大型公鐵兩用橋梁維修改造施工組織設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

陳利民，劉錦軍，劉光輝，俞侃敏

(上海東華地方鐵路開發(fā)有限公司，上海 200070)

對(duì)大型鐵路橋梁維修改造的施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化能在一定程度上縮短工期，降低對(duì)既有線的影響，減少給鐵路運(yùn)營帶來的壓力；同時(shí)也可以使用一些更好的施工方法，實(shí)現(xiàn)更大可能的機(jī)械化，減少勞動(dòng)力的使用；也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)某些不安全因素，采取更好的應(yīng)對(duì)方法，消除安全隱患，減少安全事故[1]。

國外建筑行業(yè)系統(tǒng)化起步較早，系統(tǒng)化理論較國內(nèi)更趨于成熟。國外對(duì)施工組織設(shè)計(jì)也有足夠的重視，不僅僅局限于對(duì)施工方法和技術(shù)方案的敘述，他們的施工組織設(shè)計(jì)能深入各個(gè)層次，對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)地、全面地闡述，并且伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)軟件的出現(xiàn)使得施工組織設(shè)計(jì)更高效、更全面、更合理。一些發(fā)達(dá)國家也注重于新技術(shù)、新工藝、新材料的運(yùn)用，使工程建設(shè)的技術(shù)含量不斷提高，他們還非常重視將最新的研究成果應(yīng)用到工程實(shí)踐中，使其從研究所和實(shí)驗(yàn)室走向企業(yè)，由理論變?yōu)閷?shí)際，最終轉(zhuǎn)化成更先進(jìn)的生產(chǎn)力。

國內(nèi)建筑行業(yè)在上世紀(jì)建國之后才開始在一些大型工程中使用施工組織設(shè)計(jì)，相比于國外，國內(nèi)建筑行業(yè)系統(tǒng)化起步較晚，系統(tǒng)化理論還有很長的路要走。改革開放之后，國內(nèi)很多學(xué)者都對(duì)施工組織設(shè)計(jì)方案進(jìn)行過研究，引進(jìn)了國外較先進(jìn)的技術(shù)，使得國內(nèi)建筑行業(yè)與國際接軌，施工組織設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化也取得了一定的進(jìn)展。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

南京長江大橋于1968年建成通車，是長江上第一座由中國自行設(shè)計(jì)和建造的雙層式公鐵兩用特大橋梁。上層公路橋連通104國道、312國道等跨越長江的公路網(wǎng)，公路橋部分由北岸引橋、正橋、南岸引橋和回龍橋四部分組成；下層鐵路橋?yàn)榫F路大干線跨越長江的重要通道。距離此次維修改造(2016年起)已運(yùn)營了將近50 a，上層公路橋作為南京市唯一免費(fèi)的過江通道，引得眾多私家車、貨車爭(zhēng)相由南京長江大橋過江，再加上貨車超載現(xiàn)象嚴(yán)重，公路橋部分損壞嚴(yán)重，為了橋梁安全急需進(jìn)行維修改造。

本工程的施工區(qū)域位于鐵路線正上方，由于南京長江大橋鐵路線為京滬鐵路大干線，運(yùn)輸繁忙，鐵路運(yùn)營不能中斷，為不影響鐵路正常運(yùn)營，需要在公路橋面和鐵路線之間搭設(shè)防護(hù)棚架，作為施工區(qū)域與鐵路線的隔離面，同時(shí)也承擔(dān)施工作業(yè)平臺(tái)的作用。防護(hù)棚架在鐵路封鎖點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行搭設(shè)，搭設(shè)完成后，公路橋的維修改造均在防護(hù)棚架上方進(jìn)行，施工區(qū)域距離接觸網(wǎng)帶電部分距離均大于2 m，滿足接觸網(wǎng)不停電施工的要求，能保證鐵路運(yùn)營和施工的安全[2]。

1.2 橋面系拆除方案

根據(jù)前期情況調(diào)查，原橋面板為預(yù)制250號(hào)陶粒鋼筋混凝土，板厚13 cm，在支點(diǎn)位置(鋼縱梁)加厚，設(shè)有1.5 %的雙向橫坡[3]；原板間濕接縫為300號(hào)陶粒鋼筋混凝土；橋面鋪裝為7 cm厚瀝青混凝土；人行道板為預(yù)制200號(hào)陶粒鋼筋混凝土；橋面板下有11根鋼縱梁，2根為一組，中間3根為一組，每組縱梁在支點(diǎn)及跨中用[30#槽鋼連接作為橫撐。橋面系拆除時(shí)按照以下步驟進(jìn)行：

橋面系拆除時(shí)應(yīng)首先拆除人行道部分，包括欄桿、人行道板、防撞護(hù)欄、路緣石等，并加強(qiáng)對(duì)人行道下有無管線、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等的檢查和檢測(cè)。然后銑刨橋面鋪裝層，檢查行車道板的完整程度，放樣行車道板劃分板塊，按照放樣的板塊大小、重心位置等設(shè)置吊點(diǎn)并切割。然后利用隔離防護(hù)棚架作為施工平臺(tái)，解除行車道板與公路縱梁的錨固連接。利用橋面吊裝設(shè)備將行車道板吊離橋面并運(yùn)輸至橋下。最后利用隔離防護(hù)棚架作為施工平臺(tái)，解除公路縱梁與橫梁間的螺栓錨固連接，利用橋面吊裝設(shè)備將公路縱梁吊離橋面并運(yùn)輸至橋下。橋面板吊裝拆除由橋中心向兩側(cè)進(jìn)行，全斷面分為兩個(gè)工作面，相互錯(cuò)開30 m以上的距離。

橋面板病害按程度可以分為四種：特別嚴(yán)重、嚴(yán)重、較嚴(yán)重和一般。根據(jù)不同的病害程度，橋面板的拆除方案也不一樣。損壞特別嚴(yán)重的橋面板需在底部搭設(shè)支護(hù)平臺(tái)，用風(fēng)鎬或電鉆在原位進(jìn)行破碎，然后再將碎塊清除。損壞嚴(yán)重的橋面板在底部加設(shè)安全網(wǎng)等防護(hù)措施，并設(shè)置吊裝扁擔(dān)，然后吊裝至平板車上運(yùn)至橋下。損壞較嚴(yán)重的橋面板對(duì)裂縫進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)后再分塊吊裝拆除。對(duì)損壞程度一般的橋面板直接在其上布置四個(gè)吊點(diǎn)正常吊裝拆除。

分塊切割吊裝時(shí)橋面板橫橋向劃分為如圖1所示的四個(gè)區(qū)域，縱橋向每隔1.8 m設(shè)置一條橫縫，先對(duì)橋面鋪裝層進(jìn)行銑刨再吊裝拆除。

圖1 橋面板劃分情況(單位:cm)

2 橋面板拆除施工方案優(yōu)化

原橋面板拆除工作是本工程的主要工作之一，若能快速、安全地拆除原正橋橋面板，則可以在一定程度上縮短工期。

2.1 原計(jì)劃拆除方案

原施工方案提出了四種不同的橋面板拆除方法。

2.1.1 吊裝拆除

在橋面板病害程度一般的情況下，檢查橋面板大部分處于完好及一般狀態(tài)，則可以將橋面板分塊劃分、切割，然后直接吊裝拆除。

2.1.2 橋面板注漿加固

當(dāng)檢查橋面板存在較嚴(yán)重的開裂病害時(shí)，檢查裂縫是否反射至頂板，是否存在貫穿現(xiàn)象，若局部發(fā)展且并無貫穿現(xiàn)象，則采用注漿法灌注環(huán)氧樹脂砂漿，待橋面板補(bǔ)強(qiáng)后，再進(jìn)行分塊切割、吊裝拆除。

2.1.3 兜吊法拆除

對(duì)于病害嚴(yán)重的區(qū)域，為防止混凝土塊掉落，對(duì)橋面板進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)后，在下方設(shè)置扁擔(dān)，利用扁擔(dān)的荷載傳遞，消除吊裝過程中混凝土板的懸臂狀態(tài)，避免橋面板失穩(wěn)，造成防護(hù)棚架的破壞而影響下方列車的行車安全。

2.1.4 原位破碎拆除

當(dāng)混凝土橋面板破損特別嚴(yán)重，無法進(jìn)行整體吊裝時(shí)，利用橋面板下方的鋼縱梁搭設(shè)臨時(shí)吊掛支護(hù)平臺(tái)，φ48×3.5 mm鋼管支撐于鋼縱梁翼緣上方，搭設(shè)橫桿及豎桿，采用扣件固定牢固，其中豎桿與橋面板頂緊，作為橋面板拆除時(shí)的臨時(shí)支點(diǎn)；在最上方橫桿上鋪設(shè)50 mm厚松木腳手板，采用低碳鋼絲綁扎牢固；鋼管節(jié)點(diǎn)處板與板之間的間隙采用棉絮塞緊封堵，避免混凝土碎塊掉入下方棚架上[4]。采用風(fēng)鎬沿破損裂縫逐塊破碎鑿除，鑿除過程中，先拆除大懸臂部分，再沿縱向平行拆除，同時(shí)避免一次性大塊鑿除，利用豎桿支點(diǎn)，依次破碎鑿除[5]。鑿除時(shí)，及時(shí)清理破碎混凝土塊，避免支護(hù)平臺(tái)上荷載集中。

2.2 橋面板拆除施工優(yōu)化

由以上拆除方法可以看出：在橋面板病害較嚴(yán)重時(shí)，給橋面板裂縫注漿需要花費(fèi)較多時(shí)間；在橋面板病害嚴(yán)重時(shí)，在橋面板下方設(shè)置扁擔(dān)也需要較多時(shí)間；在橋面板病害特別嚴(yán)重時(shí)，在橋面板下方搭設(shè)臨時(shí)吊掛支護(hù)平臺(tái)、用風(fēng)鎬鑿除橋面板費(fèi)時(shí)費(fèi)力；甚至對(duì)橋面板病害程度的檢查和劃分都需要大量時(shí)間和人力。除開橋面板病害一般情況下的直接吊裝拆除，其他情況下拆除橋面板都需要花費(fèi)大量時(shí)間和人力物力，這就造成施工工期的延長，阻礙了后續(xù)工序的進(jìn)行，所以需要一種施工方法來縮短該工序的工期，在這種情況下，提出 “吊籃方案”對(duì)原施工方案進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況設(shè)想了吊籃方案，模型見圖2。

圖2 吊籃方案簡(jiǎn)化模型

吊籃方案為加勁板式結(jié)構(gòu)，受力框架為加勁板，橫縱向均設(shè)有6塊加勁板，所有節(jié)點(diǎn)均為焊接形式，其上焊接一塊薄鋼板就形成了“籃底”。

2.3 吊籃各部位材料及尺寸初步擬定

根據(jù)正交異性橋面板的材料情況，為不增加材料種類，這里加勁板、薄鋼板均采用Q345B鋼材，屈服強(qiáng)度為345 MPa，容許應(yīng)力值為230 MPa；加勁板翼緣和腹板厚度為8 mm，翼緣寬30 mm，總高度為30 mm，縱向長度為2 m，橫向長度根據(jù)橋面板縱梁間距不同分別設(shè)置為1.9 m和2 m；薄鋼板厚度為3 mm；吊索(鋼絲繩)采用GB/T 34198-2017《起重機(jī)用鋼絲繩》規(guī)定的6×19-WSC結(jié)構(gòu)，公稱抗拉強(qiáng)度等級(jí)為1 960 MPa的鋼芯鋼絲繩，公稱直徑為9 mm，最小破斷拉力為52.7 kN，長度為2.5 m，每100 m重量為30.9 kg。

2.4 吊籃所受荷載及工況

吊籃所受荷載主要為自重和橋面板，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不考慮風(fēng)荷載和溫度荷載。在考慮吊籃重復(fù)使用的情況下，還要保證吊籃在和橋面板在運(yùn)輸過程中不被損壞，所以吊籃有兩種受力工況。

(1)工況一：吊籃在吊裝橋面板過程中，所受荷載為自重+橋面板荷載，邊界條件為起重機(jī)通過4根吊索提起吊籃。

(2)工況二：由于未將吊籃取出，所以運(yùn)輸車將橋面板和吊籃一起運(yùn)送，橋面板放置于車廂內(nèi)，在運(yùn)輸過程中受到各種失效力，這些失效力都通過車廂底部的吊籃與車廂產(chǎn)生的摩擦力來抵消，所以吊籃在車廂上會(huì)受到橋面板的壓力和車廂的摩擦力。邊界條件是吊籃直接放置于自卸車車廂上。

3 吊籃建模及受力分析

吊籃的寬度根據(jù)橋面板縱梁間距不同而有兩種情況，在進(jìn)行受力分析時(shí)應(yīng)選擇最不利情況進(jìn)行，因此只對(duì)吊籃寬度為2 m的情況進(jìn)行分析。

3.1 工況一建模與受力分析

根據(jù)GB 50017-2014《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)受彎構(gòu)件的要求，需要對(duì)加勁板的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性以及焊縫的強(qiáng)度和吊索的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

(1)如圖3所示，建立吊籃模型，將“籃底”36個(gè)節(jié)點(diǎn)均設(shè)置為剛性約束，將“籃底”的薄鋼板建成薄殼，將吊索交點(diǎn)設(shè)置成固定鉸支座約束。

圖3 工況一條件下的計(jì)算模型

(2)荷載施加：橋面板荷載施加在“籃底”薄鋼板上，形成了均布荷載，經(jīng)換算均布荷載為0.006 86 N/mm2，此均布荷載施加在薄鋼板殼體上的形式是傳荷到框架的均布荷載，吊籃自重交由軟件自行考慮。

3.2 工況二建模與受力分析

在運(yùn)輸過程中，橋面板會(huì)受到各種失效力的作用，其中包括：制動(dòng)慣性力、迎風(fēng)阻力、強(qiáng)側(cè)風(fēng)阻力、轉(zhuǎn)彎離心慣性力、上下坡狀態(tài)的下滑力、車輛橫傾的下滑力、由于道路縱向不平順產(chǎn)生的垂向沖擊力。根據(jù)前人對(duì)公路運(yùn)輸技術(shù)的研究，貨物在運(yùn)輸時(shí)受到的縱向失效力主要考慮制動(dòng)慣性力和上下坡狀態(tài)的下滑力，迎風(fēng)阻力可以忽略不計(jì)；橫向失效力主要考慮車輛橫傾的下滑力，強(qiáng)側(cè)風(fēng)阻力可以提前預(yù)知天氣避免(而且本工程運(yùn)輸時(shí)有車廂側(cè)壁做阻隔)，轉(zhuǎn)彎慣性離心力可以忽略；垂向失效力主要考慮由于道路不平順產(chǎn)生的沖擊力。

在最不利狀態(tài)下，應(yīng)該同時(shí)考慮制動(dòng)慣性力(沿著前進(jìn)方向)、下坡下滑力(沿著前進(jìn)方向)、橫向下滑力(沿著車輛前進(jìn)方向的橫向)和垂向沖擊力(垂直向下)，這些力都被底層吊籃與車廂之間的作用力抵消。根據(jù)要求，需要對(duì)加勁板的強(qiáng)度和焊縫強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

3.2.1 模型建立

如圖4所示，建立放置在車廂內(nèi)的吊籃模型，在加勁板方下設(shè)置密集的支座，以此作為該模型的邊界條件。

圖4 工況二條件下的計(jì)算模型

3.2.2 荷載施加

吊籃上部橋面板加上吊籃的質(zhì)量總共有4 504 kg，最大制動(dòng)慣性力為4504×7.35=33104.4N，最大下坡下滑力為4504×0.882=3972.53N，最大橫向下滑力為4504×1.415=6373.16N，最大垂向沖擊力為4504×2.94=13241.76N，將這些力換算成均布面荷載或線荷載施加在吊籃上。

3.2.3 受力分析

根據(jù)運(yùn)行結(jié)果顯示，加勁板上的最大應(yīng)力為147.12 MPa，小于230 MPa；焊縫處的最大應(yīng)力為147.14 MPa，小于焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值200 MPa。

4 吊籃尺寸改進(jìn)與方案選擇

4.1 吊籃尺寸改進(jìn)

經(jīng)建模計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)吊籃強(qiáng)度在工況一與工況二的受力情況下均剩余較多，為充分利用材料性能，減少材料浪費(fèi)，需要對(duì)吊籃尺寸進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。同時(shí)改變加勁板尺寸和數(shù)量，為了增加加勁板腹板穩(wěn)定性，將加勁板總高度改成25 mm，其他不作改變，橫縱向各4塊加勁板，加勁板間距變成66.67 cm。然后進(jìn)行受力分析，得出結(jié)果，在工況一的受力情況下，加勁板最大應(yīng)力為183.12 MPa，最大豎向位移為2.570 mm，焊縫處最大應(yīng)力為172.63 MPa，均在容許值內(nèi)；在工況二的受力情況下，加勁板最大應(yīng)力為201.51 MPa，焊縫處最大應(yīng)力為191.42 MPa，也均在容許值內(nèi)。

4.2 吊籃方案與原方案對(duì)比

吊籃方案可以針對(duì)破損程度為較嚴(yán)重、嚴(yán)重和特別嚴(yán)重的橋面板進(jìn)行拆除，也就是說吊籃方案可以取代橋面板注漿加固法、兜吊法和原位破碎拆除法，因此可以從施工效果、工作量和施工效率這三方面將吊籃法和原施工方法進(jìn)行對(duì)比[6]。

(1)施工效果方面，橋面板注漿加固法是給損害嚴(yán)重的橋面板灌注環(huán)氧樹脂砂漿，對(duì)橋面板裂縫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，之后再分塊切割、吊裝拆除，這種方法的關(guān)鍵在于樹脂砂漿能否順利的流動(dòng)到裂縫的各個(gè)角落，然而橋面板破損嚴(yán)重時(shí)，裂縫非常復(fù)雜，樹脂砂漿流通效果難以保證，即使樹脂砂漿能流動(dòng)到裂縫的各個(gè)角落，也難以保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)形成足夠的強(qiáng)度，而吊籃法經(jīng)過強(qiáng)度復(fù)核驗(yàn)算、工廠質(zhì)量檢測(cè)，施工效果能得到很好的保證[7]。

(2)工作量方面，雖然在工廠預(yù)制吊籃工作量較大，但不影響現(xiàn)場(chǎng)施工，相比于注漿加固法，吊籃法不需要對(duì)橋面板裂縫特征進(jìn)行復(fù)核和處理；相比于兜吊法，吊籃法既省去了對(duì)裂縫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的工作，也不需要現(xiàn)場(chǎng)安裝兜吊扁擔(dān)；相比于原位破碎拆除法，吊籃法省去了下方支護(hù)平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)安裝、用風(fēng)鎬對(duì)橋面板破碎、橋面板碎塊裝車等工序[8]。吊籃法在現(xiàn)場(chǎng)的額外工序只需要開設(shè)牽引孔、牽引吊索、提升吊籃、安裝防護(hù)欄，而這些工序都是很簡(jiǎn)單、很容易實(shí)現(xiàn)的。

(3)施工效率方面，經(jīng)計(jì)算吊籃法拆除一塊橋面板(從開設(shè)牽引孔開始到橋面板吊裝至自卸車上)需要3 h，而用原位破碎拆除法拆除單塊橋面板(從下方支護(hù)平臺(tái)安裝到支護(hù)平臺(tái)拆除)需要將近6 h，注漿加固法和兜吊法更是需要十幾個(gè)小時(shí)等待環(huán)氧樹脂固化，所以吊籃法的施工效率明顯高于其他方法[9]。

5 結(jié)束語

施工組織設(shè)計(jì)關(guān)系到一個(gè)工程能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)順利完工，關(guān)系到項(xiàng)目的盈虧，關(guān)系到施工作業(yè)人員的生命健康安全，甚至關(guān)系到企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力下能否生存，因此一份好的施工組織設(shè)計(jì)對(duì)企業(yè)、對(duì)項(xiàng)目或者現(xiàn)場(chǎng)員工都是非常重要的，而一份好的施工組織設(shè)計(jì)離不開施工組織設(shè)計(jì)優(yōu)化，本文以南京長江大橋公路橋的維修改造施工組織設(shè)計(jì)為例，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，效果明顯[10]。同時(shí)，在利用SAP2000對(duì)吊籃方案進(jìn)行建模分析時(shí)，筆者未能對(duì)運(yùn)輸過程的邊界條件做出細(xì)致的模擬，這一點(diǎn)還有待改進(jìn)。