上海老舊橋樑“手術”實錄

上海老舊橋樑“手術”實錄

12年前,上海路政部門收到一封來自外白渡橋英國設計方的信函,來信提醒:“外白渡橋的橋樑設計使用年限為100年,現在已到期,請對該橋注意維修。”並給出了一定的維修建議。這是一個重要信號,意味著和外白渡橋同時期的一批老橋,包括浙江路橋,都已邁入“百歲高齡”。

橋樑,是上海城市的名片。作為黃金水道的黃浦江,一路從市區穿過,把上海分成東西兩塊,在吳淞口與長江匯合,一起流入東海。說起上海黃浦江上的橋樑,形態各異且頗具特色。它們串起了浦江兩岸,改變了城市發展的格局。而蘇州河以前其實比黃浦江更像是上海的母親河,它見證了上海的滄桑變化,承載了這條河上悠久的橋樑歷史。無論是蘇州河上1908年修建的百年文物外白渡橋,還是1976年建成的首座跨越黃浦江的松浦大橋,如何將這些承載著上海城市記憶的舊橋,經過升級改造,重新煥發生機與活力,這是擺在橋樑建設者和管理者們面前的一道考題。

百年老橋 修還是拆

外白渡橋是位於蘇州河與黃浦江交匯處的一座全鋼結構橋樑,於1908年1月20日落成通車。由於其豐富的歷史和獨特的設計,成為上海的標誌之一,同時也是上海現代化和工業化的象徵。平均每天有3萬輛車從這裡駛過,無數遊人在此拍照留念。1994年2月15日,上海市人民政府將外白渡橋列為優秀歷史保護建築之一。

“哪些橋值得維護,哪些橋可以拆除,我們是有考慮的。包括它的文物價值、景觀功能,以及整個維護的難易程度。有些橋樑,本身可能就是一個不合理的結構,或者本身就很醜陋,相當於有先天缺陷的,再怎麼維護也沒有太大的意義。而有些橋樑,特別是一些文物橋樑,可以說要不惜一切代價地去維護。外白渡橋的歷史價值、藝術價值,包括它在上海市民心中的情感因素,各方面的價值都很高。”上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司大橋設計研究院總工程師陳亮說。

比外白渡橋僅年輕1歲的浙江路橋,是蘇州河上僅存的第二座鋼結構老橋,更是我國乃至亞洲唯一一座僅存的魚腹式鋼桁架橋樑。

陳亮告訴記者,對於這兩座百年老橋,儘管歷史上曾有過幾次修繕,但並不能從根本上延長橋樑的使用壽命。“從一九零幾年造好後,每次維護都是在蘇州河上原位進行,甚至交通都不中斷。而我們這次維護,是把這兩座橋整體移上岸。外白渡橋是通過船移,從黃浦江移到長興島,在島上進行露天維護。浙江路橋要求更高,直接上岸,還專門為它在中心市區建了一個廠房,在廠房內進行維護。許多焊接、鉚接、塗裝等工作,要求的條件和質量也越來越高。如果在原位去修復的話,上面會有荷載運動,露天可能還會遇到風雨,這些現實的因素對修復工作的質量影響比較大。我們在廠房的地上設置許多支撐,將橋多支點支撐以後,維護效果會更好。包括節點、杆件,任何地方都可以隨意打開。所以這兩座橋在岸上維護,相對來講更換得比較徹底。”

尤其值得一提且慶幸的是,這兩座百年老橋的原始檔案資料保存完整,雖然歷經百年,設計圖紙依然完好,乾淨整潔,沒有一點劃痕皺褶。圖紙雖是手工繪製,紙質也已經發黃,但工整清晰,每一個數據、每一個符號都清清楚楚,設計、審核、校對、繪圖人員的姓名一目瞭然。這也為日後的維護工作提供了重要依據,為市政設計施工的決策提供了有力的參考。“國內有些文物橋樑的檔案工作做得不好,給維護帶來了相當的難度。只能看到外表面,內部結構是什麼樣子,就不清楚了。所以需要一邊維護,一邊打開,一邊像考古一樣研究,隨時改變維護方案。而浙江路橋和外白渡橋的各種檔案很全,包括原來的英文設計圖紙,後面歷次維修的資料。我們在此基礎上,才能進行後面的大修。”

升級技術內核 健康100年

外白渡橋和浙江路橋,分別於2008年和2015年進行上岸大修。如今,這兩座百年老橋,都已重新復位於蘇州河之上,延續著它們的滬上傳奇。這兩座“姐妹橋”,儘管外貌變化不大,但其內部結構,早已煥然一新。

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外白渡橋

按照“修舊如舊”的原則,這兩座橋的一些主要特徵基本保留,其他相對次要的構件,根據功能的需要,做了一些合理的改變。“比如浙江路橋,原來橋面的佈置隨著時代的變化,可能有些不合理了,所以我們把兩片主桁間距拉大了。拉大之後,包括橋面的體系、拼接都會改變,索性就都更換掉。兩片主桁架,是這座橋最典型的特徵,從文物保護的角度出發,能保留儘量保留。當然,是在剩餘壽命評估的前提下,如果評估後,這些構件不適合再使用幾十年的話,我們還要更換。就是要在文物保護和橋樑功能這兩方面,取一個平衡點。同時,我們的維護方案,也需文物部門的認可。從橋樑結構的角度,如果能把所有的部件都換掉,受力肯定會更好,但實際有很多沒必要。比如有些地方確實生鏽了,有些地方還沒生鏽,經過重新打磨、重新塗裝,承載能力也完全沒問題。”陳亮告訴記者。

外白渡橋建成後近40年未曾大修。1945年發現橋臺下沉傾側,鋼樑支點漸被拉出,有坍落危險。以後60年間,斷斷續續進行局部維修10餘次。2008年的大修,主要針對老化與受損的端梁、桁架、橋面盆板等構件,更換鉚釘5萬多個,將原橋墩木樁基改為混凝土樁基。人行道按原設計恢復木地板。另外為橋身增添景觀照明,主色調為暖黃色,南北兩跨燈光通透。每逢節日,燈光可變為藍、銀白、紫等色,絢麗多姿。

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外白渡橋

浙江路橋也面臨同樣的問題。隨著使用年代越來越長,橋樑鋼結構承載力漸漸減弱,腐蝕和疲勞程度愈加明顯,亟需一場徹底的“大手術”。此次大修恢復了原始設計圖上的橋頭門框式樣,修繕後的浙江路橋,重量減少了200噸左右,橋身更加輕盈牢固。

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浙江路橋移橋進入廠房

除了橋樑結構的維修升級,這兩座老橋在今後的管養方面,也採用了最新的技術手段。施工過程中,使用先進的三維掃描技術將橋樑尺寸精確定位,甚至精確到每個鉚釘的具體位置、間隔位置等。施工圖紙通過與其比對,會及時調整橋樑杆件的加工尺寸、精度,保證順利組拼。以前,橋樑的一些關鍵信息,包括零件和維修數據比較零散,有的材料、生產廠商、杆件重量等信息已經不全。這次運用BIM技術,將各種數據一一補齊,並建立起數據庫,也可方便今後的維修。“這個模型裡面的信息很多,哪些構件是100年以前的,哪些是50年換過的,哪些是準備換的,包括使用的材料,是一個比較全面的信息系統。這些信息的輸入,比一般的圖紙會更豐富,也便於以後的保養。我們也做了三維掃描,可以從各個角度,查看這座橋樑的資料。這也是一份文物資料的保存,方便以後從各個角度去看這座橋是怎麼變化的。”

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浙江路橋大修中

材料方面,根據兩座橋的特點,仍舊採用鋼結構,但其鋼材的質量與水平,遠比100多年前的要提高許多。這樣一來,既保持了文物的原貌,又從根本上延長了使用壽命。工藝方面,鋼結構的連接處依舊採用100多年前鉚釘連接的方式,而不是現在常用的螺栓,但鉚釘的質量和施工工藝,完全採用了現代的技術,整個橋樑的品質得到大幅提升。

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浙江路橋整體移橋上岸

陳亮表示,大修過後,這兩座百年老橋都已重新煥發生機,至少還能再使用50年。“包括構件的健康評估方面,不是生了鏽就不能用了,要經過評估,考慮今後鏽蝕怎樣發展,包括環境、荷載因素,鏽蝕的發展速度等。另外,鏽蝕後結構的承載能力可能會下降,交通荷載也可能會變化。在經過這幾個方面的綜合考慮後,據此評估它的使用年限。我們對外的文件是50年,實際上我們內部控制是按照100年。也就是說,這個橋經過我們維護之後,再用100年是沒有問題的。當然,正常的管養也是必須的。”

“巨無霸”開創性的“手術”

與兩座文物橋有所不同,松浦大橋位於松江區東南部,原來是一座雙層公鐵兩用鉚接鋼桁梁橋,上層公路,下層鐵路。曾經改寫黃浦江無橋歷史的松浦大橋,自1976年建成通車至今,已進入“不惑”之年。此番改造,又將刷新兩項紀錄:全長近1.9公里的松浦大橋,是目前黃浦江上改造規模最大的越江大橋;改造完成後,將成為黃浦江上第一座“慢行橋”。

這座堪稱“巨無霸”的大橋,如何“永葆青春”?

由於松浦大橋的早期橋樑通航淨空標準已不符合現行要求,所以全長419.6米的主橋段,將整體頂升20釐米。按照設計要求,下層引橋段要從鐵路運輸改造為慢行通道,原來的引橋需要先頂升、橋墩縮短,再進行降坡處理,滿足人和自行車的通行需求。

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松浦大橋改造後效果圖(下層)

頂升技術在城市建設中並不少見。雖然松浦大橋頂升高度僅20釐米,但是由於建築形式不同,難點也不盡相同。松浦大橋橋下是江水,橋高20多米,主橋段頂升很難找到支撐點。項目工程師進行了多次頭腦風暴,創新性地將長距離同步液壓頂升技術,應用在如此規模的橋樑當中,形成了大跨徑雙層鋼桁架橋樑整體頂升施工技術。這項技術也開創了大跨徑雙層鋼桁架橋樑頂升的先河。

目前,黃浦江上的越江大橋全部採用機動車通行的方式。松浦大橋改造後,這座並非最宏偉、最華美的橋樑將充滿“個性”,成為黃浦江上第一座可以讓人和自行車直接渡江的越江大橋。松浦大橋的下層橋以保護為主,上層橋則考慮到通行需求,將原有的雙向兩車道大幅拓寬,改為雙向六車道。隨著金山區和上海其他區域的溝通日益密切,雙向六車道將有效緩解“車亭公路”的交通壓力,整體增加G320國道的通行能力。

但是,難題也隨之而來。陳亮告訴記者:“松浦大橋的交通需求很大,它是出上海市區的一個重要通道。公路原來只有兩個車道,非常擁堵,經過我們研究,認為有拓寬為6個車道的可能。因為下面的火車道停止運行後減去了火車的重量,上面車道數可增加。此方案經過反覆評估,包括對荷載進行了統計,橋樑本身的結構重量會比原來增加70%,加上車的重量,整體會比原來的橋樑重30%。這樣一來,不僅沒減重,反而還加重了,這是一個比較大的挑戰。”

松浦大橋採用新型組合橋面技術,經過技術攻關,將進一步提高橋面的受力和經濟性能。“我們採用這個組合橋面技術以後,可以更好地發揮不同材料各自的長處。混凝土採用超高性能的UHPC,耐久性和力學性能更好,可以讓橋面的耐久性、使用壽命大大提高。”

儘管松浦大橋相對年輕,工程師們還是拿出修復百年橋樑的看家本領。松浦大橋主桁架有部分損傷變形,但因結構特殊,修復只能在原位無外部支撐的工況下進行。工程師們利用外白渡橋搶修時的技術經驗,對部分損傷杆件採用了熱矯法矯正,其他大部分損傷杆件則採用冷矯法矯正。

大橋的零部件沒有全部更換,而是借鑑浙江路橋和外白渡橋的修復手法,合理使用新老構件連接形式,重拾並改進已近失傳的鉚接工藝。根據構件部位的不同,分別採取針對性的噴砂除鏽及防腐塗裝方案。

“這一次的動作比較大,包括上升的橋面、主桁加固及下層的橋面都要動,不僅是大修。外白渡橋和浙江路橋,是以大修為主,松浦大橋屬於改造工程,以前那個是‘小手術’,而這次是‘大手術’。‘大手術’要求我們對老橋資料掌握得相當熟悉,一些新老構件的匹配也很重要。與造一座新橋不一樣,新橋都是新構件,按照理論去做就可以了。而這個改造需要大量的構件,新構件要和老構件匹配,包括螺栓孔、鉚釘孔,都要新老匹配。在幾何精度,包括對測量的要求等方面,也有很大不同。按照理論圖紙上標註的尺寸做行不通,反而和老橋對不上,這也是一個難點。”

儘管改造規模大,但是松浦大橋全程“不停業”。按照施工計劃,松浦大橋要先拆除下層鐵路設施,再進行加固和改造主橋。下層橋樑全線貫通,開放下層非機動車道以後,再封閉上層交通,進行主橋上層以及引橋上層拓寬施工。整個改造工程將持續兩年時間。

松浦大橋改造工程由上海市政總院採用EPC(設計施工一體化)總承包模式實施,這項工程管理模式可將原有工期壓縮3至5個月,又被稱作“交鑰匙工程”。目前,EPC總承包模式已經成為上海橋樑維護改造工程的主要管理方式。

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松浦大橋改造後效果圖(側視)

“改造後的松浦大橋將再使用50年。”上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司總裁助理、副總工程師顏海介紹說,“如今,我們可以通過信息化管理,全程監控橋樑狀態,及時發現並解決問題。”松浦大橋正進行傳統養護方式與健康監測系統聯合設計,制定專門養護手冊,提高電子化程度。此前,在南浦大橋、楊浦大橋的維護中,工程師開發了基於BIM(建築信息模型)技術的橋樑運維管理系統,便於這些里程碑式重大工程的後期健康監測、管養。

適時大修 延年益壽

如果說松浦大橋是“大改造”,那麼楊浦大橋就算是“小維護”。作為上海市區第二座跨越黃浦江的特大型斜拉橋,於1993年建成通車後,楊浦大橋運營至今已有26年。多年運營下來,很多橋樑病害不可避免。為確保大橋在全壽命使用過程中的安全運營,2017年8月1日,楊浦大橋大修工程開工。

楊浦大橋大修主要是進行橋面鋪裝翻新,對多年來的橋面病害進行整治,進一步提高行車的舒適性和安全性。工程範圍包括主橋、浦東引橋、浦西引橋以及所有匝道,主線全長4.838公里,匝道全長2.848公里。整個工程已經完成。

近幾年來,上海市已經陸續完成了浙江路橋、東海大橋、徐浦大橋、南浦大橋W3匝道、外白渡橋搶險等多箇舊橋維護改造EPC工程項目。“大橋都有使用壽命,在中國,一般性正常維護條件下,橋樑的壽命為100年。”顏海介紹說,有效的維護改造則能讓橋樑“延年益壽”。

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浙江路橋大修後夜景

目前,我國有許多橋樑都已邁入了高齡。這些橋樑經過了百年或者幾十年運營,無論是需要局部維修還是徹底改造,如何在保持舊橋特色、保留城市記憶的前提下,以低影響、可持續的方式,提升橋樑的功能、品質和使用壽命,讓老橋重煥青春,繼續服役50年甚至上百年?未來,我們還有很多事情要做。

本文刊載 /《橋樑》雜誌 2019年 第5期 總第91期

本刊記者 / 陳晨


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