求的防滑涂料(本项目为热喷铝)，出厂时栓接板面抗滑移系数(摩擦系数)的最小值不得小于0.55。构件拼装前必须进行抗滑移试验，每批试件的抗滑移系数的最小值不得小于0.45。

螺栓采用扭矩扳手安装，使用前扭矩扳手必须进行标定，其标定误差不得大于使用扭矩的±3%。初拧扳手标定值为终拧扭矩值的1/2，终拧扳手标定值为终拧扭矩值。对于已安装冲钉和普通螺栓的栓接位置，分批将冲钉和普通螺栓退出，并逐个更换为高强螺栓，更换顺序由节点中心向四周扩散，用扭矩扳手进行初拧。初拧后的高强螺栓用白色记号笔做好画线标记，在螺母、栓杆、垫圈、摩擦面画上1条白线，以防止重复施拧、遗漏和便于检查。施拧顺序应从节点中心部分向不受约束的边缘进行。全部螺栓都初拧完成后，对所有初拧后高强螺栓进行终拧，施拧顺序由节点中心向四周扩散，并检查白线错位情况。终拧由经过校验的电动定扭矩扳手完成，对于个别部位上无法使用电动工具的螺栓，使用经过校验的表盘式检查扳手或带响手动扳手完成终拧。终拧完成后用红色记号笔做好画线标记，初拧、终拧应在同一天内完成。

终拧检查在终拧4h以后、24h以内进行，抽检比例为10%。同时，用红色记号笔做好检查标记，三角形为合格，叉记号为不合格。终拧扭矩检查采用紧扣法，用检查扭矩扳手拧紧螺母，测得螺母与螺栓刚产生微小相对转角时的扭矩，应在0.9～1.1倍紧扣检查扭矩范围内。每个栓群或节点检查的螺栓合格率不得小于80%，欠拧螺栓补拧到规定扭矩、超拧>10%的螺栓更换连接副后重新施拧。

3.3.4边跨落架及纠偏

钢梁架设过主墩后，利用千斤顶起梁，将边跨脱离支架，如图10所示，进行第1次体系转换，利用边跨的压重和钢桁梁的自重及自身刚度进行荷载重分配，使后续悬臂拼装受力更明确，更有利于主跨的悬臂拼装。边跨起梁后，用小浮吊拆除临时支墩及上部纵横梁，将纵横梁作为边墩处的配重，保证钢桁梁体系的抗倾覆稳定性要求。考虑纠偏需求，在2个主墩设置16台1 000t三维千斤顶，2个边墩设置8台1 000t单向千斤顶，实现钢梁的竖直方向、横桥向及顺桥向的位移调整。

图10 边跨脱空

3.4 钢桁梁合龙施工

主桁拼装至合龙口后，副桁都拼装到11节间，大里程侧回旋吊机退回主墩，便于两侧的钢梁状态基本一致。调整支座中心线位置后，将临时固定支座位置调整到设计中心线，直接落梁在抄垫上，其他3个墩的支座处于自由滑动状态。采用起落梁调整法，按线形监控数据调整钢梁状态，保证合龙杆件两侧的钢梁纵横向位置、竖向转角。测量调整已拼装梁段的平立面位置，使合龙口两悬臂端的主桁中线偏差<2mm。根据模拟结果在边支座下拉 30cm，中支座上顶 5.6cm，中跨E14，E14′节点上顶至29cm，E0～E14号相对高差58cm，使合龙口处于相互平行位置。平纵面及转角位置调整完成后，连续测量观测7d合龙段长度，在合龙时间内确定合龙杆件的实际长度，并通过合龙段的下料长度来消除剩余误差，最后选择后半夜23℃时的杆件长度。合龙段尺寸确定后加工厂按测量长度放样加工，利用温度变化引起的钢梁自身热胀冷缩采用温差调整法合龙，先合龙下弦，后合龙上弦。主桁合龙完成，利用回旋吊机前移架设完所有8节间的副桁。全桥架设完成后落梁，再对支座进行灌浆，灌浆完成后施工公路桥面附属设施。

3.5 复合板桥位焊接施工

铁路横梁(48+3)mm和(28+3)mm纵梁2种复合钢板采用现场桥位焊接，全桥I级焊缝长度共计139m，每道焊缝0.6m，焊接时间4～6h，二级风以上现场需采用挡风棚内焊接。采用电动打磨机对坡口进行打磨处理，要认真清理、打磨至露出金属光泽。然后采用陶瓷衬垫兜底，对接焊缝的两端均设引熄弧板，引熄弧板的材质、板厚和坡口形式与正式杆件相同，长度≥8cm。分别采用不同的焊材进行基层、过渡层、复层逐层焊接。复层焊缝表面应尽可能与复层钢板表面保持平顺，且复层焊缝的余高不得大于1.5mm。焊接完成盖面后24h后进行超声波无损检测。

3.6 涂装施工

节间板安装完成后，用打磨机对栓群及拼接板打磨至金属光泽，报检合格后喷涂环氧磷酸锌透明封闭底漆1道，底漆厚度25μm。底漆施工完成后喷涂环氧云铁中间漆(厚浆型)1道，厚度80μm，后喷涂第1层氟碳面漆，厚度35μm，第2道面漆成桥后统一喷涂。现场喷涂的环境温度宜在5～35℃，相对湿度宜≤85%，涂装后4h不得淋雨，施工时不宜在强烈日光下进行。