不等跨混凝土連拱橋主拱圈支架拆除技術(shù)

趙振海，李禎，蔡東旭，常紹杰

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

0 引言

新光路瀉湖大橋地處連云新城人工湖區(qū)，0號橋臺座落在人工拋石島上，其他跨處于淤泥區(qū)，海相質(zhì)淤泥層平均厚度達(dá)12 m以上。整座橋梁在流塑態(tài)淤泥等軟土地基中施工，樁基及地基土極易受擾動，鋼筋混凝土拱圈建造過程中混凝土澆筑、模板支撐體系預(yù)壓與拆除等工序應(yīng)最大限度地減少對軟土地基中的樁基產(chǎn)生不利影響。本文主要研究不等跨混凝土連拱橋主拱圈支架拆除對拱橋的樁基和拱橋的受力影響，通過采用有限元分析先從跨中拆除和先從拱腳拆除支架對拱橋結(jié)構(gòu)的受力分析，總結(jié)分析支架拆除的順序?qū)皹蚪Y(jié)構(gòu)影響最小的工況，確定了不等跨連續(xù)拱橋的支架拆除方案，并在施工過程中取得較好效果。

1 工程概況

拱橋由于造型的美觀，已成為目前城市道路橋梁中常用的橋型。瀉湖大橋為14孔跨徑漸變的上承式鋼筋混凝土連拱結(jié)構(gòu)，跨徑布置為11+12+13+16+20+22+24+26+28+30+28+26+24+22=302 m，對應(yīng)的矢高分別為1.8 m、2 m、2.2 m、2.7 m、3.2 m、3.7 m、4.3 m、4.7 m、5.1 m、5.5 m、5.1 m、4.7 m、4.3 m、3.7 m，矢跨比約1/5.5~1/6，橋面寬度44 m，分左右幅橋，全橋布置如圖1所示。不等跨混凝土連拱橋在寬闊水面上狀如若長虹臥波，效果如圖2所示[1-2]。

圖1 瀉湖大橋全橋布置圖Fig.1 Layout of thewhole Xiehu Bridge

圖2 瀉湖大橋效果圖Fig.2 Effect drawing of the Xiehu Bridge

主拱圈拱軸線均采用圓弧線，為等厚度的板拱結(jié)構(gòu)，其中：1號、2號、3號、4號橋孔的板厚為50 cm，5號、6號、7號、13號、14號橋孔的板厚為60 cm，8號、9號、10號、11號、12號橋孔的板厚為70 cm，混凝土等級為C40。橋墩為墻式墩，1號~4號墩身寬19 m、厚1.5 m。5號~13號墩身寬19 m、厚2.0 m。橋墩承臺厚1.5 m，橋墩采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋臺為重力式橋臺，承臺厚2.5 m，18根直徑1.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋臺后設(shè)止推板，止推板下采用粉噴樁進(jìn)行軟基處理。

本工程位置地下水豐富，地下淤泥層平均厚度不小于12 m，為海相質(zhì)淤泥土，呈流塑狀態(tài)。本工程共有30個樁基承臺，每個承臺所處地質(zhì)條件均不同，0號橋墩在吹填區(qū)圍堰堤壩塊石堆填區(qū)，5號、6號、7號為拋填區(qū)，該區(qū)域已被回填塊石覆蓋，塊石回填深度大于10 m；9號、10號、11號、12號、13號、14號為淤泥區(qū)，淤泥層深度達(dá)12 m；1號、8號、4號為一半拋填另一半淤泥區(qū)，2號左幅、3號左幅東側(cè)有4根樁為拋石填筑，深度在2~8 m不等。

2 主拱圈支架拆除存在的問題分析

本工程主拱圈采用換填地基聯(lián)合支架法模板支撐體系，即在承臺墩柱施工完后，先進(jìn)行地基換填處理，澆筑15 cm厚C20混凝土墊層，然后搭設(shè)縱橫間距為0.6 m，步距為1.2 m滿堂支架[3]，各跨分別澆筑混凝土，整幅橋全部合龍后再拆除支架。但是，由于本連拱橋跨徑不等及地質(zhì)條件較差的影響，主拱圈支架拆除時會產(chǎn)生以下問題：

1）連拱橋跨徑不等，故在主拱圈支架拆除時將導(dǎo)致橋墩處產(chǎn)生不平衡力，其將影響到橋墩的安全。

2）連拱橋地質(zhì)條件較差，地下流塑狀淤泥層平均厚度在12 m以上，因此樁基在土中如同是長度12 m的自由柱，施工體系轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的水平推力可能對樁基產(chǎn)生較大影響。

3 主拱圈支架拆除順序有限元分析

3.1 參數(shù)選取

拱橋主拱圈支架拆除順序有兩種方式；一種是自跨中向拱腳拆除，另一種是自兩側(cè)拱腳向跨中拆除。為分析不等跨連拱橋拱圈支架拆除對拱圈和樁基的影響，用ANSYS軟件對兩種支架拆除順序進(jìn)行分析計算，將3 m寬度的板拱作用作為模擬對象，主拱、支架鋼管、墩柱、承臺、樁基均采用梁單元（Beam3）；考慮樁-土共同作用，按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中的“m法”計算土彈簧剛度，土彈簧用combin14單元。用荷載步和單元生死仿真支架拆除的不同順序和工況[4]。

混凝土的彈性模量、泊松比采用GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]推薦數(shù)值，單元的實參數(shù)如表1所示，各土層的m值取值如表2所示。因主拱圈上沒有其他荷載，僅考慮自重作用，C40混凝土密度2 600 kg/m3，C30混凝土密度2 500 kg/m3。橋臺對拱板的約束采用固定支座形式，樁底采用豎向固定支座。建立實體幾何模型如圖3所示。

表1 梁單元實參數(shù)選用表Table 1 Beam element parameter selection table

表2 “m法”取值表Table 2 m-value

圖3 拱橋幾何模型Fig.3 Arch bridge geometric model

3.2 單跨支架拆除順序分析

連拱橋拱圈支架拆除分析以單跨支架拆除為基礎(chǔ)，采用兩種支架拆除方式；一種是自跨中向拱腳拆除，另一種是自兩側(cè)拱腳向跨中拆除，以最大跨第10跨為例計算工況如下。

方案1：先拆跨中后拆拱腳

第1步：第10跨跨中1/2拆除，其他支架不拆。

第2步：在第1步的基礎(chǔ)上，第10跨拱腳支架拆除，即第10跨支架全部拆除完畢。

方案2：先拆拱腳后拆跨中

第1步：先拆第10跨拱腳1/4支架，其他支架不拆。

第2步：在第1步的基礎(chǔ)上，第10跨跨中1/2支架拆除，即第10跨支架全部拆除完畢。

3.3 計算結(jié)果分析

第10跨主拱圈支架兩種不同的拆除順序產(chǎn)生的樁基、拱圈的內(nèi)力及位移計算結(jié)果如表3所示。

由表3分析數(shù)據(jù)可知：

1）主拱圈支架兩種拆除順序，支架的受力相差不大，即支架是安全的。

2）方案1較方案2產(chǎn)生的主拱圈軸力大一個數(shù)量級，即先拆跨中，拱橋的拱圈的受力體系較早建立，更接近于成橋后拱的受力性狀，即自跨中向拱腳拆除對拱結(jié)構(gòu)本身是有利的。

表3 第10跨兩種拆除順序計算結(jié)果Table 3 Two demolition sequences results of the tenth span

3）方案1與方案2兩種拆除順序，對墩臺引起的內(nèi)力基本相等（表現(xiàn)為樁的水平推力幾乎相當(dāng)），但方案1樁頂?shù)乃轿灰戚^方案2大。即用土彈簧變形對結(jié)構(gòu)內(nèi)力釋放起了較大作用，易對地基產(chǎn)生擾動。

3.4 單跨支架拆除順序結(jié)論

由上述分析可以得出：

1）拱橋單跨的兩種拆除順序，都是可行的。

2）考慮到橋梁的上部荷載尚未加載，拱結(jié)構(gòu)本身是足夠安全的；而瀉湖大橋處在有淤泥廣泛分布的不良地質(zhì)條件下，所以，如何盡量減小對樁基的不平衡水平推力應(yīng)是問題的主要矛盾。綜合考慮，方案2優(yōu)于方案1，本工程采用自兩側(cè)拱腳向跨中拆除的方案。

4 拱橋支架整體拆除順序

根據(jù)以上分析，為使拱腳產(chǎn)生的不平衡水平推力不至太大，確定拱橋支架整體拆除順序：單幅橋梁按照“分步驟分階段、小跨先拆大跨后拆”；單跨按照“以橋墩為中心，自拱腳向跨中”的原則拆除拱圈支架。

總體上的支架拆除順序分為8步。

1）第1步：首先以墩帽為中心，兩側(cè)同時拆除頂托。第 1～4跨跨中保留 1/5，第 5、6、7、13、14跨中保留2/5，第8～12跨中保留1/2，形成如圖4所示。

圖4 Step 1拆除示意圖Fig.4 Sketch map for Step 1 demolition

2） 第2步：第1、2跨保留的部分頂托拆除，施工時兩跨同時進(jìn)行，同時拆除完成，其他跨保持不變。

3） 第3步：用同樣的方式將第3、4、5跨保留的部分頂托拆除，其他跨保持不變。

4） 第4步：第13、14跨保留的部分頂托同時拆除，拆除時依次從兩側(cè)向中間拆除。

5） 第5步：拆除6、7跨保留部分的頂托，拆除時同時依次從兩側(cè)向中間拆除。

6） 第6步：拆除8、12跨保留部分的頂托，拆除時同時依次從兩側(cè)向中間拆除。

7） 第7步：拆除9、11跨保留部分的頂托，拆除時同時依次從兩側(cè)向中間拆除。

8）第8步：第10跨保留的部分的頂托拆除，整幅橋支架拆除結(jié)束。

5 過程監(jiān)控

針對以上拱橋支架拆除方案，對施工過程進(jìn)行了監(jiān)測；分別對主拱圈的應(yīng)力、撓度、各墩臺基礎(chǔ)沉降和各墩臺水平變位進(jìn)行跟蹤監(jiān)測[6]。

1）左右幅各墩基礎(chǔ)沉降非常小，基礎(chǔ)沉降變形連續(xù)觀測7 d處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2） 左幅各墩身水平位移實測值在-2～1 mm之間，右幅各墩身水平位移實測值在-1～0.5 mm之間，各墩身所承受的水平推力是勻稱的、平衡的，下部結(jié)構(gòu)受力安全。

3） 左幅各跨主拱沉降2～43 mm，右幅各跨主拱沉降為5～45 mm，主拱圈沉降變形較小，各跨主拱沉降連續(xù)觀測7 d已處于穩(wěn)定狀態(tài)。左幅第10跨主拱L/2（10號墩側(cè)）沉降量曲線如圖5所示。

圖5 左幅10孔L/2處截面橫向各測點累計沉降曲線（10號墩側(cè)）Fig.5 Total settlement curve of each measuring point in horizontal section at L/2 on the left side of No.10 hole（on the side of No.10 pier）

4） 主拱圈應(yīng)力各控制截面實測最大壓應(yīng)力為-0.67 MPa，最大拉應(yīng)力為1.86 MPa，各控制截面應(yīng)力較小亦在規(guī)范范圍之內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)處于安全受力狀態(tài)。

5）經(jīng)過監(jiān)測，主拱圈底板出現(xiàn)的斜向裂縫其寬度均在0.15 mm左右，且裂縫的長度和寬度連續(xù)觀測21 d均處于穩(wěn)定狀態(tài)；結(jié)構(gòu)處于安全受力狀態(tài)。

通過監(jiān)測，第10跨主拱最大沉降為43 mm，理論計算第10跨主拱沉降為10.4 mm，理論計算與實測相差不是很大，主要由于理論計算只計算了第10跨的受力分析，未進(jìn)行整體拱的沉降計算，以及相鄰拱之間的相互影響，所以理論計算偏小，但可以作為施工方案的參考。實測結(jié)果表明，拱橋支架拆除后結(jié)構(gòu)受力符合設(shè)計受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài)。

6 結(jié)語

通過對軟土地基上鋼筋混凝土連拱橋施工分析研究與實踐，不良地質(zhì)條件下建造跨度漸變的連續(xù)拱橋采用支架法施工的支架拆除應(yīng)注意如下問題：

1） 對于不等跨連拱橋，按照“分步驟分階段、小跨先拆大跨后拆”的原則，使連拱橋逐步實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，達(dá)到成橋狀態(tài)。

2） 單跨按照“以橋墩為中心，自拱腳向跨中”的原則拆除支架，其對軟土地基中的樁基產(chǎn)生的水平不平衡水平推力最小，拱結(jié)構(gòu)受力均衡，結(jié)構(gòu)實體受擾動最小。

3）按照少量對稱的原則拆除支架。

4）針對支架方案，支架拆除過程須對主拱圈的應(yīng)力、線形（撓度）、各墩臺基礎(chǔ)沉降和各墩臺水平變位進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，以指導(dǎo)施工。

[1]瀉湖大橋施工組織設(shè)計[R].中交第一航務(wù)工程局，2010.Construction management plan of the Xiehu Bridge[R].CCCCFirst Harbor Engineering Co.，Ltd.，2010.

[2] 連云新城新光路瀉湖大橋新建工程施工圖[R].南京：東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院，2009.Construction drawing for the Xiehu Bridge project in Xinguang Road of Lianyun new city[R].Nanjing：Architects&Engineers Co.，Ltd.of Southeast University，2009.

[3]JGJ166—2008，建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].JGJ 166—2008，Technical Code for Safety of Cuplok Steel Tubular Scaffoldingin Construction[S].

[4] 李權(quán).ANSYS在土木工程中的應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.LIQuan.Application of ANSYS on civil engineering[M].Beijing：Postsand Telecom Press，2005.

[5]GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].GB 50010—2010，Codefor Design of Concrete Structure[S].

[6]CJJ2—2008，城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范[S].CJJ2—2008，Code for Construction and Quality Acceptance of Bridge Worksin City[S].