青口互通跨燃氣管道舊橋拆除施工技術

袁野 孟金懿

摘 要：為滿足交通需求，福州繞城高速青口互通需要拆除后進行原位改擴建。既有互通A、B、C、D四條匝道橋梁下方有一條超高壓天然氣管道橫穿，管道平均埋深約2 m。舊橋拆除期間超高壓天然氣管道需正常運營，為保證管道安全，對于埋深低于2 m，既有梁體距地面高度較高的C匝道第六聯(lián)采用管道柔性防護，搭設橋梁群支架后進行繩鋸分塊切割的綜合支撐防護系統(tǒng)，通過金鋼繩鋸分塊靜態(tài)切割后進行吊裝拆除。本文以此為依托，研究了拆除過程中的支撐防護、監(jiān)測控制方案，進而形成有效的跨燃氣管道施工控制和監(jiān)測機制。

關鍵詞：舊橋拆除;柔性防護;支架法;有限元仿真;靜態(tài)切割

中圖分類號：U445.6文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0070-06

Demolition Construction Technology of Old Bridge Across Gas Pipeline in Qingkou Town

YUAN Ye MENG Jinyi

（Sinohydro Engineering Bureau 8 Co.， Ltd.，Changsha Hunan 410004）

Abstract： In order to meet the traffic demand， Qingkou interchange of Fuzhou Ring Expressway needs to be demolished for in-situ reconstruction and expansion. There are four on-ramp Bridges A， B， C and D， and an ultra-high pressure natural gas pipeline crosses under them. The average buried depth of the pipeline is about 2 meters. The ultra-high pressure natural gas pipeline must be operated normally during the demolition of the old bridge. In order to ensure the safety of the pipeline， the pipeline flexible protection is adopted for the sixth connection of the C ramp where the buried depth is less than 2 meters and the existing beam body is higher than the ground height， the integrated support and protection system of the wire saw block cutting after setting up the bridge group supports， the wire saw block static cutting， lifting and dismantling technology. Based on this， this paper studiesd the support protection， monitoring and control scheme in the process of dismantling， and then formed an effective control and monitoring mechanism for the construction of cross-gas pipeline.

Keywords： old bridge demolition;flexible protection;support method;finite element simulation;static cutting

1 工程背景

既有青口互通為沈海和福銀高速交通轉換的半定向Y形立交橋梁群。隨著交通流量的增加，為形成更好的交通流轉換服務，對該互通進行拆除后原位改擴建。拆除范圍包括2座高架橋、4座匝道橋，總長約2.25 km，混凝土方量約2萬m3。超高壓燃氣管道從互通區(qū)由南向北橫穿舊橋A、B、C、D共4條匝道，燃氣管道規(guī)格為Ф406 mm×7.9 mm，管道材質為L415，設計壓力為7.5 MPa，管道日常運行壓力為6～7 MPa，管道埋深約2 m（管頂至地表），橋梁拆除時燃氣管道不停運，給燃氣管道頂橋跨及鄰近橋跨拆除保護增加了難度[1]。

A、B、D匝道部位燃氣管道埋深較深，均為3 m，橋梁高度較低，約為5 m。該部位拆除采用土牛法進行機械破碎即可[2]。

C匝道第六聯(lián)第1跨位置燃氣管道埋深僅為1.82 m，橋梁高度達13.1 m，舊橋拆除危險系數(shù)很高，存在較大難度[3]。

C匝道第六聯(lián)為五跨現(xiàn)澆預應力混凝土箱梁結構，跨徑組合為18 m+3×23 m+18 m，位于緩和曲線上，曲線半徑為150 m，橋面縱坡為0.7%。下部結構采用柱式墩，起止墩號為26—31，26號和31號墩為雙柱結構，其他墩為單柱墩。箱梁采用等高單箱三室空心板梁，截面高1.3 m，底板寬4.5 m，橋面寬9 m。天然氣管道從第一跨底下穿越。C匝道于2004年竣工并投入使用，其第六聯(lián)現(xiàn)場如圖1所示。

2 拆除實施思路

C匝道第六聯(lián)位于曲線段，豎向坡度大，橋梁墩柱較高，橋梁的構造簡單，結構尺寸小，配筋小，剛度小，富裕承載力小，拆除過程中易出現(xiàn)較大變形和傾覆[4]。橋下超高壓燃氣管道埋設淺，拆除過程中物體墜落會對燃氣管道形成破壞[5]。為保證橋梁拆除安全，經(jīng)有限元仿真分析、塌落振動控制分析及多方案論證后，采取管道柔性防護，梁體第一、二孔搭設鋼管貝雷架全封閉防護，其余三孔采用鋼管分配梁支架作為支撐的防護措施，先鑿除橋面鋪裝，對稱切除防撞護欄、翼緣后再進行梁體拆除。梁體利用金剛石繩鋸首先沿跨中切開，再沿跨中至墩頂方向依次切割，按照5 m一個節(jié)段依次切割、吊裝，切除的梁段落于支架上，最后用吊車起吊運輸至指定位置進行破碎?？缛細夤艿琅f橋拆除工藝如圖2所示。

3 舊橋拆除施工方案

3.1 拆除順序確定

根據(jù)待拆除橋梁的結構特點，先將翼緣拆除減輕結構自重后，剩余部分結合預應力砼連續(xù)箱梁的受力沿縱向切割線分解為兩部分進行切割拆除，按縱坡從高到低的順序依次從外側到內側拆除。切割后新梁體面積A=1.945 m2，每米單位重約為5.2 t，按5 m一段拆除，單段重量為26 t。橋梁拆除順序如圖3所示，拆除過程中空心板式梁截面變化如圖4所示，橋梁拆除吊裝如圖5所示。

3.2 綜合防護系統(tǒng)設計及施工

為了保證拆除時墜物不對天然氣管道造成影響，管道所處第一孔底下設覆土2 m，管道兩側2 m、順管道方向12 m范圍布置一層輪胎防墜物沖擊。第一、二孔采用搭設鋼管貝雷架作全封閉防護，其余三孔采用鋼管分配梁支架作為支撐。綜合防護系統(tǒng)總平面布置情況如圖6所示。

墩位26—27、27—28兩孔箱梁拆除支架采用Φ630 mm×10 mm鋼管立柱，相鄰管柱中心距為2.67 m，立于既有承臺上。管柱沿高度方向設置2道扶臂，扶臂通過抱箍與主體墩柱連接成整體。Φ630 mm×10 mm鋼管樁頂布置2H600×200橫向分配梁，兩側懸臂部分采用2[32b型鋼斜撐。分配梁頂架設321型單層加強型貝雷梁（18 m跨為單層不加強型貝雷梁），共設置12榀，相鄰貝雷梁安裝豎向、橫向支撐架。貝雷梁頂設置工形16小橫梁，小橫梁頂部設置10 cm×10 cm木方與竹膠板。橋梁橫坡通過木方加木楔塊調整，縱坡通過兩端鋼管樁頂標高進行調整。支架斷面布置如圖7所示。

墩位28—31三孔箱梁拆除支架采用Φ630 mm×10 mm鋼管立柱，相鄰管柱中心距為2.67 m，立于已有承臺上。管柱沿高度方向設置2道扶臂，扶臂通過抱箍與主體墩柱連接成整體。Φ630 mm×10 mm鋼管樁頂布置2H600×200橫向分配梁，兩側懸臂部分采用2[32b型鋼斜撐。橫向分配梁與梁底之間間距約10 cm，采用鋼墊塊與橡膠板支座抄墊。橋梁橫坡通過木方加木楔塊調整，縱坡通過兩端鋼管樁頂標高進行調整。

采用容許應力法，通過MIDAS軟件建立模型分別驗算支架的強度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求后予以實施。

3.3 全過程仿真分析

舊橋拆除在結構計算、梁體應力變化、施工過程等方面尚無成熟經(jīng)驗，其難點主要有以下三點。其一，舊橋拆除支架無法通過預壓來消除支架及地基的非彈性變形，無法檢驗支架的強度、剛度、穩(wěn)定性以及地基的承載力，拆除過程中作用于支架上的荷載不同于現(xiàn)澆中載荷的均勻控制，而屬于突變的過程。其二，橋梁在切割拆除時，隨著預應力筋割斷，預應力得以釋放，但由于孔道內灌漿料與鋼束間的黏結作用，在鋼束被割斷后，橋梁結構內仍有殘余預應力，殘留的預應力對梁體和支撐系統(tǒng)存在的影響難以定量分析。其三，在橋梁拆除過程中，控制截面內力不斷變化，結構體系不斷轉換，內力重新分配及支撐部件之間的空間傳力過程難以控制。

針對以上問題，采用MIDAS Civil軟件進行有限元仿真計算，建立包含上部梁體、貝雷梁及鋼管柱支撐系統(tǒng)的整體模型。將橋梁拆除施工過程中不同階段簡化為不同的力學模型，進行仿真分析，預測拆除過程中剩余結構行為，分析拆除全部過程的結構響應。利用單元的激活和鈍化來模擬拆除全部過程和結構體系轉換。通過對橋梁分段后體系變化、傾覆穩(wěn)定性、梁體受力和變形、支撐系統(tǒng)受力和變形等方面進行分析，得出橋梁在主跨切斷后剩余橋梁穩(wěn)定性及預應力損失量，確定橋梁與支架變形預警控制值。C匝道第六聯(lián)梁體整體有限元模型如圖8所示，C匝道第六聯(lián)整體有限元模型如圖9所示。

有限元仿真計算主要分析以下內容：①成橋及拆除階段梁體的受力與變形;②初始狀態(tài)自重下及拆除階段最不利工況貝雷梁和鋼管立柱支撐系統(tǒng)的受力和變形;③分別計算預應力殘留40%、60%、70%、80%、100%五種狀態(tài)下預應力效應梯度值。

3.4 安全監(jiān)控措施

塌落振動控制，超高壓天然氣管道設計抗震烈度為7級，跨管道處舊橋拆除切割若出現(xiàn)塌落，會對地面產(chǎn)生沖擊振動，影響燃氣管道安全。切割塌落的振動計算參照爆破塌落進行分析計算，爆破塌落時沖擊地面引起的振動大小與其質量、重心高度和觸點土層的剛度有關。根據(jù)中國科學院力學研究所經(jīng)驗公式，建筑物塌落作用地面造成的振動速度計算公式為：

[Vt=KtRMgH/σ13β]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[M]為下落構件的質量，t;[H]為構件重心高度，取13.1 m;[R]為重心高度落點處距被保護對象的距離，取14.92 m;[σ]為地面介質的破壞強度，一般取10 MPa;[g]為重力加速度，取9.8 m/s2;[β]為衰減指數(shù)，取-1.66;[Kt]為衰減系數(shù)，取3.37;[Vt]為振動速度，根據(jù)相關文獻及專家建議，選取的[Vt]應小于等于2 cm/s。據(jù)此計算最大切割質量取值小于等于101 t。

4 應力監(jiān)控技術

利用有限元仿真模擬拆除過程，針對最不利工況和最不利位置，確定控制截面，布置監(jiān)測點，通過多種類型傳感器檢測應力應變。通過數(shù)據(jù)監(jiān)測后達到預警值，然后暫停作業(yè)，分析原因、制定對策并實施，最后回歸預警值控制范圍等監(jiān)測流程，進行動態(tài)監(jiān)測。

4.1 梁體應力監(jiān)測

對上部梁體在第一、二跨處各布置一個應力監(jiān)測斷面，分別位于相應跨的跨中截面，每個截面布置4個應力測點。C匝道第六聯(lián)應力監(jiān)測斷面如圖10所示，C匝道第六聯(lián)應力測點布置如圖11所示。

4.2 貝雷梁應力應變監(jiān)測

現(xiàn)場貝雷梁位于高空，受限于測試條件，在左、右跨的跨中各布置一個應力監(jiān)測點。將應變傳感器沿結構主受力方向布置在貝雷梁下弦桿上。貝雷梁受力變形時，對應力監(jiān)控點連續(xù)施測。貝雷梁監(jiān)測平面圖如圖12所示，貝雷梁監(jiān)測立面圖如圖13所示。

4.3 監(jiān)控數(shù)據(jù)及分析

4.3.1 監(jiān)控數(shù)據(jù)。將C匝道第六聯(lián)梁體、貝雷梁應力實測數(shù)據(jù)與有限元初始理論數(shù)據(jù)結合，得到換算后的真實應力應變匯總表，如表1、表2、表3所示。C匝道第六聯(lián)殘留預應力分析如圖14所示。

4.3.2 數(shù)據(jù)分析。研究數(shù)據(jù)分析表明：①實測最大拉應力為0.81 MPa，表明梁體在整個拆除過程中，只是部分削弱了成橋狀態(tài)時的預應力效果，大部分混凝土仍處于受壓狀態(tài)，少部分混凝土產(chǎn)生了拉應力，未達到混凝土受拉極限，在梁體拆除過程中不會出現(xiàn)混凝土開裂情況;②支撐系統(tǒng)貝雷梁應力最大增幅為62.81 MPa，表明梁體在殘留的預應力和相鄰其他聯(lián)跨的協(xié)同受力綜合作用下，大部分重量通過結構自身和橋墩形成的穩(wěn)定結構來承擔，而傳遞到貝雷梁和鋼管立柱構成的支撐系統(tǒng)的荷載并不大，因而貝雷梁和鋼管立柱應力增加的幅度較小;③孔道壓漿質量一般，實測數(shù)據(jù)與計算的60%殘留預應力比較接近，殘留的預應力仍然能發(fā)揮良好的效果。

5 結論

跨燃氣管道C匝道第六聯(lián)拆除歷時16 d完成，其中，柔性防護及全封閉支架搭設耗時7 d，分塊切割拆除耗時4 d，支架拆除及梁體破碎耗時5 d。拆除過程中，燃氣管道一直處于安全狀態(tài)。

跨燃氣管道舊橋拆除，管道采用柔性防護后梁體鋼管樁+貝雷架支撐的全封閉的綜合防護，拆除時按照自上而下逆作順序，經(jīng)塌落振動控制計算有效控制切割分塊重量后，以5 m一段通過金剛繩鋸逐塊切割工藝，可安全高效地完成橋梁的拆除。

采用有限元仿真分析技術模擬施工全過程，設置各施工階段梁體、支撐系統(tǒng)的預警值，結合現(xiàn)場監(jiān)測手段，對梁體及支架的真實受力狀況進行實時對比分析、驗證，能使整個拆除施工過程處于可控狀態(tài)。

對支撐系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和殘留預應力數(shù)據(jù)進行分析可知，梁體分塊切割后，在殘留預應力的作用下，大部分重量通過結構自身和橋墩形成的穩(wěn)定結構來承擔，傳遞到臨時支架上的荷載相對較小，可作為類似橋梁拆除的支撐支架設計依據(jù)。

參考文獻：

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