鋼管混凝土系桿拱橋臨時(shí)系桿法拆除技術(shù)

岳忠文,黃 翔

(1.淮安市航道管理處，淮安 246000；2.中交二航局第四工程有限公司，蕪湖 241000)

1 工程難點(diǎn)

京杭運(yùn)河淮海路大橋老橋采用主跨54.8 m系桿拱結(jié)構(gòu)，老橋拆除施工邊界條件較差，其在施工及安全方面存在一系列需要解決的技術(shù)難題：

1.1 拱橋拆除支撐難度大

拱橋拆除工藝主要有整體拆除及分段拆除。整體拆除包含整體吊裝、爆破拆除、整體船舶頂升托運(yùn)。受橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、航道實(shí)際情況，拱橋需分段進(jìn)行拆除，常規(guī)拱橋拆除時(shí)需對(duì)拱圈進(jìn)行支架支撐，但京杭運(yùn)河航道通航頻繁，老橋主跨54.8 m寬度范圍搭設(shè)支架對(duì)通航影響較大，拱橋拆除支架支撐難度大。系桿拱拆除時(shí)結(jié)構(gòu)受力體系破壞，需針對(duì)工程的特點(diǎn)，尋找一種施工操作方便、安全可靠的體系解決拱橋支撐問(wèn)題。

1.2 拱橋分段拆除吊裝難度大

京杭運(yùn)河航道凈高為7 m，大型水上起重浮吊設(shè)備進(jìn)場(chǎng)受限。拱橋拱肋、拱肋單件重量大，需通過(guò)兩臺(tái)浮吊抬吊進(jìn)行拱橋主要構(gòu)件拆除，吊裝重量重、浮吊抬吊協(xié)作要求高。

1.3 拱橋拆除時(shí)安全穩(wěn)定性控制

三幅拱橋采用分段拆除，拆除時(shí)結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生變化，支撐、切割、吊裝、移運(yùn)等施工環(huán)節(jié)安全風(fēng)險(xiǎn)源較多，施工安全控制難度大。

1.4 拱橋分段單次拆除允許時(shí)間短

京杭運(yùn)河為黃金水道，航務(wù)繁忙，航道單次斷航時(shí)間不允許超過(guò)4個(gè)小時(shí)，構(gòu)件拆除需在一個(gè)封航時(shí)間段內(nèi)完成。系桿拱系桿及拱肋吊裝難度大、吊裝重大、切割面積多，需緊湊施工工藝，提高單次拆除施工工效。

因此，需對(duì)系桿拱橋拆除支撐體系、構(gòu)件吊裝、安全控制、高效拆除進(jìn)行專項(xiàng)研究。

2 混凝土系桿拱橋拆除

2.1 鋼管拱臨時(shí)系桿鎖定

拱橋系桿拆除后因墩頂簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)的支座無(wú)法提供水平推力，拱肋將在自重作用下破壞，因此拱肋需先支撐后拆除。

(1)精軋螺紋臨時(shí)系桿

拱肋支撐考慮在系桿拆除前采取臨時(shí)系桿加固措施，臨時(shí)系桿由兩個(gè)設(shè)置自在拱腳處的Φ32 mm精軋螺紋鋼組成，總長(zhǎng)47.8/45.7 m，通過(guò)反力牛腿與拱腳連接，精軋螺紋縱向自重通過(guò)在吊桿焊接水平角鋼進(jìn)行支撐，確保臨時(shí)系桿只受拉。

經(jīng)計(jì)算，拱肋在自重作用下產(chǎn)生的水平推力為65 t，兩個(gè)臨時(shí)系桿端部各施加32.5 t預(yù)緊力，用于抵消拱肋水平推力。

圖1 精軋螺紋臨時(shí)系桿側(cè)面布置圖

(2)拱腳塞填

老橋?yàn)?跨結(jié)構(gòu)，引橋?yàn)?跨16.7 mT梁，通過(guò)橋臺(tái)與路基相連，主跨拱橋與邊跨T梁間縫寬寬6 cm，為提高拱橋系桿拆除后拱肋結(jié)構(gòu)安全性，在單跨簡(jiǎn)支伸縮縫處采用鋼板填充密實(shí)，拱肋水平力可通過(guò)邊跨T梁傳遞至橋臺(tái)，通過(guò)橋臺(tái)克服水平推力，提高拱肋結(jié)構(gòu)的安全性。

圖2 精軋螺紋臨時(shí)系桿側(cè)面布置圖

(3)拱腳反壓

為進(jìn)一步提高系桿拆除時(shí)拱肋的安全性，在拱腳根部設(shè)置了豎向反壓裝置，單個(gè)拱腳處該裝置由兩根Φ32 mm精軋螺紋，及2工22a反壓梁組成，反壓精軋螺紋施加20 t預(yù)應(yīng)力。拱腳底部支座附近塞填型鋼，通過(guò)反壓裝置增加拱腳底部摩阻，利用墩帽輔助抵消拱肋的水平推力，以進(jìn)一步提高拱肋安全性。

圖3 拱腳反壓裝置圖

2.2 鋼管混凝土拱拆除

(1)系桿拆除

混凝土拱橋拆除完成進(jìn)行鋼管拱橋拆除，鋼管拱橋先拆除兩根系桿，拱肋通過(guò)臨時(shí)系桿進(jìn)行鎖定，系桿拆除前進(jìn)行橋面附屬及中橫梁拆除，系桿采用靜力切割，采用兩臺(tái)150 t浮吊一次性吊裝，單根系桿總重160 t，切割面靠近拱腳根部，四點(diǎn)吊最合理吊點(diǎn)布置距離梁端分別為0.104 L、0.396 L。

系桿吊裝時(shí)浮吊船選用60°仰角、23 m吊幅，其抬吊吊重127×2×0.9=228.6 t，系桿考慮1.1倍動(dòng)荷載系數(shù)為176 t，吊重滿足系桿拆除要求。吊裝時(shí)選用6×37Φ72規(guī)格，破張力250 t，鋼絲繩夾角72°，安全儲(chǔ)備為6倍，鋼絲繩滿足拱肋吊裝要求。

圖4 鋼管拱拱肋拆除側(cè)面布置圖

系桿切割先采用氣割將外包鋼箱切割出切割線，露出混凝土。然后采用鏈?zhǔn)角懈顧C(jī)進(jìn)行切割，系桿切割立面從上到下成“正八字”形，平面上成“正八字”形，平面切割傾角取5°，豎向切割傾角取45°，便于系桿先下放再水平前移后提升，留有足夠空間移運(yùn)出拱肋線。

(2)鋼管拱拱肋拆除

鋼管拱跨度54.8 m，高8.5 m，鋼管拱肋采用Φ700×16 mm鋼管，填充C50混凝土，吊桿采用10根Φ194×16 mm鋼管，風(fēng)撐采用3根Φ402×16 mm鋼管，鋼管內(nèi)填充C40混凝土。單幅橋拱肋、吊桿及風(fēng)撐結(jié)構(gòu)自重共164 t。

鋼管拱拱肋采用兩臺(tái)150 t浮吊一次性吊裝，結(jié)構(gòu)總重164，拆除時(shí)浮吊船選用60°仰角、23 m吊幅，其抬吊吊重127×2×0.9=228.6 t，拱肋、風(fēng)撐、吊桿考慮1.1倍動(dòng)荷載系數(shù)為180.4 t，吊重滿足系桿拆除要求。

吊裝時(shí)采用八點(diǎn)吊，每個(gè)拱肋出設(shè)置四點(diǎn)，采用4根鋼絲繩，每根鋼絲繩分別捆綁兩側(cè)拱肋。鋼絲繩采用6×37Φ56規(guī)格，破張力156 t，安全系數(shù)6.8，鋼絲繩滿足拱肋整體吊裝要求。

圖5 鋼管拱橋拱肋整體拆除側(cè)面布置圖

3 系桿拱橋拆除安全風(fēng)險(xiǎn)控制研究

3.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

系桿拱橋通過(guò)系桿克服拱肋產(chǎn)生的水平推力，自身為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。系桿拱橋分段拆除時(shí)整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了體系變化，受力復(fù)雜，拱肋及系桿均無(wú)法獨(dú)自承受自重。須對(duì)拆除剩余部分結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定、已切割結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)安全穩(wěn)定兩者的不利情況及不利因素進(jìn)行分析并提出控制措施。

表1 拱橋拆除風(fēng)險(xiǎn)分析及控制內(nèi)容

經(jīng)分析，兩種拱橋在系桿及拱肋拆除過(guò)程中，結(jié)構(gòu)整體性差，需重點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)及支撐系統(tǒng)安全穩(wěn)定性控制。

3.2 鋼管混凝土拱橋拆除安全驗(yàn)算

單幅拱橋兩側(cè)系桿分別拆除。先拆除下游側(cè)系桿，再拆除上游側(cè)系桿，采用靜力切割工藝，兩臺(tái)150 t浮吊船進(jìn)行抬吊。

(1)下游側(cè)系桿拆除

下游側(cè)拱系桿切斷后，在自重作用下兩個(gè)拱肋彎矩及剪力均較小，軸力最大2 079 KN<26 266 KN；剩余上游側(cè)系桿彎矩最大321 KN·m<3 627.4 KN·m，剪力113.4 KN<4 075 KN。鋼管拱剩余部分結(jié)構(gòu)內(nèi)力均未超過(guò)抗力值，結(jié)構(gòu)安全。

兩側(cè)拱肋根部分別安裝兩根Φ32精軋螺紋，下游系桿拆除前下游側(cè)兩根精軋螺紋共施加65 T預(yù)緊力。系桿拆除后精軋螺紋拉力增長(zhǎng)至65.6 T，精軋螺紋應(yīng)力滿足拱肋鎖定要求。

(2)上游側(cè)系桿拆除

上游側(cè)系桿拆除前上游側(cè)兩根精軋螺紋共施加65 T預(yù)緊力。上游側(cè)系桿切斷后剩余結(jié)構(gòu)拱肋軸力、彎矩均較小。兩根精軋螺紋內(nèi)力為65 T，拱肋拱腳縱向水平位移較小，僅3 mm，結(jié)構(gòu)安全。

鋼管拱采用臨時(shí)精軋螺紋鎖定，先拆除系桿，再拆除拱肋的工藝，經(jīng)驗(yàn)算拆除過(guò)程自身結(jié)構(gòu)安全，安全儲(chǔ)備較大。

(3)鋼管拱吊裝

鋼管拱肋通過(guò)臨時(shí)精軋螺紋系桿鎖定后進(jìn)行單幅橋兩側(cè)系桿拆除。系桿通過(guò)兩臺(tái)150 t浮吊抬吊，吊點(diǎn)設(shè)置在第2、4、7、9根吊桿根部處，系桿切割長(zhǎng)度48.9 m，切割系桿重量160 T。經(jīng)計(jì)算系桿內(nèi)力最大值位于吊點(diǎn)附近，該系桿在承載能力極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)各控制截面的正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力均滿足規(guī)范要求。

表2 系桿吊裝時(shí)承載能力計(jì)算結(jié)果

鋼管拱肋采用Φ700×16 mm鋼管，填充C50混凝土，單幅橋通過(guò)臨時(shí)精軋螺紋系桿鎖定拱肋后拆除系桿，然后在拱腳位置處切斷兩側(cè)拱肋，混凝土拱肋與吊桿同時(shí)吊裝，采用兩臺(tái)150 t浮吊抬吊，四根鋼絲繩八點(diǎn)吊，分別捆綁兩側(cè)拱肋第2、4、7、9根吊桿頂面根部。

經(jīng)計(jì)算系桿內(nèi)力最大值位于吊點(diǎn)附近，該拱肋在承載能力極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)各控制正截面抗彎承載力、抗剪承載力以及組合應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

表3 鋼管拱肋時(shí)承載能力計(jì)算結(jié)果

3.3 拱橋拆除安全保障措施

(1)拱橋拆除變形觀測(cè)

從橋面拆除施工至系桿拆除，各測(cè)點(diǎn)變形量與理論變形值吻合較好，未出現(xiàn)較大異常變形。系桿的跨中截面累計(jì)最大實(shí)測(cè)變形值為2.0 cm，小于預(yù)警值15 cm。橋梁各拆除施工階段對(duì)拱肋的變形影響不大，拱肋總體變形量較小，利于保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(2)結(jié)構(gòu)預(yù)緊力施加

拱橋在發(fā)生破壞前拱肋、吊桿、系桿形成多次超靜定穩(wěn)定體系，當(dāng)?shù)鯒U切斷后拱肋與系桿的聯(lián)系瞬間消失，會(huì)引其橋梁結(jié)構(gòu)的劇烈振動(dòng)，不利于保證施工安全。拱肋與系桿吊裝時(shí)，在切斷順間，結(jié)構(gòu)重量轉(zhuǎn)移至起重浮吊船，將會(huì)給浮吊船沖擊，因此受力構(gòu)件防止施工過(guò)程振動(dòng)，需在支撐及吊裝過(guò)程施加預(yù)緊力。

混凝土拱拆除過(guò)程，拱肋吊裝時(shí)反吊貝雷梁通過(guò)吊桿施加所承受系桿重量荷載荷載的1.0倍預(yù)緊力；鋼管拱拆除過(guò)程，系桿切斷時(shí)臨時(shí)精軋螺紋施加拱肋水平推力的1.0倍的預(yù)緊力；拱肋、系桿、拱腳等構(gòu)件吊裝時(shí)浮吊船施加結(jié)構(gòu)自重的1.05倍預(yù)緊力。

(3)鋼管拱拱腳鎖定保險(xiǎn)措施

兩側(cè)橋鋼管混凝土拱橋內(nèi)部由拱肋、吊桿、系桿組成，系桿克服拱肋水平推力，為超靜定體系，拱橋整體為靜定體系。拱橋系桿拆除后因墩頂簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)的支座無(wú)法提供水平推力，拱肋將在自重作用下破壞，因此拱肋需先支撐后拆除。

拱肋支撐考慮在系桿拆除前采取臨時(shí)系桿鎖定措施，兩個(gè)臨時(shí)系桿端部各施加65 t力，用于抵消拱肋水平推力。同時(shí)采取拱腳反壓裝置及伸縮縫塞填的保險(xiǎn)措施，確保拱肋在系桿切斷后無(wú)較大的變形。

(4)拱肋橫向剛度提高措施

拱腳位置處切斷兩側(cè)拱肋，混凝土拱肋與吊桿同時(shí)吊裝，采用兩臺(tái)150 t浮吊抬吊，四根鋼絲繩八點(diǎn)吊，分別捆綁兩側(cè)拱肋第2、4、7、9根吊桿頂面根部。

拱肋整體吊裝時(shí)鋼絲繩對(duì)拱肋有向內(nèi)的拉力，為確保拱肋吊裝時(shí)結(jié)構(gòu)安全性，在吊點(diǎn)位置處增加鋼管臨時(shí)風(fēng)撐，以提高拱肋橫向剛度。

(5)構(gòu)件切割安全措施

①在施工區(qū)域設(shè)置兩道防護(hù)屏障，無(wú)關(guān)人員不得進(jìn)場(chǎng)；

②在切割前對(duì)繩鋸機(jī)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，確定設(shè)備運(yùn)行和水源供應(yīng)正常的情況下方可進(jìn)行切除；

③切割時(shí)切割段面內(nèi)禁止人員通行，切割安裝保護(hù)罩，設(shè)置警示標(biāo)志及護(hù)擋板；

④合理設(shè)置切割順序， 防止混凝土崩裂， 切割

斷面和各區(qū)域切割盡量同步，減少?zèng)_擊作用；

⑤切割人員穿防滑鞋，切割時(shí)隨時(shí)清理橋面水泥漿，防止滑倒。

(6)結(jié)構(gòu)吊裝安全措施

①構(gòu)件吊裝時(shí)通過(guò)詳細(xì)計(jì)算模擬，確定吊裝相關(guān)參數(shù)，確保吊裝安全；

②計(jì)算吊點(diǎn)位置，減小不平衡力，確保切割下放過(guò)程中構(gòu)件平穩(wěn)；

③構(gòu)件切斷前施加預(yù)緊力，嚴(yán)格對(duì)下放過(guò)程同步性進(jìn)行控制；

④從切割方式上確保切割斷面平整，防止箱梁在下放過(guò)程中卡??；

⑤在結(jié)構(gòu)吊裝能發(fā)生自由運(yùn)動(dòng)方向采取必要制動(dòng)措施。

4 總 結(jié)

隨著橋梁建設(shè)事業(yè)不斷發(fā)展，舊橋拆除新建愈發(fā)頻繁。針對(duì)運(yùn)河航道內(nèi)無(wú)法搭設(shè)支架難題，研發(fā)了臨時(shí)系桿裝置進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，形成先拆梁再拆拱的施工工藝，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)拆除安全、高效實(shí)施。通過(guò)有限元模型進(jìn)行拆除全施工階段模擬分析，確保拆除及吊裝過(guò)程安全；施工過(guò)程引入拱腳鎖定保險(xiǎn)、拱圈穩(wěn)定、預(yù)緊力施加等措施進(jìn)一步提高拆除施工過(guò)程安全，實(shí)現(xiàn)拱橋拆除全面受控。本工程拱橋拆除關(guān)鍵技術(shù)的成功實(shí)施，可為類似復(fù)雜環(huán)境的橋梁拆除施工提供借鑒。