通航運(yùn)河上中承式系桿拱橋拆除關(guān)鍵技術(shù)研究

虞冬冬 房玉環(huán) 王志文

(1.常州市航道管理處，江蘇 常州 213000；2.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000)

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通航運(yùn)河上中承式系桿拱橋拆除關(guān)鍵技術(shù)研究

虞冬冬1房玉環(huán)2王志文1

(1.常州市航道管理處，江蘇 常州 213000；2.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000)

近年來(lái)隨著我國(guó)航道水運(yùn)的發(fā)展和建設(shè)，對(duì)于不符合通航標(biāo)準(zhǔn)的橋梁進(jìn)行了老橋拆除重建?，F(xiàn)在老橋的拆除大多采用爆破法和機(jī)械拆除法，由于在通航運(yùn)河上不可能進(jìn)行斷航爆破拆除施工，故現(xiàn)在通航運(yùn)河上多采用逆施工順序的機(jī)械拆除法，不僅要考慮拆橋?qū)νê降挠绊懡档阶畹?，同時(shí)也要保證拆除過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。文章結(jié)合橫林大橋的拆除施工，以有限元模型計(jì)算的拆除階段模擬分析，闡述和分析航道上中承式系桿拱橋拆除施工技術(shù)方案并得出相關(guān)結(jié)論。

通航運(yùn)河；中承式拱橋；拆除方案；有限元分析

隨著交通水運(yùn)的發(fā)展，內(nèi)河航道航行的船舶噸位越來(lái)越大。內(nèi)河航道不斷進(jìn)行拓寬建設(shè)，航道橋梁不能適應(yīng)目前航道通航能力的要求，大量橋梁面臨拆除重建的問(wèn)題。拆除橋梁不同于新建橋梁，不同橋型根據(jù)其自身的特點(diǎn)和環(huán)境因素適用不同的拆除方法，且拆除通航運(yùn)河橋梁不能在橋下搭設(shè)支撐，橋梁拆除過(guò)程中一旦坍塌不僅是重大的安全事故，也會(huì)造成航道的斷航。目前國(guó)內(nèi)對(duì)此類橋梁的拆除方法和關(guān)鍵技術(shù)的研究還不夠系統(tǒng)和完善。本文結(jié)合工程實(shí)例常州市橫林大橋的拆除工作，對(duì)鋼筋混凝土中承式系桿拱橋的拆除方法及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1 老橋拆除遵循的原則和拆除難點(diǎn)

1.1 老橋拆除遵循的原則

第一，不破壞原有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原則。拆除老橋與修建新橋最本質(zhì)的區(qū)別是：新建橋梁隨著施工步驟的不斷推進(jìn)，結(jié)構(gòu)不斷趨進(jìn)穩(wěn)定，工況不斷趨進(jìn)有利，直至成橋通車，結(jié)構(gòu)處于最佳受力狀態(tài)；與此相反，橋梁拆除則隨著構(gòu)件的不斷支離，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不斷削弱，施工工況也經(jīng)常處于不利狀態(tài)。因此，橫林大橋老橋拆除采用逆向施工的方法進(jìn)行吊離，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

第二，不影響和少影響交通的原則。在封橋前，制定好不影響南北兩岸陸上交通的方案。水上涉及吊裝作業(yè)需短暫封航，封航前應(yīng)辦理好各項(xiàng)海事申請(qǐng)?zhí)刈o(hù)及交通限行手續(xù)。

1.2 拆除難點(diǎn)

主要拆除難點(diǎn)為：(1)封航時(shí)間限制。蘇南運(yùn)河常州段為江蘇省干線航道，船舶通行量大，因此封航時(shí)間有限，每天封航最多4小時(shí)。(2)吊裝能力限制。橫林大橋起吊的部分重量應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目部現(xiàn)有的浮吊設(shè)備起吊能力，項(xiàng)目部有500t和300t浮吊船各一艘。(3)切割橋面板后保證各切割后的橋面板穩(wěn)定性。(4)整體吊離割斷的拱肋時(shí)考慮拱肋的穩(wěn)定性。(5)拱肋吊離后，設(shè)置在強(qiáng)大橫梁下的臨時(shí)支墩的穩(wěn)定性，以保證強(qiáng)大橫梁及剩下的拱肋不失穩(wěn)。

2 拆除總體步驟和有限元計(jì)算分析

2.1 拆除總體步驟

通過(guò)對(duì)橫林大橋老橋工程量計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)有的拆橋設(shè)備能力，老橋主跨拆除順序?yàn)椋涸趶?qiáng)大橫梁平面投影下方搭設(shè)臨時(shí)支架→拆除防撞欄桿→在橋面兩側(cè)順橋向用型鋼將各個(gè)吊桿之間的橋面固結(jié)成一體→橫橋向?qū)傻鯒U平分線處的橋面及梁體結(jié)構(gòu)上下切割通透→用浮吊將分割的各塊梁體從跨中向兩側(cè)逐塊吊移至河岸上→在橋面以上兩拱肋之間加設(shè)臨時(shí)風(fēng)撐及吊點(diǎn)→用浮吊將兩側(cè)拱肋懸吊→將橋面以上第1根吊桿間的拱肋隔斷，用浮吊將其整體吊移至河岸上→拆除剩余加勁梁及橋面板→用浮吊將強(qiáng)大橫梁及剩余的拱肋、下風(fēng)撐吊移至駁船上運(yùn)走→拆除臨時(shí)支架→拆除墩柱及擴(kuò)大基礎(chǔ)→清理場(chǎng)地。

2.2 有限元計(jì)算分析

橋梁經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)，承載能力下降，拆除過(guò)程中不可預(yù)見的不利因素增多，因此在拆除前使用擬定方案進(jìn)行仿真模擬，找出最不利情況是必不可少的。根據(jù)老橋竣工圖紙和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用Midas/Civil對(duì)橫林老橋建立有限元模型。

(1)橋面板拆除分為5個(gè)階段，在對(duì)橋梁橋面板切割后，存在著體系轉(zhuǎn)換，此時(shí)吊桿和拱肋受力可能會(huì)超過(guò)橋梁的允許受力，故利用有限元模型計(jì)算橋面板拆除后拱肋應(yīng)力及變形有限元計(jì)算，如圖1-圖5所示。

圖1 第1階段5#吊桿下橋面板結(jié)構(gòu)吊離后橋梁應(yīng)力和應(yīng)變圖

圖2 第2階段4#吊桿下橋面板結(jié)構(gòu)吊離后橋梁應(yīng)力和應(yīng)變圖

圖3 第3階段3#吊桿下橋面板結(jié)構(gòu)吊離后橋梁應(yīng)力和應(yīng)變圖

圖4 第4階段2#吊桿下橋面板結(jié)構(gòu)吊離后橋梁應(yīng)力和應(yīng)變圖

圖5 第5階段1#吊桿下橋面板結(jié)構(gòu)吊離后橋梁應(yīng)力和應(yīng)變圖

經(jīng)過(guò)有限元模型的模擬計(jì)算，吊桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在第2階段4#吊桿下橋面板結(jié)構(gòu)吊離后，最大值為101.64N/mm2，拱肋最大應(yīng)力出現(xiàn)在第1階段和第2階段都為8.82N/mm2，最大變形出現(xiàn)在第2階段為43.94mm，但都在橫林大橋結(jié)構(gòu)受力和變形容許范圍值之內(nèi)，故可以采用此方案對(duì)橫林大橋的橋面板拆除，各個(gè)階段橋梁結(jié)構(gòu)都具有很好的穩(wěn)定性。

(2)對(duì)拱肋起吊點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)保證起吊后的拱肋整體受力的均勻，不出現(xiàn)應(yīng)力集中和失穩(wěn)的現(xiàn)象，保證整體起吊后的拱肋整體的受力和變形都在橋梁本身的允許范圍內(nèi)。根據(jù)本橋吊點(diǎn)的設(shè)置，對(duì)橋面板以上拱肋整體吊離拱肋產(chǎn)生的應(yīng)力和變形進(jìn)行計(jì)算，如圖6-圖8所示。

圖6 拱肋整體吊起后彎矩圖

圖7 拱肋整體吊起后剪力圖

圖8 拱肋整體吊起后變形量

通過(guò)有限元計(jì)算，拱肋整體調(diào)離產(chǎn)生最大彎矩為329.3kNm，最大剪力為139kN，最大變形0.5mm，都在拱肋受力和變形容許范圍值之內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力的要求。

3 關(guān)鍵部位拆除技術(shù)

3.1 橋面板橫橋向分割及拆除

根據(jù)老橋的施工圖設(shè)計(jì)，行車道板及加勁梁在后場(chǎng)預(yù)制，體內(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力筋，加勁梁懸吊在吊桿下端，行車道板位于兩加勁梁之間，底面相平，行車道板之間、加勁梁之間及行車道板與加勁梁之間設(shè)現(xiàn)澆段，并設(shè)預(yù)應(yīng)力束。加勁梁加鋪裝層厚92cm，行車道板加鋪裝層厚68cm，為縮短封航周期，方便施工，結(jié)合目前施工中常用的切割設(shè)備和運(yùn)河上浮吊起吊能力，在兩吊桿間中心平分線上將橋面橫向上下隔斷，然后用浮吊逐塊吊離(由跨中向兩邊對(duì)稱吊離)，吊離時(shí)每塊采用四個(gè)吊點(diǎn)。為保證橋面板分割后拱橋整體穩(wěn)定，切割前，每塊行車道板四個(gè)吊點(diǎn)處先用繩索將橋面板與拱肋連接。

3.2 橋面板以上拱肋整體拆除

橋面以上拱肋及風(fēng)撐采取整體吊移，拱肋切割點(diǎn)位于拱肋與橋面板交接處，切斷后，拱肋總體起吊水平長(zhǎng)度約為43.2m。切割前先在距切割斷頭3m處(吊點(diǎn))加設(shè)臨時(shí)風(fēng)撐，以增加拱肋的整體剛度，臨時(shí)風(fēng)撐采用φ=426mm鋼管(t=10mm)，鋼管與拱肋采用36工字鋼與拱肋剛性連接，臨時(shí)風(fēng)撐具體設(shè)置如圖9所示。根據(jù)起吊拱肋長(zhǎng)度及拱肋間距、河道寬度、浮吊結(jié)構(gòu)尺寸，橋面以上拱肋采用8點(diǎn)吊離，起吊鋼絲繩選用6×61抗拉強(qiáng)度為1700MPa，公稱直徑為83mm，浮吊配備鋼絲繩長(zhǎng)度為20m、10m、5m等各種長(zhǎng)度尺寸若干，拱肋吊離采用兩臺(tái)浮吊(300t、500t)對(duì)稱抬吊，如圖10所示。

3.3 強(qiáng)大橫梁下臨時(shí)支架的設(shè)置

橋面上拱肋及橋面以上橋面板拆除以后，橋面以下拱肋懸臂(水平)有11.07m，且拱肋懸臂端頭受到強(qiáng)大橫梁、剩余行車道板及加勁梁的豎向荷載，為抵抗拱肋自重、強(qiáng)大橫梁、行車道板及加勁梁產(chǎn)生的作用力，避免剩余拱肋折斷后傾倒在運(yùn)河中，切割橋面板結(jié)構(gòu)之前，在強(qiáng)大橫梁底搭設(shè)臨時(shí)支撐。每側(cè)臨時(shí)支架由9根鋼管樁(φ=426mm，t=10mm)加縱橫向分配梁(40I)加鋼墊枕，縱向分配梁中心軸線間距為1.5m，橫向分配梁中心軸線間距為0.75m，具體設(shè)置情況如圖11所示，同時(shí)臨時(shí)支架也經(jīng)過(guò)了受力計(jì)算，不然不得進(jìn)行設(shè)置。

圖9 拱肋臨時(shí)風(fēng)撐設(shè)置示意圖 圖11 臨時(shí)支架正面圖(橫橋向)

圖10 浮吊與橋梁立面關(guān)系示意圖(m)

3.4 強(qiáng)大橫梁及剩余拱肋拆除

南北兩岸強(qiáng)大橫梁及1#吊桿至拱腳段拱肋分兩次整體拆除，拆除期間，浮吊垂直河道軸線停放，在強(qiáng)大橫梁與拱肋交叉處、下風(fēng)撐交叉處、拱腳處設(shè)置吊點(diǎn)，共5個(gè)吊點(diǎn)，如圖12所示。拆除時(shí)，在鋼絲繩輕微受力繃直后，用炮頭機(jī)將拱肋在拱腳處鑿斷，然后吊移至駁船上運(yùn)至棄渣場(chǎng)。

圖12 強(qiáng)大橫梁及剩余拱肋吊點(diǎn)設(shè)置示意圖(m)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)橫林大橋拆除不能長(zhǎng)時(shí)間斷航，計(jì)劃連續(xù)斷航5天，但實(shí)際斷航4天，斷航時(shí)間分別為4小時(shí)、2小時(shí)、3小時(shí)和2小時(shí)，故合理的計(jì)算和安排每次吊裝構(gòu)件重量，避免了吊裝能力的浪費(fèi)和吊離構(gòu)件超過(guò)起吊能力而影響拆除速度，對(duì)通航影

響較小。

(2)存在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換和內(nèi)力釋放，要進(jìn)行必要的計(jì)算，尤其橋面板切段后吊桿受力、吊桿割斷吊離橋面板時(shí)受力、整體吊離橋面板以上拱肋時(shí)整體受力和臨時(shí)支架的受力等關(guān)鍵拆除階段計(jì)算模擬。

(3)重點(diǎn)考慮最不利工況原則，通過(guò)有限元模擬，發(fā)現(xiàn)拆除橋面板時(shí)拱肋的最不利請(qǐng)況出現(xiàn)在第1和第2階段，而吊桿受力和變形最不利情況都出現(xiàn)在第2階段，故在拆除類似中承式系桿拱橋時(shí)，最不利情況會(huì)出現(xiàn)在拆除的第1和第2階段，拆除中要加強(qiáng)這兩個(gè)階段監(jiān)測(cè)工作。

(4)“與施工逆向，不破壞原結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”原則，即考慮與橋梁施工順序相反步驟進(jìn)行拆除，這樣橋梁體系可處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)，拆除橋面板時(shí)，為保證拱肋受力穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)稱拆除橋面板。

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2016-08-01

虞冬冬(1989-)，男，江蘇常州人，常州市航道管理處工程管理科科員，主要從事航道工程、道路和橋梁工程的建設(shè)及管理工作。房玉環(huán)(1986-)，男，江蘇徐州人，中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司工程師，主要從事道路和橋梁工程的建設(shè)施工管理工作。王志文(1967-)，男，江蘇常州人，常州市航道管理處高級(jí)工程師，主要從事航道建設(shè)工程管理工作。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.03.020

U445.6

A

1672-9846(2016)03-0081-06