基于汽車吊和車載移動(dòng)支撐的吊桿拱橋快速移運(yùn)拆除

羅松， 張軍雷， 朱世峰*， 高望

(1.武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司， 武漢 430071； 2.公路與橋梁高效養(yǎng)護(hù)及安全耐久國家研究中心， 武漢 430071)

高速公路作為推動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的主要基礎(chǔ)設(shè)施[1]，應(yīng)具有滿足交通發(fā)展需要的基本屬性。隨著中國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，部分既有道路已不能滿足交通需求[2-5]，亟需改擴(kuò)建。路基的加寬(車道數(shù)量的增加)使得原有上跨天橋不滿足跨徑要求，該類天橋拆除具有專業(yè)技術(shù)含量高、交通倒改協(xié)調(diào)難度大和安全問題突出等特點(diǎn)[6-7]。現(xiàn)有的橋梁拆除施工技術(shù)及工藝引起道路封閉造成的大量油料等資源損耗和周圍道路的交通擁堵，甚至于交通事故及人員傷亡事故屢見不鮮[8-10]。另外，由于吊桿拱橋運(yùn)營狀態(tài)難以準(zhǔn)確評估，使得近年來的運(yùn)營期吊桿拱橋事故時(shí)有發(fā)生，該類舊橋拆除施工更是存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)，稍有不慎將產(chǎn)生災(zāi)難性后果。借鑒智能建造技術(shù)及其實(shí)踐成果，提高橋梁拆除施工的高效性、可靠性、安全性和性價(jià)比勢在必行[11]。因此，選定可提升吊桿拱橋拆除智能化水平的施工方案及裝備具有重要的工程意義和社會價(jià)值。

常用的爆破和機(jī)械鑿除等拱橋拆除方法橋下交通封閉時(shí)間長，粉塵、固廢、振動(dòng)和噪聲污染大，且廢渣清運(yùn)耗時(shí)長，不利于周邊的環(huán)保和居民的安全與健康[9,12-13]。梁體爆破塌落也極易造成下方管線、交通安全設(shè)施、既有路面及其周圍結(jié)構(gòu)設(shè)施等的損毀，碎渣飛濺的安全防護(hù)困難[10]；機(jī)械鑿除需一次性動(dòng)用數(shù)量眾多的機(jī)械設(shè)備、調(diào)度復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高[9-10]。

為完善吊桿拱橋快速安全拆除技術(shù)，依托沈海高速K3254+987跨線吊桿拱橋拆除工程，開展汽車吊+車載移動(dòng)支撐式快速拆除方法和設(shè)備的研究，采用研制的智能化車載移動(dòng)支撐式移除設(shè)備及其施工工藝，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下吊桿拱橋拆除施工的安全、快速高效、低環(huán)境影響和節(jié)能環(huán)保。通過提升拆除施工效率和安全性，便可精準(zhǔn)預(yù)測施工時(shí)長，結(jié)合高速公路出行距離特征分析，可為交通倒改方案的精準(zhǔn)化制定提供堅(jiān)實(shí)的依據(jù)，豐富橋梁拆除技術(shù)體系，綜合提高高速公路通行能力和服務(wù)水平[14-15]。

1 工程概況

沈海高速開陽段改擴(kuò)建工程將原來雙向四車道改擴(kuò)建為雙向八車道，路基寬度由28 m擴(kuò)建為42 m，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，主要采取沿舊路兩側(cè)拼接加寬，保持舊路平縱斷面不變的擴(kuò)建方案，同時(shí)對舊橋路進(jìn)行維修加固及上跨天橋的拆除重建。其中，K3254+987高架橋?yàn)橹谐惺降冉孛鎽益溇€無鉸吊桿拱橋，跨徑 43 m，矢跨比1/4.5，拱肋高 1.3 m，寬0.8 m，拱軸系數(shù)1.756，拱肋為鋼筋混凝土材料。橋跨與高速公路正交，梁底凈空6.66 m。吊桿采用Φ32 mm的精軋螺紋鋼，YGM型錨頭，精軋螺紋鋼設(shè)計(jì)強(qiáng)度σs=750 MPa。邊跨寬為9.7 m實(shí)心板，吊桿之間為跨徑2.6 m的連續(xù)板。行車道系縱向連續(xù)，主跨橋面為縱橫梁體系。橋梁概況見圖1所示，因其下高速公路拓寬，該橋跨徑已不能滿足要求，故需拆除。

2 拱橋快速移除施工技術(shù)

2.1 拱橋拆除方法比選

通過保護(hù)既有拱橋下方路面和中央分隔帶(綠化、交安設(shè)施及管線等)在拱橋拆除過程中安全無損，提高高速公路的改擴(kuò)建效率，縮短總工期，將具有較好的應(yīng)用前景。調(diào)查研究表明，爆破方法、機(jī)械鑿除法和切割拆除法等均難以奏效[6,9-10]?；诰G色、快速施工理念，提出汽車吊拆除拱肋和梁體預(yù)切割后的車載移動(dòng)支撐快速移除跨路部分主梁相結(jié)合的方法，并與傳統(tǒng)切割拆除法進(jìn)行對比分析，見表1所示。

分析表1可知，汽車吊拆除拱肋和梁體預(yù)切割后的車載移動(dòng)支撐快速移除跨路部分主梁相結(jié)合的方法，可實(shí)現(xiàn)安全、快捷、環(huán)保施工，最大程度地滿足高速改擴(kuò)建工程總體工期計(jì)劃和既有交通需求，交通影響、社會影響和環(huán)境影響最低，多方面均具有較好的可行性。

表1 各拆除方法對比分析表

2.2 汽車吊與車載移動(dòng)支撐式快速移除相結(jié)合的方法

為確保中承式等截面懸鏈線無鉸吊桿拱橋在短時(shí)間封閉交通的條件下完成安全、快速、環(huán)保拆除，基于標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、自動(dòng)化和快速化施工理念，提出汽車吊與車載移動(dòng)支撐式快速移除相結(jié)合的方法，即在梁體預(yù)切割后，分別采用汽車吊、車載移動(dòng)支撐和鏈鋸等設(shè)備實(shí)現(xiàn)吊桿切割、拱肋的分段切割吊除和主梁的快速移除，完成吊桿拱橋跨線部分快速拆除。路外結(jié)構(gòu)物在采取隔離保護(hù)措施后就地環(huán)保破碎鑿除。

為實(shí)現(xiàn)吊桿拱橋涉路部分的快速化(低交通影響)拆除施工，研發(fā)了車載移動(dòng)支撐式移除設(shè)備(圖2)。該設(shè)備主要由移運(yùn)車輛、車載支架和安全監(jiān)測系統(tǒng)組成。移運(yùn)車輛可為履帶式運(yùn)輸車、輪式運(yùn)輸車和自行式模塊運(yùn)輸車，均需具有優(yōu)良的路況適應(yīng)性、行走同步性和底盤升降功能；車載支架包括車頂分配梁、標(biāo)準(zhǔn)管柱式豎向支撐架、連系桿和梁底分配梁；安全監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲與展示和安全預(yù)警系統(tǒng)。

圖2 車載移動(dòng)支撐式移除設(shè)備Fig.2 Demolition equipment of truck-mounted movable supporting system

2.3 施工步驟

上述汽車吊與車載移動(dòng)支撐式快速移除相結(jié)合的方法，主要施工步驟如下。

(1)施工準(zhǔn)備。待拆橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查，五通一平建設(shè)，方案設(shè)計(jì)、咨詢與論證，施工方案交底，交通疏導(dǎo)等。

(2)存梁場地平整硬化，加工馱運(yùn)支架。為滿足模塊車行走需要，對存梁場地進(jìn)行平整壓實(shí)及硬化處理，拆除移運(yùn)路徑上的中央分隔帶；在存梁場地設(shè)置擴(kuò)大基礎(chǔ)，擴(kuò)大基礎(chǔ)頂面與場地面平齊；按設(shè)計(jì)圖紙加工馱運(yùn)支架。

(3)搭設(shè)邊跨支撐。在拱圈橫梁下方搭設(shè)臨時(shí)鋼管支撐，鋼管通過植螺栓固定在擴(kuò)大基礎(chǔ)上。

(4)梁體預(yù)切。封閉交通前對吊桿拱橋沿設(shè)計(jì)切割線對局部橋面系進(jìn)行預(yù)切吊裝，切割斷面需保障梁體能順利移出。

(5)馱運(yùn)系統(tǒng)組拼。連接模塊車油管，形成4點(diǎn)支撐；模塊車組行駛至馱梁支架底部，加載馱梁支架。

(6)封閉交通。全封閉各橋跨所在互通區(qū)間交通5小時(shí)，交通通過G325國道導(dǎo)行。

(7)馱運(yùn)系統(tǒng)就位頂升。馱運(yùn)系統(tǒng)沿移運(yùn)軌跡行駛至舊橋梁底，精確定位；逐步調(diào)整模塊車高度，使馱運(yùn)支架貼近梁底，保證支架與梁底全部接觸后，分級頂升梁體至吊桿松弛。

(8)吊桿切割與拱肋拆除。吊桿松弛后，快速切割吊桿，采用120 t汽車吊分塊吊裝拆除拱肋。

(9)梁體移除。同步頂升梁體20 cm，按移運(yùn)路徑行駛至存梁場并落梁；移運(yùn)過程進(jìn)行路徑控制、速度控制、油壓控制、道路自適應(yīng)控制、梁體姿態(tài)及應(yīng)力控制、全過程安全控制，加強(qiáng)施工監(jiān)控。梁體移出高速公路后恢復(fù)高速公路交通，整個(gè)過程封閉交通5 h。

(10)梁體破碎鑿除。沿存梁場邊緣搭設(shè)防護(hù)支架，利用挖機(jī)就地破碎移運(yùn)梁體；沿邊護(hù)欄搭設(shè)防護(hù)支架，封閉應(yīng)急車道，靜力切割、就地破碎橋臺及非跨路跨梁體。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 移運(yùn)車輛選型與組拼

跨線部分箱梁長38.4 m，重約474 t，車載支架和梁段總重約683 t，采用額定載重960 t的24軸線移運(yùn)車輛進(jìn)行馱運(yùn)移除，移運(yùn)車輛油壓18 MPa，移運(yùn)車輛組拼步驟為：①將4臺動(dòng)力裝置分別與4臺6軸線移運(yùn)車輛縱向連接；②分別連接好相應(yīng)的液壓軟管(通過快速接頭連接)、設(shè)置電氣設(shè)備，拼接成第一個(gè)車輛組合，形成4點(diǎn)支撐模式，并在拼裝場地進(jìn)行空載模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證其同步性和控制性能。

3.2 車載支架

3.2.1 車載支架設(shè)計(jì)

車載支架包括車頂分配梁、標(biāo)準(zhǔn)管柱式豎向支撐架、連系桿和梁底分配梁，均采用標(biāo)準(zhǔn)桿件拼裝。車頂分配梁采用3拼I36a工字鋼、長10.5 m，在鋼管支撐處兩側(cè)增寬至5拼I36a工字鋼。標(biāo)準(zhǔn)鋼管立柱為Φ609 mm×16 mm的鋼管，兩端設(shè)置2 cm法蘭盤。連系桿由槽16a型鋼加工制作，采用螺栓與鋼管立柱連接。梁底分配梁采用3拼I25a工字鋼、長7 m。整體式連接縱梁采用2列單層4排貝雷梁、長30 m。

3.2.2 車載支架受力分析

(1)貝雷梁受力分析。計(jì)算中不考慮老橋橋面系剛度，縱梁砼體積為48.64 m3、橫梁砼體積為51.22 m3、橋面板149.4 m3、二期鋪裝及護(hù)欄 78.1 m3，單層雙排貝雷梁的均布荷載為142 kN/m。計(jì)算結(jié)果見表2所示，由此可知，貝雷梁縱梁滿足內(nèi)力、變形要求，符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

表2 貝雷梁支架計(jì)算結(jié)果表

圖3 梁體重心位置與四點(diǎn)穩(wěn)定區(qū)域Fig.3 gravity center position of beam and four point stable region

(2)貝雷梁下支架受力分析?？傮w靜力計(jì)算根據(jù)平面桿系理論，計(jì)入主梁、橋面板、橋面系、馱梁支撐系統(tǒng)自重，并考慮施工誤差系數(shù)1.05、豎向動(dòng)力增大系數(shù)1.05、下結(jié)構(gòu)不均勻沉降或變形產(chǎn)生的不均勻分布系數(shù)1.1。同時(shí)，考慮移運(yùn)車輛沿橋梁縱向、橫向兩個(gè)方向移動(dòng)以及制動(dòng)所產(chǎn)生的水平力，其動(dòng)力效應(yīng)按照馱梁支架每個(gè)支撐處所承受的結(jié)構(gòu)自重的4%考慮。計(jì)算結(jié)果表明：①在橋梁移運(yùn)階段，鋼管立柱無拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力12 MPa；剪刀撐最大拉應(yīng)力5 MPa，最大壓應(yīng)力9 MPa；車頂橫梁最大拉應(yīng)力1 MPa，最大壓應(yīng)力0.5 MPa；頂層分配梁最大拉應(yīng)力4 MPa，最大壓應(yīng)力4 MPa；均遠(yuǎn)小于Q235鋼材的抗拉壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度。②在橋梁移運(yùn)階段，橫橋向最大變形為0.15 mm，縱橋向最大變形0.16 mm；豎向最大變形1.8 mm，發(fā)生在頂層分配梁懸臂端處，橋梁支撐點(diǎn)處最大豎向變形1.3 mm。均滿足規(guī)范要求。③支架穩(wěn)定系數(shù)為70.2>4，支架在施工過程中穩(wěn)定性滿足使用要求。④不考慮支架整體傾角時(shí)的支架抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為45.9，計(jì)入支架5°傾角時(shí)的支架抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為13.1，均滿足規(guī)范要求。

3.3 車載式移動(dòng)裝備整體受力性能分析

3.3.1 運(yùn)輸穩(wěn)定性分析

移運(yùn)梁體為對稱結(jié)構(gòu)，梁體重心位于梁體中心，以梁體頂面中心位置驗(yàn)算穩(wěn)定角，梁頂至地面高度7.63 m。根據(jù)移運(yùn)車輛的配置，得到重心位置與四點(diǎn)穩(wěn)定區(qū)域的關(guān)系，如圖3所示。

具體分3種情況進(jìn)行計(jì)算：①最初始狀態(tài)，穩(wěn)定角α1=arc tan(2.8/7.63)=20.2°>7°；②模塊車抬升至最高狀態(tài)，移運(yùn)車輛調(diào)整至1.5 m的高度進(jìn)入箱梁底部，最高可抬升1.7 m，此時(shí)穩(wěn)定角α2=arc tan(2.8/7.83)=19.7°>7°；③馱運(yùn)狀態(tài)模塊車存在30 cm的高差，移運(yùn)車輛馱運(yùn)狀態(tài)的高度為1.5 m，當(dāng)ab兩端抬升20 cm時(shí)對穩(wěn)定角影響最大，對應(yīng)的L值為2.8×cos[arc sin(0.3/7.63)]=2.8，穩(wěn)定角最小值為arc tan(2.8/7.63)=20.2°>7°。由此可知，梁體移運(yùn)過程穩(wěn)定。

3.3.2 牽引力分析

箱梁重474 t，4臺6軸線移運(yùn)車輛共8個(gè)牽引軸，車梁總重為474+4.5×24+8×4+69=683 t，摩擦阻力為683×5%=34 t；移運(yùn)車輛最大牽引力12 t×8=96 t；牽引力安全倍數(shù)為96/34=2.8；考慮3%的坡度時(shí)，總的阻力為33+683sin(arctan0.03)=53 t，牽引力安全倍數(shù)為96/53=1.8，牽引力滿足要求。

3.4 典型工況下的橋梁結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算

3.4.1 梁體預(yù)切

圖4 有限元模型及計(jì)算結(jié)果Fig.4 Finite element model and calculation results

對拱肋、縱橫梁及吊桿應(yīng)力狀態(tài)在不同承載力極限狀態(tài)的荷載組合，進(jìn)行了正截面抗彎驗(yàn)算和斜截面抗剪驗(yàn)算。如圖4所示。由圖4可知，預(yù)切割拆除邊跨主梁，拱肋與中跨縱橫梁各截面在各個(gè)工況下的抗彎、抗剪承載能力及吊桿最大應(yīng)力 273 MPa≤0.9fpk=675 MPa，均滿足規(guī)范要求，該預(yù)切割施工可確保剩余結(jié)構(gòu)安全。

3.4.2 梁體移運(yùn)

圖5 有限元計(jì)算結(jié)果Fig.5 Finite element calculation results

對縱橫梁在不同承載力極限狀態(tài)荷載組合，進(jìn)行正截面抗彎驗(yàn)算和斜截面抗剪驗(yàn)算。計(jì)算模型中以直接支撐于梁體時(shí)計(jì)算，為最不利狀態(tài)，如圖5所示。由圖5可知，最不利狀態(tài)下，移運(yùn)過程中縱橫梁體系的各梁體的彎矩及剪力值均較大，其承載力仍能滿足要求，按此方式移除梁體可確保施工安全。

3.5 基于汽車吊的拱肋切割與吊除

拱肋切割拆除流程依次為測量劃線、固定切割設(shè)備、中間段拱肋切割吊除和兩側(cè)段拱肋切割吊除。測量劃線、固定切割設(shè)備及固定吊裝繩在封閉交通前完成，在全部吊桿切斷后，沿設(shè)計(jì)切割線切割拱肋，中間段拱肋吊除置于跨路主梁上方，兩側(cè)段拱肋吊除置于既有路基以外位置。①單個(gè)拱肋分3塊切割吊裝，采用卷尺測量放線，用記號筆做有效標(biāo)識；②切割設(shè)備固定于橋面，調(diào)整導(dǎo)向輪，使拱肋按設(shè)計(jì)切割線切割；③單個(gè)拱肋采用3臺 120 t 汽車吊按梁段自重(30 t)進(jìn)行預(yù)提，拱肋切割斷面立面上成倒八字形。梁體與拱肋的分段和切割吊除，如圖6所示。

圖6 梁體及拱肋的分段切割與吊除Fig.6 Sectional cutting and removal for beam and arch rib

3.6 基于車載移動(dòng)支撐式移除設(shè)備的跨路梁段移除

根據(jù)該橋所處位置的地形(深路塹)，選擇相對平整處整平為設(shè)備拼裝和落梁場地，距離橋址約187 m?？缏妨憾务W運(yùn)移除方案為：將梁體分為5.7 m+3 m+38.4 m+3 m+5.7 m的梁段，梁段預(yù)切割后，將38.4 m跨路梁段采用車載移動(dòng)支撐馱運(yùn)移除，兩5.7 m梁段就地鑿除。具體實(shí)施為：第一段和第五段各5.7 m梁體，通過預(yù)切割(切除長度各 3 m)的方式與第三段梁體分開，在汽車吊的配合下沿著拱肋標(biāo)記的切割線同步切割拱肋，兩拱肋共8個(gè)切割面，拱肋切割后的中間段置于跨路梁段上，其余拱肋段吊除至路外，車載移動(dòng)支撐式移除設(shè)備同步頂升、移運(yùn)187 m至落梁場地并落梁。鋼筋混凝土梁體切割采用繩鋸切割機(jī)，主梁兩端同步預(yù)切，拱肋各切割斷面同步切割?？缏妨憾我淮涡哉w移除，有效加快施工進(jìn)度?？缏妨憾慰焖僖瞥肪€及運(yùn)輸過程如圖7所示。

該方法實(shí)施時(shí)，所需鋼材和貝雷梁約209 t，對既有交通影響小(封閉交通共5 h)，所需機(jī)械設(shè)備為4臺6軸線模塊車(3 h)、2臺破碎機(jī)(2 d)、6臺吊車(3 h)，實(shí)施的總工期為7 h，具有顯著的“快速”優(yōu)勢和節(jié)能環(huán)保效果。

3.7 路外結(jié)構(gòu)物就地鑿除

道路以外梁體拆除使用炮機(jī)直接鑿除方法，在作業(yè)面與道路之間設(shè)置隔離防護(hù)網(wǎng)，按照梁段、墩柱、拱腳段和拱座的順序，分步鑿除及環(huán)保處理，如圖8所示。

圖8 隔離保護(hù)下的路外結(jié)構(gòu)物鑿除Fig.8 Chiseling of structure with isolation protection

4 結(jié)論

基于節(jié)能環(huán)保理念提出汽車吊拆除拱肋和車載移動(dòng)支撐快速移除梁體相結(jié)合的方法，指導(dǎo)完成了43 m 中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋快速移除的安全、快速和低交通影響。拱肋切割與吊除、跨路梁體馱運(yùn)時(shí)封閉交通5 h，施工過程中無粉塵和固廢等環(huán)境污染，無路面損傷。實(shí)踐表明，梁體分段馱運(yùn)移除與拱肋分段吊除相結(jié)合的方法可實(shí)現(xiàn)跨路吊桿拱橋快速安全拆除，明顯縮短所涉及高速公路改擴(kuò)建工程的工期，有效降低灰塵、噪聲等環(huán)境污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益、廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。