桥梁的“无痛手术”——复杂条件下鹤洞大桥构件高效更换技术

截至2023年末，全国公路桥梁达107.93万座，城市桥梁达8.93万座。随着道路交通，车流量大幅增长，一部分桥梁出现：原有的设计标准无法满足现行标准、通行能力不足、结构耐久性降低、桥梁结构病害、桥梁意外损坏等系列问题，已无法满足发展的需要，急需改造。在城市中，桥梁是连接城市内部的主要通道，是城市交通的命脉。城市桥梁改造，造成长时间的封闭交通，给居民出行带来不便，交通压力的增大、大量车辆绕行造成的资源消耗、时间浪费难以估计。相比于城市桥梁改造，应考虑最大化保留或利用原有结构，并减少对原结构造成的改造损伤的基础上，更换存在问题的桥梁构件，保证桥梁的正常运行。

鹤洞大桥位于广州市海珠区和荔湾区之间的珠江航道上，于1998年建成通车。根据检测结果及现场调研，桥梁整体技术状况评定为D级，处于不合格状态，急需大中修。主要施工内容包括主桥斜拉索更换、H线上部结构更换等。

图1 鹤洞大桥原桥照片

图2 地理位置分布示意图

结合现场实际情况，经分析鹤洞大桥改造施工的特点如下：

（1）鹤洞大桥主桥主跨为钢-混凝土叠合结构，刚度小，建模计算单根索拆除后桥面最大下挠20.9cm，边跨为预应力钢筋混凝土结构，中边跨不对称；过程中不对称性、张拉力等控制要求高

（2）鹤洞大桥位于广州市中心区域，H线引桥与大桥E线引桥相接、昌岗西立交相接，沿线共设有5条转换匝道，交通流量大。

（3）H线周边建筑物较多，两侧紧贴房屋且部分建筑物结构侵入居民楼的阳台，桥下地面为市政道路和停车场。H线上部结构拆除重建工程，无法在桥梁两侧进行征地，施工区域仅限桥梁投影面积上下区域。

（4）H线第31跨横跨广州市城市主干道工业大道施工时间为23:00至次日5:00（仅6h）白天需恢复交通。

（5）桥下为工业大道，地面以下有自来水管、国防光缆、高压电缆等管线复杂(埋深0.8～1.2m)，同时还有广州地铁8号线(埋深12m)下穿通过，管线权属单位要求管顶的附加应力(不含土压力)小于或等于20kPa。

鹤洞大桥主桥为双塔双索面混合梁斜拉桥，主塔高128.45m，主跨为360m一跨过江的钢梁——钢筋混凝土板叠合结构，两侧副跨为144m的现浇预应力混凝土结构。共设有144根斜拉索，经专项检测斜拉索已不能满足安全使用需求，因此需进行全桥斜拉索更换。

图3 桥型立面图

斜拉索更换先拆除旧索，再安装对应新索，张拉到旧索测试索力，待全桥斜拉索安装到位后，进行索力调整，同步实施斜拉索PVF缠包及螺旋线缠绕。

采用单塔对称双塔反对称的换索工艺：按长索到短索、双塔先后反对称、单塔对称的顺序进行斜拉索更换。

换索施工控制原则：以桥面标高控制为主，斜拉索索力控制为辅；换索前后结构线形偏差控制在1cm以内；换索过程中及换索后结构不应出现新裂缝。

新索采用7mm低松弛高强度镀锌平行钢丝成品斜拉索，锚具采用冷铸墩头锚，共9种规格，塔端为张拉端，梁端为固定端。新索钢丝标准抗拉强度选取1770MPa，每根斜拉索出厂前索体表面设置扭转观测带，斜拉索采用双层黑色HDPE护套材料，并将耐环境应力开裂指标提高至大于10000h。

新索锚具直径与旧索锚具相同，加长锚具长度，优化平行钢丝锚具处分丝角度。锚具采用OTC-QZ防腐，斜拉索弯曲半径按大于或等于30D控制。

梁端防水罩前端特制不锈钢挡水装置,下导管内填充非硫化密封胶,有效阻隔明水和冷凝水由索导管进入腐蚀锚具。

（1）旧桥状况及索力复测

换索前对全桥索力、线形、塔肢偏位等进行测量，测量时需对全桥进行临时交通封闭。对边跨混凝土梁、主跨钢梁、混凝土桥面板、桥塔等部位进行病害检查，并修复混凝土缺陷和裂缝，更换松动的高强度螺栓等。

（2）锚具及减振器处理

1）拆除斜拉索内置式减振器，对梁端锚管进行人工清理，主要清除砂浆等锚管的填充物。

2）清除旧索锚头上的油脂、杂物等，先使用钢丝球将浮锈清理干净，在换索前涂抹除锈剂。检查锚具螺纹是否有损伤，如有损伤立即打磨处理。

（3）斜拉索牵引、下放力确定

在自重和轴力的作用下，斜拉索在更换过程中和安装完成后呈悬链线形状，施工时其几何非线性非常明显，施工前通过悬链线公式进行迭代计算，主跨斜拉索在不同牵引（下放）长度下的牵引（下放）力。

（1）施工索具安装。安装张拉及牵引设备，塔外安装塔端索夹，并连接塔顶门架主起吊卷扬机系统。

（2）斜拉索塔端放张。启动千斤顶，拧松锚具螺母后，通过张拉杆硬牵引同步放张斜拉索，直至斜拉索下放定的长度。斜拉索放松过程中，塔顶门架主起吊卷扬机系统不受力，呈放松状态。

（3）斜拉索梁端退锚。启动桥面牵引卷扬机系统收紧斜拉索，至梁端锚头螺母松动，然后拆除梁端锚头螺母。

（4）斜拉索塔端下放。启动塔顶门架主起吊卷扬机系统提升斜拉索，塔顶卷扬机牵引张拉杆，拆除张拉杆螺母并拆除多余的张拉杆，然后将锚头下放桥面。

图4 塔端退锚

（5）斜拉索切割及运输。将旧索进行切割，通过运输车运至指定位置堆放。

（1）施工准备。斜拉索挂设前对塔端、梁端的索导管进行全面的检查，对索导管内的焊渣、毛刺等进行清理，对索导管和锚垫板进行防腐涂装处理。

（2）斜拉索桥面展索。新索放在放索盘上（固定在18号索附近）。通过卷扬机牵引斜拉索至塔端，锚固处，充分展开斜拉索。

（3）斜拉索塔端挂设。启动塔顶门架主起吊卷扬机，提升斜拉索上升，通过塔内牵引和塔外主起吊两套起重系统的配合，保持斜拉索锚头和索导管同样的角度。牵引斜拉索出锚垫板，并临时锚固。

图5 塔端挂设

（4）斜拉索塔端下放。塔端通过张拉杆下放斜拉索，利用塔顶门架主起吊卷扬机调整角度，以免斜拉索PE护套损坏。

（5）斜拉索梁端牵引及锚固。启动桥面牵引卷扬机牵引斜拉索，通过汽车品调整斜拉索角度，直至梁端螺母锚固到指定位置。

图6 梁端压锚

（6）斜拉索塔端牵引及张拉。斜拉索梁端锚固后，在塔端对斜拉索进行牵引，直至锚头伸出锚垫板并及时跟进拧紧锚具螺母，直至监控值。

（7）斜拉索的临时减振和临时防水。施工期间，为减小斜拉索振动，采用花篮螺丝进行斜拉索临时减振。斜拉索用编织纤维带和彩条布包裹索导管进行临时防水。

H线引桥主要位于原收费广场，全桥5联31跨，465m，为墩梁固结的现浇钢筋混凝土板式梁格结构，桥面变宽24~57.2m，桥下净空为4~8m。桥体出现梁体开裂，特别是大纵横梁裂缝较多，经检测评估，处于不合格状态。同时桥梁墩柱等状况较为良好，因此主要是更换上部结构，仅对下部结构墩柱进行维修加固。上部结构形式由现浇钢筋混凝土板式梁格结构更换为钢-UHPC组合梁连续结构。

图7 新建H线断面布置图

上部结构拆除采用单元整体勿割+桥面双向平移连续下放+车载装备运输现杨集中拆解的施工方法，利用多轴组模块车驮运梁体，减少车辆轮压对地面的压力，将梁体运输至没有管线影响的拆解场区域后集中拆解外运。总体按照先拆除附属和翼缘结构再拆除中心梁格结构、主梁，最后拆除顶剩余梁段的施工顺序进行。

（1）装备安装

该装备包括双向平移连续下放系统和移除系统2个大单元。其中双向平移连续下放系统初次安装时，应利用墩顶垫墩将贝雷梁顶面全部调整水平，并将滑块与轨道顶部型钢用形扣锁紧。钢绞线穿布时需进行编号，以免钢绞线打搅。

双向平移移除系统主要包括SPMT车组和车载支撑系统，车载支撑系统按照要求加工完成后利用汽车起重机吊装安放在SPMT车组上即完成组装。

（2）梁体切割

梁体切割采用绳锯切割，为方便切割段的下放切割断面立面呈正八字形，每个梁段采用2~4台绳锯。切割前将千斤顶提升力调节至1.05倍的设计值，持荷5~10min（消除支撑系统的非弹性变形），再将各下放点的提升力调至设计吊重力后开始切割。

（3）梁体下放

待移除梁段分块切割完成后，开始梁段的4点连续同步下放。

图8 梁格板下放

将梁段下放至离地面约2.5m高度位置临时锁定千斤顶，模块车行驶至梁格板正下方，正位置后方可继续下放梁段，直至平稳落于模块车上。

（4）梁体移运

梁体移运前需进行路线规划，并对SPMT模块车组进行速度控制(<5km/h)、转角控制、道路自适应控制、梁体姿态及应力控制、全过程安全控制，确保移运顺利进行。

（5）梁体分解及外运

在临时堆放场，采用静力切割方式将梁体分解成小块（不超过30t），后运输至指定破碎点。

（6）H30～H31拆除

采用车载装备交替下放——快速移除技术完成此跨拆除。

图9 H30-H31拆除

桥梁由原来的5联改为7联。钢-UHPC组合连续梁桥，由纵梁、中横梁、箱形横梁、UHPC桥面板组成，其中纵梁采用100cm高钢工字梁，箱形横梁采用100cm高单室钢箱梁，中横梁为50cm高钢工字梁。

H线新建桥施工H30～H31跨钢梁利用模块车在H28～H30跨安装完成后；其余部分施工按照“先主线，后变宽部分”的原则组织施工，在第一联往大里程方向、第七联往小里程方向设两个作业面，其中第七联往小里程作业面在H30～H31跨施工完成后开始组织。

新建H线引桥钢梁由纵梁、中横梁、箱形横梁组成，桥梁纵桥向采用100cm高钢工字梁，横桥向采用100cm高单室钢箱梁，中横梁为50cm高钢工字梁。

为适应现场吊装设备的起吊能力以及方便现场焊接，钢梁划分成若干单元在后场加工，并在现场进行二次拼装。

（1）安装横梁

箱型横梁移运梁体最长31.9m，质量约39.2t，采用2PPU+24轴线模块车进行驮运。24轴线模块车总额定载质量960t。

模块车及驼运支架按设计要求组拼完成后停放在钢梁吊装场地处，利用汽车吊吊装组合钢梁节段放置在模块车上，运到设计横梁位置后，放置在临时支架上面，完成体系转换，随后模块车进行下一节横梁驼运。

利用汽车吊将梁段缓慢放置于桥墩或支撑上，在落梁就位的时候，两个支撑位置分别安排两组起重工辅助梁段精确就位。

图10 钢梁吊装施工图

（2）纵梁及小横梁安装

受管线影响的区域，纵梁及小横梁采用基于桥面支撑的梁板快速安装设备安装，其他区域采用汽车吊安装。

（3）钢梁精确定位及固定

箱型横梁利用支架顶设置的千斤顶来进行竖向精确定位，纵梁及小横梁为工字型截面质量较轻，吊机配合实现钢梁精确定位。

根据要求，预制板与钢梁支撑面设置50mm×10mm橡胶止水条。主线范围桥面板采用基于桥面支撑的梁板快速安装设备起吊，其余区域桥面板采用25t汽车吊吊装。

（1）单跨桥面板分两排吊装，通过北侧预留的提升窗口提升桥面板。吊装从南到北逐块吊装，纵梁预制板时，两根反力梁先滑移至预制板顺桥向L/5位置，横桥向两个吊耳通过钢丝绳及卸扣连接同一个电动葫芦，两个电动葫芦同步提升预制板。提升过程中人工采用溜绳控制预制板以避开钢梁结构，提升至钢梁梁面以上30cm然后同步横移，将预制板移动至安装位置下放。

图11 桥面板吊装现场施工图

（2）主线范围内湿接缝浇筑养护完成后，其余区域桥面板通过两端引桥运输至桥面上，利用25t吊车吊装。

（3）吊装安装到位后及时采用短钢筋将各桥面板之间钢筋焊接固定，每边焊接点位不少于3处，固定到位后，尽快施工湿接缝，以便确保桥面板的稳定性。

H30～H31跨利用模块车整体拼装后移运安装，H30～H31跨钢梁及桥面板总质量约300t，拟采用4PPU+56轴线模块车进行驮运。

在H28～H30跨位置按要求布置模块车，搭设模块车移运支架。采用110t吊车依次吊装横梁、纵梁、小横梁及桥面板。然后整体移运H30～H31跨上部结构至设计位置安装。

图12 H30～H31跨钢梁安装

（1）创新的采用单塔对称双塔反对称的换索工艺，最大程度确保了结构安全，换索工期由原计划144天缩短为83天。

（2）双向平移连续下放移除技术较传统支架法拆除，减少了大量临时支撑及作业人员，降低了高空作业风险，实现大吨位梁段（≥120t）在低地基承载力（≤20KPa）条件下的运输。

（3）创新研制的基于桥面支撑的梁板快速安装设备，实现纵梁、小横梁钢构件和UHPC桥面板的快速安装，安装技术效率较传统支架法工效提高了两倍，减少50%的作业工人数量，实现了在保护既有墩柱条件下，新建上部结构快速施工。

研究可再生材料、节能设计、绿色施工技术，综合考虑环境友好性和高效利用资源，使得城市桥梁改造工程朝着低碳、可持续发展。

随着传感器技术、大数据分析、人工智能等技术不断成熟，可应用于桥梁改扩建中，为桥梁后期安全监测和管理提供强有力的支持，实现桥梁的智慧化运营。