基于安全控制的通航河流雙曲拱橋拆除方案分析

宋學文 ，董 云 ，蔣 洋

（1.宿遷市交通運輸局，江蘇宿遷 223008；2.淮陰工學院，江蘇淮安 223001）

0 引言

拱橋充分發(fā)揮了材料的抗壓性能，是一種經濟性較高的橋型，雙曲拱橋的主拱圈由拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系構件組成，外形在縱橫兩個方向均呈弧形曲線的橋。由于雙曲拱不僅在一個方向上呈拱形，而且在與其垂直的另一方向也呈拱形。當它受力時，力沿著兩個拱的方向更均勻地傳遞；某一局部受力過大時，雙曲拱能迅速自行調整平衡，使整個雙拱曲不會因局部受力過大而損壞。因此，雙曲拱橋能夠承受比單向拱更大的荷載。另外，雙曲拱橋施工中將主拱圈以“化整為零”的方法按先后順序進行施工，再以“集零為整”的方式組合成承重的整體結構，充分發(fā)揮了預制裝配的優(yōu)點，可以不要拱架施工，節(jié)省材料，加快施工進度，而所耗用的工料又不多。因此，雙曲拱橋在公路和城市橋梁中一度得到廣泛使用。

但隨著時間的推移，以前修建的大部分雙曲拱橋已無法滿足現(xiàn)代交通安全通行的要求，具體體現(xiàn)在：

（1）由于長期使用過程中產生的不均勻沉降、橋臺的縱向位移等，多數(shù)雙曲拱橋的部分結構已經出現(xiàn)了不同程度的破損，使拱軸線發(fā)生偏移，導致雙曲拱橋受力狀況的改變，結構的承載能力大幅下降；

（2）橋型將主拱圈以“化整為零”的方法按先后順序進行施工，再以“集零為整”的方式組合成承重的整體結構，主拱圈分期形成，呈現(xiàn)組合結構的受力特征，整體性較弱，在地震荷載作用下容易發(fā)生破壞；

（3）隨著時代的發(fā)展，目前公路設計荷載及運營車輛的荷載，已遠遠超過了當時雙曲拱橋的設計承載能力；

（4）隨著航道等級的提升，原先修建的雙曲拱橋無法滿足通航凈空的要求；

（5）因修建時雙曲拱橋寬度較小，加之長期使用造成橋面、橋梁附屬設施的破損，因此，目前在役的雙曲拱橋大多已成為交通的“瓶頸”，且存在較大的安全隱患。

綜上所述，早期修建的多數(shù)雙曲拱橋已不能滿足目前交通安全通行的要求，迫切需要拆除重建。而在雙曲拱橋拆除工程中，為了防止拆除過程中因結構體系改變等造成安全事故，必須根據(jù)具體的橋梁狀況、施工條件、施工環(huán)境選用經濟合理安全的拆除施工方案[1-5]。本文針對京杭運河上大型雙曲拱橋拆除的安全問題，從雙曲拱橋的受力分析及施工控制入手，對比分析了雙曲拱橋不同拆除方案的優(yōu)缺點及適用性，以期為通航河流上大型橋梁拆除的安全施工提供技術參考。

1 雙曲拱橋受力特性分析及拆除控制指標

1.1 拱橋受力特性分析

要對雙曲拱橋進行安全拆除，必須先認識其受力特點。對雙曲拱橋而言，拱圈無數(shù)個截面形心的連線形成拱軸線，形心軸與壓力線對結構受力產生顯著的影響，主要表現(xiàn)為：在偏心受壓時，形心的位置決定了偏心距、偏心彎矩的大小，從而決定著截面內力的大小。因此，在拱橋設計及施工中，均追求拱軸線與壓力線的重合，以減小主拱截面的彎矩和應力。

但在拱橋施工過程中，由于受到恒載、活載、溫度荷載以及徐變等影響，拱軸線總是處在不斷的變化狀態(tài)。在裸拱拱腳上構筑拱上建筑時，恒載的作用會使拱頂上翹；在修筑拱頂區(qū)段時，拱頂區(qū)域會變得平緩，而L/4跨徑區(qū)段處變陡，即拱軸系數(shù)逐漸變大。另外，在恒載作用下，混凝土的徐變也會使得拱頂區(qū)域邊平，致使拱軸系數(shù)變大。而在拆除施工中，如按施工逆序拆除拱橋時，拱上建筑的逐步拆除，拱軸系數(shù)隨之逐漸減小，其表觀現(xiàn)象就是拱頂處和L/4跨慢慢上升，實橋的拱軸系數(shù)同樣會處在不斷的變化中，施工不當時，容易造成拱軸系數(shù)大于設計值。

雙曲拱橋一般都為對稱結構，根據(jù)振動與穩(wěn)定理論對拱橋分析，可以得出拱橋主導面內失穩(wěn)的前三階模態(tài)形式[6]，見圖1。

圖1 拱橋失穩(wěn)模態(tài)

從以往的荷載試驗實測數(shù)據(jù)結果可以看出，在拱腳做負彎矩工況的時候，另一拱腳附近1/4跨往上“突起”，出現(xiàn)“此漲彼落”的現(xiàn)象；在加載跨中截面最大正彎矩工況時，拱頂區(qū)域下降，而兩側四分點區(qū)域上浮。這樣就給我們一個啟示：要防止發(fā)生第一階失穩(wěn)型態(tài)，就要保證施工中主拱橋對稱加卸載；要防止第二階失穩(wěn)破壞，就要拱腳區(qū)域配重施壓，讓拱頂區(qū)域不往下沉，控制拱頂?shù)南聯(lián)?；相反，在拱腳區(qū)域重量過重則又容易發(fā)生第三階失穩(wěn)，使得拱頂“上冒”而失穩(wěn)。第一階失穩(wěn)模態(tài)是反對稱型式，第二階、第三階失穩(wěn)模態(tài)是軸對稱形態(tài)。模態(tài)階次越低則在實際工程中是最容易發(fā)生的失穩(wěn)形式，也是在施工過程中最應采取防范措施的地方。

1.2 雙曲拱橋拆除施工中的控制指標

掌握上述拱橋受力特征，是保證拱橋安全拆除的前提，要在雙曲拱橋拆除過程中要留有足夠的安全系數(shù)，保證材料和結構的安全，必須時刻注意拱軸系數(shù)的變化；在拆除過程中，還需根據(jù)實際橋梁病害的狀況，建模計算，并在施工過程中實時進行變形、應力和穩(wěn)定監(jiān)測。

（1）變形控制

橋梁結構尺寸的幾何控制是施工控制的基本要求，但結構在施工形成過程中均要產生變形，加之施工中各種誤差的積累，因此任何一個結構不可能達到與設計尺寸準確無誤的吻合，故盡量減少結構尺寸與設計尺寸的偏差，并將其降到允許的程度。在橋梁拆除過程中，對各個施工階段的幾何控制即變形控制，其根本目的是為了保證橋梁結構的安全。

根據(jù)拱橋的計算模型，準確計算橋梁變形與應力之間的關系，通過控制變形間接控制應力不超出容許值。變形控制主要包括拱肋豎向變位、拱肋水平變位、墩頂水平位移等。

（2）應力控制

應力控制存在隱性的過程，即應力的大小與應力變化并不同步顯示，特別是當應力相對較小而變化幅度較大時，無法通過外觀檢查發(fā)現(xiàn)，但過大的應力增幅將導致結構的應力的快速增長，可能導致結構的失穩(wěn)甚至破壞。因此，在橋梁施工中，尤其要注意對結構應力的監(jiān)控。

對于雙曲拱橋拆除施工而言，主要是控制拱肋的截面應力，通過在拱肋的控制截面布置應力測點，監(jiān)測施工過程中這些截面的應力變化及應力分布情況，并及時進行實測值與理論計算值的比較，一旦監(jiān)測發(fā)現(xiàn)異常情況，就立即查找原因并及時處理，確保拱肋截面滿足強度要求。此外，在拱橋拆除過程中還應對橋墩的水平應力進行監(jiān)測。

（3）拆除穩(wěn)定性控制

穩(wěn)定是結構所處的一種狀態(tài)，失穩(wěn)的真正含義是幾何突變，即在任意微小的外力干擾下物體或結構的幾何形狀發(fā)生極大的改變。根據(jù)雙曲拱橋“集零為整”的結構特征，雙曲拱橋的失穩(wěn)破壞往往具有和脆性斷裂相似的特性，即拱橋的失穩(wěn)破壞往往是由于單個構件的失穩(wěn)造成的快速連鎖反應，這種失穩(wěn)一般會突然發(fā)生，沒有明顯的征兆。相對于塑性失穩(wěn)破壞，這種突然的破壞常會造成大量的人員傷亡和巨大的經濟損失。因此，在拱橋拆除施工中需加強結構穩(wěn)定性的監(jiān)測。

結構穩(wěn)定性的監(jiān)測并沒有直接的指標，一般也是通過變形和應力監(jiān)測控制，即通過計算，設定結構失穩(wěn)的預警值，實際監(jiān)測值一旦應力和變形超過預警值，需要立即查明原因，采取適當?shù)拇胧员ＷC結構安全。

（4）控制指標

控制指標是對變形、應力等監(jiān)測指標進行量化，提出明確的應力、變形控制值和預警值，在實際拆除工程中，用來控制施工的進展。這也是控制的難點之一，雖然目前的計算模型及計算方法相對成熟，但對于不同的橋梁結構，由于其建設的年代不同、使用環(huán)境不同、破損情況不同等，在計算中很難確定模型材料的計算參數(shù)，如強度、彈性模量以及結構約束條件等，所以，給出適當?shù)目刂浦笜耸鞘┕ぐ踩刂频年P鍵問題之一。

2 雙曲拱橋拆除方案的分類與對比分析

常見的拱橋施工方法有拱架施工法、轉體施工法以及整體浮運施工法等，相對雙曲拱拱橋，由于其結構組成特點，多采用拱架施工法，雙曲拱橋拆除可采用與之相對的施工方法，即按照拱架施工相反的順序逐步卸載拆除，也稱倒拆法，整體切割后轉體或浮運拆除的整體拆除法。當然，如果條件允許，可不考慮施工順序、不考慮結構變形及應力，采用整體拆除的方法，現(xiàn)對比分析如下：

2.1 倒拆法

倒拆法是橋梁結構拆除的重要思想，就是按照與建造施工相反的順序逐步卸載拆除。對于雙曲拱橋，由于施工工序較多、材料特性各異等因素，受力比較復雜。因此，要安全拆除雙曲拱橋，必須掌握雙曲拱橋建造的施工順序，按照“先建后拆、后建先拆”的基本順序逐步拆除，依次逆序按照：基礎修建→拱肋吊裝→拱波安裝→拱板澆筑→拱上立柱（或橫墻）→腹拱修筑→填料構筑→橋面及人行道、欄桿等附屬設施的拆除順序。在實際拆除過程中，部分施工工序可以適當?shù)膬?yōu)化、合并，如在主拱圈的拆除時，因為主拱截面已經形成了一個整體，難以按照先拱板再拱波后拱肋的順序來拆除，可以一次性拆除拱圈。

根據(jù)雙曲拱橋的現(xiàn)場實際情況，倒拆法常采用如下幾種拆除施工方案：

（1）支架逐塊拆除法

支架逐塊拆除法就是在拱橋下方搭設支架，然后按照倒拆法逐步拆除。根據(jù)搭設支架的方案又分為滿堂支架和少支架拆除法。滿堂支架法由于占用支架較多，搭設、拆除支架時間長而導致拆除周期長，不適用于通航河道等原因實際應用較少。少支架法是在結構主要部位搭設支架，以增加拆除安全性，配合其他拆除方法，達到安全拆除的目的，采用相對較多。

搭設支架逐塊拆除的最大的優(yōu)點是拆除施工相對安全，同時拆除碎渣可以通過在支架上鋪設鋼板，用挖掘機和人工配合清理運走，減小拆除施工的環(huán)境污染與對河道的影響。支架拆除法的缺點主要是橋下工作面較小，橋下凈空受限制，因此，水中設滿堂支架施工難度大，尤其是支架基礎施工相對困難。另外，支架占用航道時間長，通航管制要求較高，對通航安全影響較大。

（2）棧橋龍門吊法。

棧橋龍門吊法就是在雙曲拱橋兩側設置高棧橋，在其上安裝跨墩龍門架進行逐跨拆除。京杭運河泗陽大橋就是采用棧橋龍門吊法[7]，見圖2。

圖2 棧橋龍門吊拆除施工

通過架設跨墩龍門架，按照倒拆法的拆除順序，逐步進行卸載拆除。棧橋龍門吊法拆除的優(yōu)點是拆除速度快，可分節(jié)段進行整體拆除，結構安全性高，且拆除期間可維持通航，尤其適用于通航河流。但棧橋龍門吊需額外進行龍門架的搭設，費用較高，且施工完全是高空作業(yè)，施工作業(yè)安全性相對較差。

（3）纜索吊裝斜拉扣掛拆除法

纜索吊裝斜拉扣掛拆除法的核心是把斜拉橋施工方法運用到拱橋上，以塔架為中心，扣索一端承受拱肋的重量，另一端則錨固在錨定上，隨著拱肋的節(jié)段吊裝，調整扣索索力以之平衡，形成典型的斜拉橋受力模式，見圖3。

圖3 纜索吊裝斜拉扣掛拆除法示意

無支架纜索吊裝斜拉扣掛拆除方法有以下三點突出的優(yōu)勢：

（1）在無支架纜索吊裝斜拉扣掛拆除方法中，一般采用高強度底松弛的鋼絞線為扣索，張拉施工工藝成熟、可靠，操作靈活，有較好的安全性。

（2）與其它拱橋拆除方法相比，無支架纜索吊裝斜拉扣掛拆除方法能保證橋梁結構安全，拆除施工便捷，環(huán)境污染少。施工中使用的各種索、索具、塔架的萬能桿件都可以循環(huán)使用，經濟性較好。對大跨度橋梁，雖然有施工工序較多，但這種方法在特定環(huán)境下，如深山溝壑等環(huán)境，仍具有某些無可替代的優(yōu)勢。

（3）施工過程中，先拆除的節(jié)段會受后拆除的節(jié)段產生影響，尤其是對后拆除的第一、二節(jié)段有顯著的影響，可以通過調整扣索索力使橋跨內力分布更合理及主拱線形更加理想。

誠然，無支架纜索吊裝斜拉扣掛拆除法的拆除過程較為復雜，工序多，需要多次對扣索進行索力調整。拆除施工速度相對較慢，拆除工期較長，施工中，也需要對扣索索力進行實時的計算與調整，施工難度相對也比較大，因此，無支架纜索吊裝斜拉扣掛拆除法多用于山區(qū)拱橋拆除。

2.2 整體拆除法

因倒拆法拆除過程中需要考慮橋梁結構自身的穩(wěn)定性，而受橋梁破損狀況的影響，建模計算過程中很難給出準確的預警值，因此，施工中的安全控制變得尤為困難，為規(guī)避上述風險，橋梁拆除過程中經常采用另一種拆除方法，即整體拆除法。整體拆除是指在拆除過程中通過切割、爆破等方法將橋梁上部結構一次性整體拆除。具體包括控制爆破拆除、浮運拆除或轉體拆除等。

（1）控制爆破法拆除法

采用控制爆破方案和機械、人工相結合的方法對橋梁進行拆除，該方法是通過在墩柱、拱肋、系梁等部位鉆孔裝藥，采用微差爆破技術方法，將大橋爆破，并使碎混凝土塊散落在一定范圍內，再清理爆破垃圾的拆除方法，控制爆破拆除法適用于在周圍一定范圍內無建筑物和人員活動的橋梁拆除。

控制爆破拆除的優(yōu)點是拆除速度快，對橋梁結構破損情況的要求較小，不需在拆除過程中考慮橋梁結構的穩(wěn)定性問題。爆破拆除的缺點是爆破產生的飛石、震動等副作用對周圍環(huán)境造成一定的影響，并有可能危及臨近建筑及人員的安全。同時，對于通航河道，因水中的碎渣清理困難，航道清理時間較長，相對封航時間也較長。

（2）浮運支架整體拆除法

浮運支架整體拆除法是采用多條鋼質駁船或浮箱設備，組成整體，在浮運設備上搭設支架，用拖輪將浮運設備拖到主跨橋位下，在主跨兩端切斷，通過渡船將切斷的梁體運到岸邊，再在浮運設備上分塊切割，由浮吊吊上堤岸，用鑿巖機破碎清理。

船舶浮運拆除法的優(yōu)點是對航道船只通航影響小，斷航時間短，航道管制方便，浮運設備靠岸搭設支架，施工難度小，無需水上作業(yè)，同時，橋梁拆除速度快。其主要缺點為：浮運設備拖運時受氣候影響較大，對船只和支架的整體性、穩(wěn)定性要求高；另外，對河道通航能力要求比較高。

（3）轉體拆除

橋梁結構的轉體拆除是基于轉體施工衍生的結構拆除方案，一般是根據(jù)施工時的水平轉體或垂直轉體方案，采用纜索牽引機構，在切除相關約束后進行整體的水平或垂直轉體，然后在岸邊或谷底進行分段拆除的拆除施工方案。轉體拆除需要相應的轉體機構及維持橋梁結構穩(wěn)定性的纜索牽引機構（如圖3所示），且因拆除過程中結構體系變化，橋梁結構的破損情況會對結構的穩(wěn)定性造成一定的影響，因此，轉體拆除方案多用于原來采用轉體施工建設的橋梁或深山溝谷中的橋梁拆除。該方案的最大優(yōu)點在于可將拆除作業(yè)變?yōu)殛懙刈鳂I(yè)，減小施工中高空作業(yè)的危險性。

3 基于施工安全控制的通航河流雙曲拱橋拆除方案

通航河道上拆除橋梁，既要考慮拆除施工過程中的橋梁結構的安全性、施工作業(yè)的安全性，同時，必須考慮橋梁拆除對航道的影響，盡量縮短航道占用時間。對于通航河道上雙曲拱橋的拆除，不同的拆除方案都要具有可實施性，甚至具有相對較高的經濟性，但考慮其“集零為整”的結構特征以及通航的安全性，有必要對各種拆除方案進行比選，選擇最安全的拆除方案。

（1）拆除過程中的結構自身穩(wěn)定性分析

在雙曲拱橋拆除過程中，因局部的拆除造成大量橋梁自身結構體系的改變，使得在成橋狀態(tài)受壓（拉）的構件變?yōu)槭芾▔海嫾芰顩r的改變可能對結構的穩(wěn)定性造成較大的影響。同時，鑒于拆除橋梁不同的破損狀況，在拆除過程的數(shù)值模擬中很難給出相應結構材料準確的物理力學參數(shù)，使得拆除過程中的應力與變形監(jiān)測缺乏準確的理論對照值，給出的預警值過大，可能影響拆除過程中結構自身的穩(wěn)定性，給出的預警值過小，拆除過程中可能出現(xiàn)多次預警，需要停工查明原因后再行施工，影響著施工進度。

為規(guī)避雙曲拱橋拆除過程中結構自身穩(wěn)定性對施工安全的影響，首先整體拆除法。在整體拆除法中，轉體拆除結構需自穩(wěn)的時間最長，且沒有相應的支撐結構，因此，拆除過程中結構的自身穩(wěn)定性最差；相比之下，浮運支架整體拆除時，在切割、橋梁結構體系轉變之前，已搭設浮運支架作為支撐，因此，其拆除期間的安全性相對較好。而采用控制爆破整體拆除時，基本不需要考慮拆除過程中橋梁結構的自身穩(wěn)定性。

如不具備整體拆除條件而必須采用倒拆法拆除時，支架拆除顯然對結構自身穩(wěn)定性的要求最低，纜索吊裝斜拉扣掛拆除法次之，而棧橋龍門吊法對結構自身穩(wěn)定性的要求最高。

（2）基于通航的雙曲拱橋拆除方案分析

如單純考慮通航的影響，則支架拆除、爆破拆除因占用航道時間太長可首先排除；其次，轉體拆除、纜索扣掛拆除及棧橋龍門吊拆除均需在航道上進行較長時間的施工作業(yè)，可能給航道通航造成較大的隱患。相比之下，浮運整體拆除是通航河道橋梁結構拆除的最穩(wěn)妥的方案。

（3）基于拆除施工安全的拆除方案分析

從雙曲拱橋拆除施工安全考慮，各種拆除方案均涉及高空作業(yè)、水上作業(yè)，方案的優(yōu)選可從作業(yè)時間的長短以及其他安全因素著手。

從作業(yè)時間看，倒拆法拆除作業(yè)時間顯然最長，造成施工安全事故的可能性最大，而整體拆除高空作業(yè)和水上作業(yè)的時間相對短很多，施工安全性較高。

從其他安全影響因素看，整體拆除施工方案中，爆破拆除涉及爆破作業(yè)、轉體施工及纜索扣掛施工涉及纜索、高塔施工等危險源，其施工安全性也相應降低。

綜上所述，綜合考慮航道安全通航、拆除過程中的橋梁結構自身的穩(wěn)定性以及拆除施工的安全控制，在通航河道上拆除雙曲拱橋可優(yōu)先選擇浮運支架法整體拆除，但拆除過程中也同樣需要控制切割或鑿除過程中結構自身的穩(wěn)定性，需要做好拆除斷航期間航運的安全管理；如通航需求較低，且周邊環(huán)境較開闊，也可采用爆破拆除，但爆破后需快速清理航道，以減少航道占用時間，保證通航需求；如果通航要求較高，同時通航孔跨徑較大，浮運支架拆除困難時，則可以采用綜合采用少支架、纜索扣掛、棧橋龍門等方案，在保證橋梁結構自身穩(wěn)定的同時，采用分段浮運拆除的施工方案。

4 結語

本文從雙曲拱橋的受力特性出發(fā)，從雙曲拱橋拆除過程中結構自身的穩(wěn)定性、航道安全通航以及拆除施工安全作業(yè)角度出發(fā)，進行了雙曲拱橋倒拆法與整體拆除法各種拆除方案的比較分析，提出了通航河流上雙曲拱橋的拆除方案，可為類似工程的拆除方案優(yōu)化提供借鑒和參考。

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