舊拱橋拱上建筑拆除施工與方案設(shè)計

(中鐵十六局集團 第一工程有限公司,北京 101300)

舊拱橋拱上建筑拆除施工與方案設(shè)計

耿福志

(中鐵十六局集團 第一工程有限公司,北京 101300)

采用200 t大型汽車吊對一座等截面懸鏈線箱型拱橋拱上建筑的拆除過程進行設(shè)計，對橋面板拆除、蓋梁、立柱、基梁、臺帽與墊石拆除進行著重介紹。實際施工結(jié)果表明，采用大型起吊設(shè)備進行拆除施工，具有安全、快速、經(jīng)濟的優(yōu)勢，采用MIDAS-civil有限元軟件對拆除過程不同施工工況進行數(shù)值模擬分析，為該類工程的施工方案提供數(shù)據(jù)支持。

200 t汽車吊；舊拱橋；拱上建筑

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，人均生活水平的不斷提高，汽車保有量日漸增多，加之互聯(lián)網(wǎng)消費的普及使得相應物流行業(yè)的也不斷壯大。以往修筑的公路橋梁因其設(shè)計結(jié)構(gòu)或服役時間較長產(chǎn)生的種種病害，現(xiàn)已無法滿足日漸增多的車流量。為滿足行車需求，越來越多的橋梁迫切地需要加固或者拆除，推進了拆除施工工藝的發(fā)展。王軍等人[1]介紹了S241丹陽北二環(huán)大橋拆除的施工工藝及方法，針對大跨徑中承式鋼筋砼拱橋的拆除提出了施工工藝要點，以及施工難點的解決辦法；解勇[2]等人總結(jié)了三跨上承式鋼筋混凝土桁架拱橋增埗大橋的拆除施工技術(shù)。近年來，隨著計算機軟件數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，推動了橋梁拆除過程的相關(guān)科學研究。周宏達、李揚等人[3-4]研究了使用MIDAS CIVIL軟件計算拱橋時應采用的驗算方法，并對結(jié)構(gòu)的驗算類型和建模方法進行了探討；張玉娥[5]等針對某大跨混凝土拱橋的施工難點，通過有限元分析對其支架的設(shè)計和施工，以及預拱度的設(shè)置、拱軸線型的施工控制等方面作了較為詳盡的闡述；王技[6]采用ANSYS有限元軟件模擬一座等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱形雙肋拱橋的拆除施工過程，介紹了施工過程工藝以及施工要點，對各拆除階段的結(jié)構(gòu)受力進行分析，結(jié)果表明該方案可以解決實際施工問題。

本文通過對一座大跨徑箱型拱橋拱上建筑的拆除施工技術(shù)方案進行設(shè)計研究，并通過MIDAS-civil有限元軟件對拆除過程不同工況進行數(shù)值模擬檢算，經(jīng)實際施工過程檢驗，該方案有著安全、經(jīng)濟、高效等特點，也可為后續(xù)同類工程施工提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

綠江大橋于1986年建成通車，為1-65 m鋼筋混凝土懸鏈線空腹式箱形拱，拱軸系數(shù)為2.24，矢跨比為1/8，橋面凈寬為9 m，橋長92 m。該橋采用轉(zhuǎn)體施工法施工，跨中實腹段長20 m，為現(xiàn)澆C25混凝土，拱上立柱為三柱墩。該橋中間部分為整體現(xiàn)澆的鋼筋混凝土實心板，跨徑為5 m、寬7.3 m，兩側(cè)為預制安裝的π型梁，寬1.1 m，人行道及欄桿安裝于此預制梁上。根據(jù)設(shè)計要求：采用拆除全部拱上建筑，僅保留主拱和橋臺，然后對主拱圈進行加固。在維修加固期間，通過修筑臨時便道和便橋的方式維持通車。

2 拱橋拆除施工工藝方案比選

根據(jù)設(shè)計給出施工順序及施工工藝，對行車道板及蓋梁立柱兩部分拆除方案進行設(shè)計。

2.1原設(shè)計方案

(1)行車道板的拆除。將每跨行車道板均勻切割成8塊，由小型吊機將切割好的梁板吊離。

(2)蓋梁立柱的拆除。由人工持小型機具至上而下進行破除。

2.2原方案的弊端

(1)行車道板均勻切割成8塊，需要大量的人員及切割設(shè)備的投入。橋梁凈寬承載無法滿足多個設(shè)備同時進行工作，則拆除工作進度緩慢，同時人機交叉作業(yè)又額外增加了安全管理的工序。

(2)蓋梁立柱由人工持小型機具至上而下拆除，在高空中施工危險系數(shù)高，人員設(shè)備投入多且工作量大。高空作業(yè)施工作業(yè)面小，每個蓋梁立柱鑿除均需搭設(shè)支架作業(yè)平臺。為防止鑿除混凝土掉落砸傷主拱圈，還需架設(shè)防護網(wǎng)進行防護。鑿除的廢渣均由人工二次倒運遠離至施工作業(yè)區(qū)，人工鑿除過程中會產(chǎn)生大量的粉塵及碎渣，對施工工人造成傷害。同時碎渣難以收集，經(jīng)雨水沖刷產(chǎn)生的污水會直接流入至綠江，造成水體污染。

綜上所述，以原設(shè)計方案施工勢必會增加人、料、機的投入且施工進度緩慢。存在物體打擊、高空墜落、觸電、機械傷害等各種安全隱患，施工難度高、危險大。

2.3方案優(yōu)化設(shè)計

采用200 t汽車吊(65 t配重)，吊車后支腿立于橋臺，前支腿立于舊路面，確保拆除過程中吊車的穩(wěn)定性。為方便作業(yè)，從跨中向兩端對稱分跨拆除，跨度以吊車作業(yè)半徑范圍為準，拆除施工順序為：橋面鋪裝→人行道系→ 行車道板→ 蓋梁及立柱→基梁[7]。根據(jù)吊裝距離及吊車吊運能力對行車道板重新劃分單元，詳見表1。

表1 行車道板分塊及吊裝參數(shù)

圖1 1/2大橋立面布置示意圖(單位：m)

(1)行車道板為整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土，重約28.5 t。拆除前先用切割機沿行車方向切成2～5塊，采用位于橋臺兩側(cè)的200 t汽車吊對稱吊離，運至場外堆放地點。梁板之間的連接鋼筋需用切割機切斷，以減少梁板之間的束縛和約束力。梁板采用吊機直接起吊，吊臂應伸到梁板的中心上方，緩慢起吊。在梁板的兩端設(shè)置牽引繩，以便控制梁板的平穩(wěn)、準確的放置在運輸車上。吊裝過程中，若吊車超出了許可操作半徑范圍時，應及時調(diào)整吊車位置，吊車作業(yè)必須保證在吊車的起重半徑之內(nèi)，調(diào)運順序從第一跨至第六跨，如圖1所示。

(2)為確保拆除過程不對主拱圈造成破壞、擾動。梁板吊裝完畢后，盡可能對蓋梁、立柱進行整體拆除。采用留芯法將每排立柱和對應的蓋梁作為一個T型整體并編號。4#蓋梁與橫墻分割為兩塊進行吊裝，編號為4#、4#’，再以從中間向兩邊的拆除順序破除切割立柱砼、鋼筋。調(diào)運順序由0#至4#’，T型整體總質(zhì)量見表2。

表2 T型整體質(zhì)量計算表

(3)分離立柱與基梁連接部位前，在蓋梁兩側(cè)用鋼絲繩捆綁固定于前后兩側(cè)基梁鋼筋內(nèi)。鑿除立柱與基梁連接處的混凝土，并切割連接鋼筋，每根立柱預留15 cm×15 cm混凝土芯做為穩(wěn)定破損后的立柱。詳見圖2、圖3、圖4所示。

圖2 T型整體正面示意圖(單位：cm)

圖3 T型整體側(cè)面示意圖

(4)4#T型整體由蓋梁及橫墻組成，橫墻整體與基梁連接，接觸面大且該T型整體高度約1 m，整體重心低，該T型整體的傾覆可能性很小。所以在分離該T型整體時，采用切割法全部分離與基梁連接部位的混凝土、鋼筋，不需要預留混凝土芯。切割前先將蓋梁沿中間一分為二，形成4#與4#’兩部分，同時需要用鋼絲繩對拉，并固定于基梁鋼筋上，如圖5所示。

圖4 結(jié)點A細部圖

圖5 4#、4#’T型整體示意圖

(5)采用200 t汽車吊立于橋臺頂，支腿位置同吊梁板時的位置，以0#至4#的順序進行吊運。由吊車對T型整體施以一定角度的力，使其重心偏位，依靠T型整體自身質(zhì)量分離預留混凝土芯，待觀察T型整體與基梁徹底分離后，再進行調(diào)運作業(yè)。

2.4基梁及實腹段混凝土的拆除

對稱拆除拱上基梁、實腹段混凝土，由于基梁內(nèi)部分鋼筋與主拱圈連接，因此拆除基梁時必須準確區(qū)分基梁和主拱圈，保護此部分鋼筋，嚴禁切斷。采用空壓機人工鑿除，保護與主拱圈連接筋。人工鑿除前做好臨時圍擋防護，防止砼碎塊掉入河道，基梁拆除順序由1#→4#→0#順序拆除，以此方便砼碎塊外運。

2.5拆除橋臺臺帽與墊石

此部位拆除采用空壓機人工鑿除，進行拆除前，應確定要拆除厚度，做好標記。同時，拆除的混凝土碎塊必須隨時運離橋梁范圍，不得堆積，同時嚴禁棄入河中。

3 拆除工程施工工況有限元分析

采用MIDAS-civil建立全橋模型，對拱橋拆除第一跨～第五跨時主拱圈的受力及變形進行驗算分析。通過有限元模型數(shù)值分析，查看各施工工況下受力情況及變形情況，確定受力及變形值在設(shè)計規(guī)范允許范圍之內(nèi)[8],以保證此設(shè)計方案施工過程安全可靠，能夠保證施工安全，如圖6。

圖6 全橋整體模型

3.1拆除施工工況受力分析

通過對各施工工況進行數(shù)值模擬分析，在拱橋拆除各工況過程中主拱圈均處于受壓狀態(tài)，且最不利施工工況下最大應力為4.1 MPa，小于《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D61—2005)當中C25軸心抗壓強度fcd≤9.78 MPa規(guī)范容許值要求。拆除過程中主拱圈應力變化見圖7。

3.2變形分析

在拱橋拆除各工況過程中主拱圈最大撓度發(fā)生在拆除第五跨時，最大撓度為15.4 mm小于規(guī)范允許值，計算結(jié)果見圖8。

圖7 拆除過程主拱圈應力變化圖

圖8 主拱圈撓度圖

3.3最不利工況分析

主拱圈的最大應力和最大撓度均出現(xiàn)在拆除第五跨時，該工況為主拱圈受力最不利工況，該工況下主拱圈的壓應力(混凝土結(jié)構(gòu)為壓為正值)和撓度見圖9、圖10所示。

圖9 拆除第五跨工況拱圈壓應力圖(單位：MPa)

圖10 拆除第五跨工況拱圈變形圖(單位：mm)

4 施工要點及注意事項

(1)針對本橋的拆除特點，提前做好施工圍護工作，保證大型機械(吊車及運輸設(shè)施)的順利進場。在施工前對各種機械進行維護檢查，保證機械的完好率，在施工期間派專人進行機械日常維護，提高機械利用率。對承重構(gòu)件(如吊葫蘆、鋼絲繩等)進行用前檢查，如有損壞，立即調(diào)換。

(2)使用前應詳細檢查作業(yè)場地是否平整堅實，支腿是否牢固。操作手柄、制動器及其它操件裝置是否靈敏可靠。吊車要進行試運轉(zhuǎn)，吊裝用的鋼絲繩、夾具等要檢查，保證其完好并有備用件。在確認沒有異常后方可開始工作。

(3)明確橋面鋪裝層與梁體之間的分離層，梁體與蓋梁之間結(jié)合部位。準備好梁體破碎的堆放場地，施工作業(yè)必須嚴格按順序依次施工。

(4)切割第一跨板梁時，應先切割最外側(cè)兩塊板后再進行該跨的人形道板及防撞護欄，防止切割板塊過小造成梁板斷裂。

(5)切割梁板過程需沿橋長設(shè)置一條安全繩，切割人員佩戴安全防護用品(安全帶、安全帽)，將安全帶扣于安全繩上，確保作業(yè)人員安全。

(6)梁板起吊前，需提前對蓋梁、立柱進行加固，采用搭設(shè)支架形式對其進行臨時支護，防止梁板拆除過程因碰撞至其傾覆。

(7)第一片梁板起吊時，必須先行試吊，起吊板梁離開蓋梁支座至20～30 cm 后，檢查吊車是否穩(wěn)定，鋼絲繩和夾具是否牢靠，要避免起吊過高，盡量減少在空中停留時間，起落時速度要緩慢均勻。

(8)當?shù)踹\T型整體時，需重新計算確定T型整體的質(zhì)量與吊車的作業(yè)半徑，評估其起重能力。確保在一定的安全系數(shù)下進行切割、吊運作業(yè)，同時機械操作人員在工作過程中如發(fā)現(xiàn)機械有故障或異常情況時，應立即停車會同專業(yè)人員查明原因，排除故障后方繼續(xù)工作。

(9)拱橋拆除必須遵循兩側(cè)對稱拆除，防止不對稱荷載增大主拱圈截面受力，導致結(jié)果出現(xiàn)安全隱患。

(10)拆除前需在主拱圈1/8跨、1/4跨、3/8跨、跨中、5/8跨、3/4跨、7/8跨截面設(shè)置撓度測量點，并在拆除過程中實時監(jiān)測測量點處的撓度值，并與計算結(jié)果進行對比，如發(fā)現(xiàn)測量截面撓度過大或與計算值相差較大，應及時停止拆除，并查找相關(guān)原因。

5 結(jié)論與建議

(1)通過執(zhí)行此拆除方案的結(jié)果來看，避免了大量施工作業(yè)人員上橋作業(yè)、減少高空作業(yè)時間。切割產(chǎn)生的混凝土碎渣較少，有效地解決粉塵危害及水體污染。

(2)依據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計方案，大大減少了梁板的切割數(shù)量以及人工鑿除混凝土圬工量，節(jié)約了時間，縮短了施工工期。吊裝設(shè)備僅使用兩次便完成了拱上建筑的拆除。相比原方案，在機械設(shè)備投入上節(jié)省了資金。

(3)通過采用MIDAS-civil有限元軟件對各施工工況進行數(shù)值模擬分析表明：在拱橋拆除各工況下主拱圈均處于受壓狀態(tài)，最不利施工工況下最大應力為4.1 MPa，最大撓度15.4 mm，小于規(guī)范容許值要求，證明此拆除施工方案可行，可以保證施工安全。

(4)拆除過程中，為保證主拱圈的受力安全，尤其在最不利工況下，應盡量減少因施工機具設(shè)備等產(chǎn)生的對主拱圈的沖擊荷載和振動荷載，以保證拆除工作順利進行。

[1]王軍,朱國娟,張沖,等.大跨徑中承式鋼筋砼拱橋拆除工藝[J].交通科技, 2010(s2):19-21.

[2]解勇,劉道田,胡恒福.大跨度鋼筋混凝土桁架拱橋的拆除技術(shù)[J].施工技術(shù),2005, 34(5):30-31.

[3]周宏達.MIDAS CIVIL計算拱橋的結(jié)構(gòu)類型探討[J].交通建設(shè)與管理, 2014(12):144-146.

[4]李揚, 葛粟粟, 朱誼彪. 基于 MIDAS/Civil 的大跨度鋼管砼拱橋建模方法探討[J].公路與汽運, 2015(5):142-145.

[5]張玉娥,王新華,朱英磊.大跨拱橋施工支架設(shè)計及施工控制[J]. 石家莊鐵道學院學報,2006，19(2):36-38.

[6]王技.大跨徑鋼筋混凝土拱橋拆除施工及力學分析[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2007, 4(2):39-41.

[7]韓書臣. 渭河大橋吊桿施工技術(shù)[J]. 石家莊鐵道學院學報,2007，20(2):124-126.

[8]交通部.JTG D60—2015 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計院,2015.

TheDemolitionProcedureandSchemeOptimizationoftheBuildingsonOldArchBridge

GengFuzhi

(The First Company of the China Railways 16th Bureau Group Co., LTd., Beijing 101300, China)

The demolition process of a constant section catenary arch bridge using a 200 t truck crane is optimized, focusing on the demolition technology of the bridge deck, beams, columns, beam cap and base pad stone. The different demolition conditions for the removal process is numerically simulated with MIDAS-civil finite element software. The actual measured results show that the demolition procedure with a large hoisting equipment has many advantages such as safe, fast and economic; And the result can be referred by the future similar projects.

200 t truck crane;old arch bridge;buildings on the arch

U488.22

： A

： 2095-0373(2017)03-0020-06

2017-07-30責任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.03.04

耿福志(1966-),男,高級工程師,主要從事橋隧的研究。E-mail:465838478@qq.com 耿福志.舊拱橋拱上建筑拆除施工與方案設(shè)計[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2017,30(3):20-24.