关键词：钢桁梁桥;桥面板更换;架板机;
作者简介：徐卫国（1978—），男，工程师，从事路桥建设管理工作。;
0 引言随着我国公路桥梁建设规模的不断扩大，钢桁梁悬索桥逐渐成为常见的桥梁形式之一，对于混凝土桥面系钢桁梁悬索桥，桥面板吊装方式对加劲梁位移、应力等影响较大，因此必须采取科学合理的桥面板吊装施工方案。本文通过MIDAS/Civil的应用，构建起连续钢桁梁桥有限元模型，分析不同吊装施工方案对整体结构可能造成的影响，为钢桁梁悬索桥桥面板施工提供借鉴参考。
某公路桥里程为K41+024.3—K41+669.48，桥梁长645m，其正桥为跨度68m+80m+88m+80m+68m的连续钢桁梁桥结构，桁架高6.4m。在钢桁梁横桥向按照4.3m间距设置4片主桁，并在主桁间增设剪刀撑。主桁板件和角钢铆接为H形杆件截面，其余节点也均通过铆接方式连接。行车道边纵梁采用钢混结构，截面宽38cm、高40cm，单个节段长12m。行车道采用预制混凝土板，现场湿接；通过直径22mm的锚固螺栓将公路纵梁和行车道板连成整体；人行道板为同样级别的预制板；钢支座设计高度80cm。
该桥梁建于1994年，在温度荷载及行车荷载的反复作用下，混凝土结构出现裂缝，钢筋也出现露筋和锈蚀迹象。在2021年对该大桥进行全面检测和评估时发现，行车道板底部网裂及纵横向裂缝较多，桥面铺装层破损严重，人行道板破损渗漏，混凝土纵梁裂缝渗水。根据荷载检验结果，桥面板各截面应变实测值均小于设计值，卸荷后残余应变均不超出20%。根据检测结果，行车道板实际承载性能已无法满足该桥梁设计荷载等级要求，为保证桥梁安全稳定运行，必须尽快根据《城市桥梁养护技术规范》（CJJ 99—2017）进行桥面系维修加固，提升荷载等级。
2 有限元分析及施工方案2.1 有限元模型该连续钢桁梁桥各构件所用施工材料及参数具体见表1。结合桥梁实际运行情况及维修加固设计，其一期和二期恒载分别为16.42kN/m和73.55kN/m，二期恒载占比很高，因此必须保证钢桥面板更换施工方案的合理性[1]。
表1 连续钢桁梁桥各构件所用施工材料及参数 下载原图
通过MIDAS/Civil软件构建桥梁有限元模型，初始状态选择成桥状态，通过倒拆过程进行连续钢桁梁桥桥面板更换各施工阶段的分析计算[2]。模型中主缆、吊杆、桥面板、主塔及加劲梁分别通过索单元、受拉桁架单元、板单元、梁单元展开模拟。全桥共设置受拉单元、梁单元、板单元216个、1 369个、200个，节点891个。
塔柱底部采用固接方式，钢桁梁桥桥面板与加劲梁则采用受压弹性连接方式，其余均采用结构静定；主缆和塔柱间设置主从刚性连接，并以塔柱顶节点和主缆对应节点为主、从节点，使顺桥向位移得以释放；内部构件连接形式则通过共节点模拟。
2.2 施工方案钢桁梁桥桥面板施工工艺通常包括边连接、边铺板，全连接、全铺板等。其中边连接、边铺板方案就是先临时连接节段，再吊装并刚接；全连接、全铺板方案则是待吊装好桁架梁悬索桥后刚接节段、调整线形，吊装桥面板。结合工程实际及基于有限元分析的结构受力，该连续钢桁梁桥桥面板吊装时边跨和中跨依次对称施工，即同时在跨中和中跨依次吊装边跨和跨中中板以及边板桥面板，最后吊装两块边板。
将原桥面拆除分成车行道板和人行道板两部分，同时进行。结合桥面形式，吊机吊装能力及站位空间等因素，分块切割拆除以上两部分。在车行道板拆除时，汽车吊位于另外一幅，考虑到半幅混凝土桥面板承载能力，将其横向划分为两段，并纵向分块；后续拆除幅承载能力符合要求，故仅进行纵向分块。车行道板拆除施工从桥跨中部开始依次向两端对称进行，人行道板则通过电锤凿开原预制缝后直接起吊。
正交异性钢桥面板强度高、质轻，安装快捷，将原行车道板更换为正交异性钢桥面板，并按照48+120+48+120+48m进行钢桥面板布置。更换后桥面通过35mm厚的高弹改性沥青和40mm厚的浇筑式沥青混凝土铺装。人行道板则更换成C40钢筋混凝土预制板，人行道纵梁则更换成长462mm、宽200mm、高8 000mm的型钢纵梁，并在单侧横向设置两块70mm厚的预制板，板间充填M20砂浆，再铺设高韧抗磨铺装材料。
3 施工关键技术3.1 原桥面板切割在每块桥面板四个对角距离桥面板切割缝50cm处借助风镐凿设孔径50mm的圆形吊装孔，成孔后，再使用切割设备切割桥面板。为保证能切透桥面板，使用尺寸400mm、最大切割深度145mm的锯片式切割机，并沿顺桥向切割线逐道切割。采用YG-25型锯链式切割机切割原行车道板路缘石，切割过程中所使用的飞胶圈和绳锯条消耗量较大，所使用的主要为切割能力强、粉尘小、效率高、静力无损的ϕ7.5～11.5mm规格的绳锯条。
3.2 原桥面板拆除出于半幅施工过程中汽车吊吊装能力和钢桁梁承载性能方面的考虑，为提升切割效率，在保证吊装安全的基础上，选用35t汽车吊，并按照下列步骤吊装：
(1）吊机就位：在桥端头和跨中四点布置桥面吊机，按照“跨中→两端”和“两端→跨中”的次序同步拆除原桥面板；在吊装孔内穿过钢丝绳，等连接牢固后悬吊于吊钩。
(2）通过扳手拆除锚栓螺帽，解除原桥面板和纵梁间的锚栓连接，再将找平砂浆层凿除，通过氧割设备将锚杆切除。
(3）试吊：通过桥面吊机将单块桥面板提升10～20cm高度，暂时稳定后检查吊机及起吊面板的受力情况，若完全满足现行规范，则正式起吊；通过旋转吊机将起吊后的桥面板放置在运输板车上并松钩。
3.3 钢支座安装为保证正交异性钢桥面板支座能顺利将桥面荷载向钢桁梁传递，并有效抵抗弯曲变形和水平位移，在该连续钢桁梁桥原结构纵横梁交叉位置增设380个4cm高的弧形支座，横纵桥向间距依次为1600+2150+1600mm和4 000mm。为最大程度避免钢支座发生疲劳破坏，分别在钢桁梁固定铰与活动铰两侧设置抗拉拔装置，全桥顺桥向共设置162套抗拉拔装置，在桥面板各联中间位置共设置80个限位装置，以确保钢桥面板结构应力分配均衡。
在安装钢支座的过程中，先按照设计要求将调高垫板安装在横梁上，并通过冲钉固定，按照23mm设计孔径配钻后进行支座安装，并将螺栓拧紧。支座安装好后进行同一横梁处支座顶面标高值的复测，并参照最高点，确定出具体点位高差和垫板调平厚度，结合复测结果安装调平垫板，确保同一横梁高程误差不超出2mm。纵向限位装置待将钢桥面板安装至各联中间位置时开始安装；完成全桥沥青层铺装后，连接角钢和桥面板纵梁，再连接槽钢和不锈钢带，确保槽钢和钢桁梁纵梁底部紧密贴合，以搭建起竖向限位抗拉拔装置[3]。
3.4 架板机架设该连续钢桁梁桥桥面板架设主要通过双主梁结构的MG10t-13型架板机，该机械主要部件有前中后支腿、主梁、电气机液压系统等，横向移动性能优越。整机重23t，起重能力达到10t，提升速度和大小车走行速度依次为0～1m/min、0～3m/min、0～0.5m/min，工作时主要通过吊机吊装或平板车驶入等方式喂梁。该型号的架板机吊装过程中前中后支腿为典型压杆结构，当大车不动，而小车满载并位于极限位置，须加强机械刚度和强度控制，并将最大吊重控制在11.04t以内。
钢桥面板架设过程中，架板机前中后支腿全部支撑在横梁正上方，在天车横移和前移时落梁。随着架板机的走行，其前支腿缓慢升高，待天车退行至后支腿位置时向前倾覆，此时中支腿和后支腿在数控系统的带动下沿着轨道向前移动。
3.5 桥面板架设通过2台额定起重量10t的架板机由南北两侧依次向中间架设连续钢桁梁桥面板，为保证安装质量，应在夜间温差较小、温度较为稳定的时间段架设钢桥面板。待完成桥面板架设后，在千斤顶和T形钢板的配合下精调，并通过顶推方式顶升面板、调整板单元间距，待精调至满足设计要求后，通过高强螺栓紧固。
钢桥面板横纵对接、横纵肋对接、腹板对接均采用熔透焊缝，从桥中线开始依次向两侧对称焊接，并保证纵向焊缝沿桥面板安装方向展开。钢桥面板横梁、纵肋定位焊则采用二氧化碳气体保护焊。
待结束钢桥面板行车道更换后进行桥面沥青铺装层浇筑，浇筑施工期间沥青混合料温度在240℃左右，为防止因钢桥面板过度受热而使其横向位移超出9mm的设计值，造成钢支座破坏，应以1个车道为1幅展开沥青铺装层单幅浇筑施工，同时将每次浇筑宽度控制在4m以内。桥面沥青铺装层摊铺时，在边侧内铺设300mm宽、35mm厚的钢制挡板，避免沥青混凝土侧流。
3.6 栓接正交异性钢桥面板在栓接后，顶板横向和纵向焊缝存在2mm宽度的收缩变形，该变形明显小于未栓接情况，便于高强螺栓安装。所以该连续钢桁梁桥桥面板安装施工应先栓接、后焊接。该桥面板标准节段施工时，顶板打底焊和埋弧焊分别需要1/2d和3d，横纵梁和纵肋栓接初拧和终拧均需要4h。如果在栓接的初拧和终拧之间进行打底焊和埋弧焊施工，则工期远超12h，显然不符合相关规范要求。所以须先实施高强螺栓初拧施工，而焊接埋弧焊则安排在工序最后，但终拧和打底焊工序的先后则较难确定。
在先进行终拧的情况下，完成打底焊和埋弧焊后连接板内应力较大，即使在完成埋弧焊后复拧高强螺栓，也难以消除应力场分布。
在先进行打底焊工序的情况下，连接板内应力较小，桥面板焊接施工所造成的附加应力场与结构整体恒载应力场叠加后，对横梁靠近桁架节点板受力较为有利，而对横梁变桁架节点板受力不利；同时还增大了肋板下翼缘应力，影响高强螺栓局部受力的均匀性。初拧值过大会增大结构初始应力场，而初拧值过小则无法起到临时加固及定位作用，结合典型结构及现场实测，将该桥面板更换施工中纵横梁和纵肋栓接初拧值确定为设计终拧值的50%。最终确定的合理栓接施工工序为：初拧→打底焊→终拧→埋弧焊。
4 施工过程控制效果评价在采取了本文所提出的吊装施工方案后，该连续钢桁梁桥桥面板施工过程中对称半跨8分点加劲梁上下弦杆及吊杆应力、钢桁架截面位移情况详见图2和图3，在成桥状态下钢桁架位移和吊杆应力达到平衡。
由图2～3可知，在进行该钢桁梁桥桥面板边跨、中跨分次对称吊装施工时，不同截面上弦杆、下弦杆应力变化幅度均不大，上弦杆最大拉、压应力依次出现在2/8L跨和3/8L跨，分别取112.94MPa和58.51MPa；下弦杆最大拉、压应力则分别出现在4/8L跨和2/8L跨，分别取90.45MPa和115.98MPa。全部截面位移均呈缓和变化趋势，不存在折线和突变点[4]。
图2 桥面板施工过程中加劲梁上下弦杆应力情况 下载原图
图3 钢桁架截面位移 下载原图
5 结语综上所述，该钢桁梁桥将原桥面板更换成正交异性钢桥面板，并将原人行道板更换为C40预制钢混板，更换施工从2021年3月4日开始，并在架板机和汽车吊的配合下更换桥面板，使半幅面板安装工期从30d缩减至24d；人行道板同样采用工厂预制的方式，半幅安装所需工期仅为17d，同年9月8日，该连续钢桁梁桥正式开放，竣工检测结果完全满足规范及设计要求。桥面板更换的工后运行结果表明，正交异性钢桥面板结构及汽车吊、架板机半幅吊装施工方案切实可行。
参考文献[1] 张龙飞.钢桁梁悬索桥桥面板吊装方案比较[J].新型工业化，2020(6):154-157.
[2] 石柱，项超群，上官兴，等.钢桁梁桥新型波形钢-RPC组合桥面板非线性有限元分析[J].中外公路，2019(5):86-92.
[3] 王永鹏，贠棋红.钢桁梁桥桥面板更换施工关键技术[J].世界桥梁，2019(5):84-88.
[4] 余波，田仲初.钢桁梁悬索桥桥面板吊装方案对比分析[J].公路与汽运，2018(6):102-105.
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