空腹式石拱橋不對(duì)稱拆除施工優(yōu)化分析

胡旭東

（山西省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，山西 太原 030006）

石拱橋是用天然石料作為主要建筑材料的拱橋，以其跨越能力大、能就地取材、耐久性能好、維修養(yǎng)護(hù)成本低、構(gòu)造簡(jiǎn)單、造型美觀及與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)古代及近代橋梁建設(shè)中得到了大量應(yīng)用。舉世聞名的距今已有1400多年歷史的趙州橋、距今已有700多年歷史的盧溝橋和2001年建成的世界最大跨度的石拱橋——丹河特大橋（主跨146 m）都是其中的杰出代表之一。它們既是歷代橋工巨匠精湛技術(shù)的見(jiàn)證者，也是承載人類文明、體現(xiàn)我國(guó)悠久歷史和燦爛文化的重要組成部分。然而，由于空腹式石拱橋本身受力狀態(tài)復(fù)雜、材料抗拉性能差等特點(diǎn)，使得該類橋梁的建設(shè)和舊橋維修加固成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，本文擬通過(guò)一座空腹式石拱橋不對(duì)稱拆除施工過(guò)程分析，對(duì)該類橋梁的拆除方法和工序?qū)蛄菏芰顟B(tài)的影響進(jìn)行詳細(xì)分析[1-2]。

1 工程概況

某橋?yàn)?-凈16 m空腹式石拱橋，橋梁全長(zhǎng)66 m，寬9 m，橋面鋪裝為5 cm瀝青混凝土，全橋每跨設(shè)4孔腹拱，腹拱凈跨徑為2 m，凈矢高為0.5 m，腹拱圈厚 30 cm，腹拱立墻寬60 cm；主拱圈厚80 cm，凈矢高為4 m，拱頂填料厚65 cm；下部結(jié)構(gòu)為石砌重力式橋墩、U型橋臺(tái)。主拱圈、腹拱圈為圓弧拱，主（腹）拱圈、立墻及墩身材料均為漿砌塊石。

由于該橋修建年代較早，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)較低，近年來(lái)隨著交通量、特別是重載車輛的不斷增多，病害較為嚴(yán)重。其中全橋橋面系欄桿及人行道損毀嚴(yán)重，橋面坑槽較深，第1號(hào)～6號(hào)腹拱圈及立墻開(kāi)裂較為嚴(yán)重，為了保證該橋的運(yùn)營(yíng)安全，擬將該橋橋面系、人行道、欄桿全部拆除，第1號(hào)～6號(hào)腹拱圈及立墻拆除新修，其他部分保留并進(jìn)行加固處理。

圖1 橋型布置圖

2 拱上建筑拆除方案

基于以上加固方案，本橋橋面系擬采用分層拆除，限于篇幅，本文僅對(duì)腹拱圈及立墻拆除過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，為了保證橋梁拆除過(guò)程中拱圈及立墻安全，初步擬定以下3種拆除方案[3-4]。

2.1 方案一

主要考慮到1號(hào)墩及墩頂立墻左右受力對(duì)稱平衡，擬按1號(hào)墩為中心進(jìn)行對(duì)稱拆除腹拱圈及拱上立墻，依次拆除4號(hào)、5號(hào)腹拱圈—3號(hào)、6號(hào)腹拱圈—2號(hào)腹拱圈—1號(hào)腹拱圈—第一跨主拱圈頂立墻—1號(hào)墩頂立墻。其中每孔腹拱圈采用橫橋向一次性拆除，立墻采用縱橋向?qū)ΨQ、豎向分層拆除。

2.2 方案二

主要考慮到第一跨主拱左右受力對(duì)稱平衡，擬橫橋向分3次拆除，依次拆除：2左3左（同時(shí)）—2右3右（同時(shí)）—1左4左（同時(shí)）—1右4右（同時(shí)）—2中3中（同時(shí)）—1中4中（同時(shí)）—6左6右（同時(shí)）—5左5右（同時(shí)）—5中6中（同時(shí)）。

2.3 方案三

同時(shí)考慮到第一跨主拱圈和拱上立墻受力的大致對(duì)稱均衡，擬橫橋向分3次拆除，依次拆除：2左3左6左（同時(shí)）—1左4左5左（同時(shí)）—2右3右6右（同時(shí)）—1右4右5右（同時(shí)）—4中5中（同時(shí)）—3中6中（同時(shí)）—1中2中（同時(shí)）。其中第二跨拆除腹拱拱圈砌石需沿橫橋向均勻擺放于所對(duì)應(yīng)腹孔主拱圈拱背上。

3 計(jì)算圖示及施工階段劃分

為了進(jìn)一步了解腹拱圈分步拆除過(guò)程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)，本次計(jì)算采用Midas空間桿系模型對(duì)腹拱圈分步拆除過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，材料計(jì)算參數(shù)按有關(guān)規(guī)范定義，結(jié)構(gòu)離散如圖2、圖3所示。主拱圈與腹拱圈均為圓弧拱，為了安全起見(jiàn)，本次計(jì)算中橋面系及拱上填料僅考慮其荷載效應(yīng)，未考慮其抗力效應(yīng)。主拱圈為無(wú)鉸拱，腹拱圈為三鉸拱，主拱圈與墩臺(tái)采用固結(jié)支撐，腹拱圈與臺(tái)、主拱圈及立墻連結(jié)部分采用鉸結(jié)。

主拱圈每跨共分為20個(gè)單元，從左到右分別編號(hào)為1～60號(hào)單元；腹拱圈每孔共分為8個(gè)單元，其中方案一中：1～6號(hào)腹拱拱圈每孔橫橋向采用一個(gè)單元模擬，編號(hào)分別為61～108號(hào)（其中腹拱圈厚度取0.3 m，寬度取9 m）。方案二、三中：1～6號(hào)腹拱拱圈每孔橫橋向并列采用左、中、右3片小腹拱圈（其中腹拱圈厚度仍然取0.3 m，寬度取3 m）。每孔腹拱3片拱圈與立墻、主拱圈及橋臺(tái)處均采用鉸結(jié)，其中左邊1～6號(hào)腹拱圈單元編號(hào)分別為195～242號(hào)單元，中間1～6號(hào)腹拱圈單元編號(hào)分別為61～108號(hào)，右邊1～6號(hào)腹拱圈單元編號(hào)分別為243～290號(hào)；7～12號(hào)腹拱圈單元編號(hào)分別為109～156號(hào)；立墻及橋墩單元從左至右依次編號(hào)為157～194號(hào)單元。

圖2 方案一單元?jiǎng)澐謭D

圖3 方案二、三單元?jiǎng)澐謭D

4 拆除施工計(jì)算結(jié)果及分析

橋梁拆除過(guò)程中，不同的拆除順序?qū)蛄焊髦饕课坏募?xì)部結(jié)構(gòu)體系及內(nèi)力狀態(tài)有非常重要的影響，由于本橋拆除步驟較多、單元較密，限于篇幅，本文僅以圖形的方式顯示各方案最不利階段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。

圖4 各方案最不利階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)

由圖4可見(jiàn)，方案一中當(dāng)?shù)?號(hào)、5號(hào)腹拱圈拆除時(shí)，第二跨左側(cè)立墻根部為單側(cè)懸臂狀態(tài)，最大拉應(yīng)力0.18 MPa，約為漿砌規(guī)則砌塊砌體的彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值0.074 MPa的2.5倍；方案二中當(dāng)?shù)谝豢绺构叭ν耆鸪龝r(shí)，1號(hào)墩頂立墻根部的最大拉應(yīng)力為0.44 MPa，約砌體抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度的6倍；方案三中當(dāng)?shù)?號(hào)、5號(hào)腹拱中間1/3部分拆除時(shí)，第二跨左側(cè)立墻根部最大拉應(yīng)力為0.031 MPa。

上述3種拆除方案中均存在不同程度的拉應(yīng)力狀態(tài)，其中方案一拆除施工步驟簡(jiǎn)單、方便，效率高。主要考慮以1號(hào)墩對(duì)稱拆除，未考慮第一跨主拱圈的受力狀態(tài)，同時(shí)橫橋向一次性拆除時(shí)，立墻相鄰跨腹拱的水平推力較大，立墻根部受力不利。方案二主要考慮第一跨主拱圈結(jié)構(gòu)的受力對(duì)稱，但1號(hào)墩左右主拱圈及腹拱圈的不平衡推力未考慮。雖然橫橋向分3次分步拆除，當(dāng)?shù)谝豢绻吧辖ㄖ鸪耆螅?號(hào)墩頂立墻由于右側(cè)腹拱均未拆除、水平推力較大，加之立墻較高，立墻根部拉應(yīng)力達(dá)到砌體抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度的6倍左右，拆除過(guò)程中該部位將會(huì)嚴(yán)重開(kāi)裂，非常危險(xiǎn)。方案三同時(shí)考慮第一跨主拱圈及1號(hào)墩頂立墻左右受力對(duì)稱，對(duì)于第二跨拱上建筑的不對(duì)稱拆除，采用在第二跨近1號(hào)墩附近壓重的方式，盡可能地降低了結(jié)構(gòu)主拱圈、腹拱及立墻的應(yīng)力水平，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)相對(duì)均衡，拉應(yīng)力水平較低，明顯優(yōu)于其他兩種方案。

5 結(jié)論

a）石拱橋?qū)儆谯毓そY(jié)構(gòu)，材料整體性能較差，抗拉強(qiáng)度較低，施工中應(yīng)盡可能降低截面的應(yīng)力狀態(tài)，特別是拉應(yīng)力狀態(tài)，以充分發(fā)揮圬工材料抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)。

b）空腹式石拱橋結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，同一工序?qū)Y(jié)構(gòu)不同部位的內(nèi)力狀態(tài)影響較大，施工中應(yīng)盡可能對(duì)稱施工，不僅使主拱圈從整體上要盡可能對(duì)稱，同時(shí)也應(yīng)保持各腹拱及立墻（柱）部位的受力狀態(tài)盡可能對(duì)稱，以降低截面的偏心距和拉應(yīng)力。

c）空腹式石拱橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)，拆除施工需要較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程，計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)晝夜溫差變化的實(shí)際情況，適當(dāng)考慮溫度等可變荷載效應(yīng)的影響，以確保結(jié)構(gòu)在拆除過(guò)程中的安全。