跨鐵路繁忙干線既有橋梁拆除關(guān)鍵技術(shù)研究

張萬國(guó)

(中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司 山東濟(jì)南 250002)

1 緒論

近年來，隨著城市發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，人們對(duì)交通配套設(shè)施的依賴逐年上升，越來越多的橋梁，特別是城市跨鐵路橋梁因年久失修和巨大的載荷已無法滿足城市快速發(fā)展的需求。如何安全高效地拆除跨鐵路既有橋梁最為關(guān)鍵[1－4]。

針對(duì)以上問題，國(guó)內(nèi)許多專家對(duì)此展開了研究。金順利[5]針對(duì)跨多條鐵路線進(jìn)行橋梁拆除施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高的問題，提出了“利用舊橋建新橋，利用新橋拆舊橋”的施工方法，解決了相鄰鐵路線間空間狹窄難施工的問題，并結(jié)合理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了架橋機(jī)吊運(yùn)施工過程的安全性。許冬萍[6]結(jié)合某高速公路改擴(kuò)建工程，介紹了不同跨徑的橋梁上部結(jié)構(gòu)和蓋梁的拆除施工方案，重點(diǎn)對(duì)架橋機(jī)和汽車吊兩種梁板拆除施工技術(shù)以及抱箍支架蓋梁拆除施工技術(shù)展開分析。王璞[7]根據(jù)爆破部位尺寸、材料采用不同的爆破參數(shù)，來控制爆破有害效應(yīng)；通過逐跨延時(shí)爆破網(wǎng)路，有效降低了塌落振動(dòng)強(qiáng)度；應(yīng)用塌落振動(dòng)公式和測(cè)振儀，來驗(yàn)證爆破振動(dòng)強(qiáng)度值在安全允許范圍內(nèi)；采用竹排和輪胎的防護(hù)方案，有效降低了飛石距離，確保了緊鄰既有橋梁的安全。倪明亮[8]采用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力有限元軟件，建立新橋、舊橋以及河道的三維數(shù)值模型，模擬了舊橋從起爆到觸地的全過程，并優(yōu)化起爆時(shí)間和起爆順序，提出了降低水位以減小涌浪影響，從而降低新橋橋墩損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

本文以長(zhǎng)春市西安橋改造工程跨京哈鐵路舊橋拆除施工項(xiàng)目為依托，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的外部環(huán)境以及上跨鐵路繁忙干線施工極高的安全風(fēng)險(xiǎn)等綜合因素確定既有剛構(gòu)橋梁拆除的施工方案。

2 既有橋概況

西安橋位于長(zhǎng)春市城市主干路西安大路上，橋梁上跨京哈鐵路，為一座東西走向的三幅三跨鋼筋混凝土橋梁，橋梁全長(zhǎng)37 m，跨徑組合為(8＋21＋8)m。中幅橋梁為雙懸臂門式混凝土剛構(gòu)橋，南北兩側(cè)邊幅為帶掛孔的簡(jiǎn)支懸臂梁橋。

中幅橋修建于20世紀(jì)30年代，橋梁使用年限近90年，目前相關(guān)設(shè)計(jì)和竣工資料均已遺失。根據(jù)西安橋擴(kuò)寬工程圖紙(長(zhǎng)春市勘測(cè)設(shè)計(jì)處1984年5月)得知，中幅橋設(shè)計(jì)荷載為汽車-13級(jí)、拖車-60。橋梁為雙懸臂門式剛構(gòu)橋，中跨跨徑為21 m，兩邊跨懸臂長(zhǎng)度均為8 m，上部結(jié)構(gòu)均由10榀變截面整體現(xiàn)澆T梁組成，橋面板整體澆筑，下部結(jié)構(gòu)采用排架式橋墩，設(shè)系梁，見圖1a。

圖1 中幅剛構(gòu)橋及擴(kuò)寬橋立面(單位:cm)

南北兩側(cè)邊幅橋于1984年進(jìn)行擴(kuò)寬，橋梁已投入使用約35年。根據(jù)西安橋擴(kuò)寬工程圖紙得知，橋梁的設(shè)計(jì)荷載為汽車-10級(jí)、履帶-50級(jí)，人群荷載為400 kg/m2。橋梁為簡(jiǎn)支單懸臂帶掛梁結(jié)構(gòu)，兩邊跨為錨固跨，跨徑為8.0 m，并向中跨懸臂2.5 m，上部結(jié)構(gòu)均由9榀變截面現(xiàn)澆T梁組成，中跨掛梁跨徑為16.0 m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制T梁，中梁為高0.7 m的等截面T梁，最外側(cè)邊梁梁底面為拋物線形變截面T梁，跨中梁高為0.7 m，端部梁高為1.17 m。掛梁間共設(shè)5道橫隔板(含兩端橫隔板)，橫隔板的焊接方式為預(yù)埋鋼板焊接。T型梁的翼緣板用鉸鏈連接，其下部構(gòu)造為重力式橋臺(tái)、雙柱式橋墩，全部采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，底部支撐結(jié)構(gòu)使用板式橡膠支座結(jié)構(gòu)，見圖1b。

3 施工難點(diǎn)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查資料與相應(yīng)設(shè)計(jì)資料，施工有以下3個(gè)難點(diǎn):

(1)既有中幅橋梁修建年代久遠(yuǎn)，施工原始資料遺失，既有橋狀況不明。拆除施工中極有可能發(fā)生梁體斷裂，危及鐵路行車，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。

(2)橋梁結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，凈空較低且距離接觸網(wǎng)距離僅34 cm，施工防護(hù)難度較大，作業(yè)空間受限。

(3)橋梁上跨鐵路繁忙干線，橋梁拆除屬營(yíng)業(yè)線封鎖二級(jí)施工，施工有效利用期短，施工難點(diǎn)多，施工技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)高。

4 既有橋結(jié)構(gòu)分析

既有橋梁因原始資料遺失，參照檢測(cè)數(shù)據(jù)采用橋梁博士Dr.Bridge3.6建立平面有限元模型，見圖2。劃分節(jié)點(diǎn)41個(gè)、單元40個(gè)，橫隔板作為永久荷載集中力計(jì)入模型中。

圖2 橋梁博士模型及施工階段

持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算:

根據(jù)相應(yīng)規(guī)范，用下列公式計(jì)算橋梁構(gòu)件承載能力狀態(tài)極限:

式中:γ0為橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；S為作用(或荷載)效應(yīng)(其中汽車荷載應(yīng)計(jì)入沖擊系數(shù))的組合設(shè)計(jì)值；R為構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值；R(·)為構(gòu)件承載力函數(shù)；fd為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ad為幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值。

通過圖3計(jì)算可以看出，主梁吊裝時(shí)承載能力不能滿足規(guī)范要求。

圖3 主梁最大、最小抗力及對(duì)應(yīng)內(nèi)力(單位:kN·m)

5 貝雷梁梁體加固受力分析

在既有橋直接吊裝不能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性前提下，采用將梁體與貝雷梁捆綁成為整體進(jìn)行吊裝的施工方案，對(duì)貝雷梁受力情況進(jìn)行分析。

5.1 荷載分析

(1)荷載參數(shù)

混凝土容重:26 kN/m3。

(2)材料選擇

鋼材的設(shè)計(jì)用強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)規(guī)定，16 Mn鋼材性能參照表1中的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345。

表1 材料性能

為了方便進(jìn)行荷載計(jì)算，按照T梁截面的變化，取5個(gè)特征截面，計(jì)算梁體重量列于表2。因上跨鐵路施工，為安全起見按照2片貝雷梁承擔(dān)梁體荷載進(jìn)行計(jì)算。

表2 截面信息

5.2 貝雷梁檢算

利用Midas/Civil建立貝雷梁模型，如圖4所示，計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖4 貝雷梁模型(單位:kN)

圖5 貝雷梁組合應(yīng)力、剪應(yīng)力及位移云圖

由上述計(jì)算可得:

通過以上計(jì)算可知，貝雷梁的強(qiáng)度和剛度滿足要求。

6 梁體吊裝拆除方案分析

中幅門式剛構(gòu)橋共10片梁，兩邊幅拓寬橋?yàn)閹炜椎暮?jiǎn)支懸臂梁橋共計(jì)掛梁18片、懸臂梁36片。經(jīng)計(jì)算，門式剛構(gòu)37 m一片T型梁，重76.94 t；16 m一片掛梁，重約13.92 t；10 m一片懸臂梁，重11.56 t。中幅剛構(gòu)橋拆除計(jì)劃采用貝雷梁加固方式配合JQ180-40型架橋機(jī)進(jìn)行吊裝拆除(見圖6)，邊幅掛梁及單懸臂梁采用不加固直接打孔吊裝的施工方案。

圖6 貝雷梁捆綁加固

經(jīng)實(shí)際勘查和測(cè)量，按最大吊重計(jì)算中梁每片重量，邊跨懸臂梁的兩相鄰支座中心線間最大距離8 m，T型梁腹板厚度平均為0.25 cm，高度164 cm；頂板外側(cè)長(zhǎng)度為0.11 m，內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度為0.16 m，梁寬1.28 m。梁體鋼筋混凝土的容重為2.6 t/m3，梁重5.35×2.6＝13.91 t。

施工時(shí)使用450 t汽車吊搭配長(zhǎng)12 m、直徑43 mm的鋼絲繩完成吊裝拆除。梁端向內(nèi)0.3 m處實(shí)施吊裝工序，梁面在制作時(shí)留有吊裝口，將鋼絲繩穿過即可(見圖7)。φ43鋼絲繩破斷拉力Sb＝50×10×43×43/103kN＝924.5 kN，吊梁鋼絲繩與梁體水平面之間的夾角為35°夾角度數(shù)大于30°，滿足施工要求。

圖7 吊具示意

T梁采用4個(gè)直徑43 mm的12 m鋼絲繩捆綁吊裝，梁端向內(nèi)0.3 m位置捆綁拉升。

查得16 m板梁最重為13.92 t，Q＝mg＝13.92×10/10＝13.92 kN，鋼絲繩安全系數(shù)為:

每根鋼絲繩所受拉力S＝Q/(n×sinα)＝57.37 kN。

鋼絲繩最大破壞拉力S＝Sb/K1＝924.5/4＝231.1 kN。

231.1 kN＞67.78 kN，根據(jù)《起重吊裝計(jì)算及安全技術(shù)》，T梁捆綁吊裝使用直徑43 mm鋼絲繩符合規(guī)范要求。

7 結(jié)束語

跨鐵路既有橋梁拆除的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定關(guān)系到[9－10]整個(gè)過程的施工安全，通過對(duì)既有橋梁的受力模擬[11－13]和貝雷梁捆綁吊裝方案的結(jié)構(gòu)檢算，為舊橋拆除提供了理論基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場(chǎng)合理施工布置和嚴(yán)格控制，保證橋梁拆除施工的安全推進(jìn)，同時(shí)為類似工程提供相應(yīng)施工經(jīng)驗(yàn)和參考價(jià)值。