鋼管混凝土連拱橋拱肋拆除施工控制關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用

楊繼承，魏家樂(lè)，余 曾，雷波濤

(陜西交控通宇交通研究有限公司, 陜西 西安 710118)

鋼管混凝土拱橋因其造型優(yōu)美、跨越能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性較好的優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)橋梁建設(shè)上得到迅猛發(fā)展，目前在役大跨徑鋼管混凝土拱橋數(shù)量遠(yuǎn)超同等跨徑鋼筋混凝土拱橋和鋼拱橋數(shù)量[1-4]。然而，隨著日益增長(zhǎng)的交通壓力和材料的不斷劣化，早期修建的部分鋼管混凝土拱橋已不能滿足實(shí)際通行需求，必須進(jìn)行拆除重建。大跨徑鋼管混凝土拱橋拆除可采用爆破法、支架法和斜拉扣掛法[5-7]，其中，斜拉扣掛法因施工過(guò)程受周邊地形影響小，纜索扣掛系統(tǒng)施工技術(shù)成熟，且能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境保護(hù)的零排放要求而受到青睞[8-9]。

大跨徑鋼管混凝土拱橋新建與拆除都可采用斜拉扣掛法施工，但拱肋受力存在較大區(qū)別，新建時(shí)鋼管拱肋施工一般從零開(kāi)始逐段拼裝、跨中合龍、拱腳封鉸固結(jié)到灌注管內(nèi)混凝土，整個(gè)過(guò)程受力明確，拱肋及臨時(shí)索設(shè)計(jì)及施工控制簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟[10-12]。而危舊鋼管混凝土拱橋拆除時(shí)鋼管與管內(nèi)混凝土已形成整體，施工時(shí)不能完全按照新建的逆序進(jìn)行拆除，拱肋拆除時(shí)施工控制存在諸多難點(diǎn)，尤其是大跨徑鋼管混凝土連拱橋拱肋拆除過(guò)程中連拱效應(yīng)突出，施工過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)高[13-14]，因此十分有必要對(duì)該類橋梁拱肋拆除施工控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行專門研究。

1 工程背景

1.1 橋梁概況

某橋?yàn)?×120 m中承式鋼管混凝土拱橋，是橫跨漢江的重要橋梁，橋面橫向布置為0.25 m(護(hù)欄)+2.0 m(人行道，含吊索區(qū))+9.0 m(行車道)+2.0 m(人行道，含吊索區(qū))+0.25 m(護(hù)欄)，全寬13.5 m，橋型布置圖如圖1。鋼管混凝土主拱矢跨比1/5，拱肋截面為啞鈴形，總高度2.1 m，上下弦桿采用Φ820×12 mm鋼板卷制形成；吊桿采用110Φ5高強(qiáng)碳素鋼絲；橋面系為縱向T梁置于橫梁上，簡(jiǎn)支體系結(jié)構(gòu)；兩端拱座采用倒V形結(jié)構(gòu)，中墩為空心薄壁墩、承臺(tái)樁基礎(chǔ)。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-20，掛-100。

該橋近期檢測(cè)發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土拱肋橫向偏位、橋面線形異常，橋梁承載能力顯著降低，整體評(píng)價(jià)為四類橋。經(jīng)對(duì)該橋處治方案展開(kāi)多次論證和專家評(píng)審，確定本橋采用拆除上部結(jié)構(gòu)，加固利用下部結(jié)構(gòu)，新建相同跨徑鋼管混凝土拱橋的改造方案。

1.2 拆除方案

該橋位于漢江水資源環(huán)境保護(hù)區(qū)，附近有一大型水電站，綜合考慮原橋拆除和新建橋梁施工安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)充分比選確定采用斜拉扣掛法施工。為解決拱肋拆除時(shí)中墩臨時(shí)扣塔施工難度大的問(wèn)題，采用水平臨時(shí)索對(duì)拉替代常規(guī)的扣塔系統(tǒng)。同時(shí)為加強(qiáng)拆除過(guò)程雙懸臂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，擬在中墩兩側(cè)增加多對(duì)纜風(fēng)索，具體的斜拉扣掛系統(tǒng)布置如圖2所示，拱肋從西至東共劃分為Ⅰ～Ⅳ區(qū)，邊跨單側(cè)扣索共5組(編號(hào)為A-E)，中間水平拉索5組(編號(hào)為H-K及臨時(shí)索L)，風(fēng)纜索4組( 編號(hào)為H-K)。單個(gè)主拱拱肋共劃分為23個(gè)吊裝節(jié)段，單個(gè)節(jié)段最大長(zhǎng)度7 m，最大重量約23 t。拆除總體施工流程見(jiàn)表1。

圖1 橋型布置圖

圖2 斜拉扣掛系統(tǒng)布置圖

表1 拆除總體流程圖

2 鋼管混凝土連拱橋拱肋拆除風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

鋼管混凝土連拱橋拱肋拆除是全橋拆除的核心，主要涉及拱頂打開(kāi)、拱肋節(jié)段拆除兩大步驟，施工過(guò)程受力體系由“連拱”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皯冶哿骸?，結(jié)構(gòu)體系變化大，受力復(fù)雜，技術(shù)含量高，施工風(fēng)險(xiǎn)大?？傮w來(lái)講，大跨徑鋼管混凝土連拱橋拱肋拆除風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

(1)連拱內(nèi)力狀態(tài)難以準(zhǔn)確模擬。大跨徑危舊鋼管混凝土拱橋拆除時(shí)一般已運(yùn)營(yíng)多年，鋼管內(nèi)混凝土收縮徐變發(fā)生完成，且可能存在鋼管與混凝土脫空、拱肋偏移、基礎(chǔ)不均勻沉降等多種病害，部分病害對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)產(chǎn)生重大影響，但影響程度難以準(zhǔn)確計(jì)算，無(wú)法獲得裸拱狀態(tài)結(jié)構(gòu)的真實(shí)內(nèi)力。但是，采用斜拉扣掛法拆除拱肋，只有較為準(zhǔn)確的掌握拱肋內(nèi)力狀態(tài)和剛度特性，才能有效指導(dǎo)拆除施工。

(2)體系變化復(fù)雜，施工工序多。鋼管混凝土拱肋拆除時(shí)結(jié)構(gòu)體系由拱受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎帱c(diǎn)彈性支撐的懸臂梁受力狀態(tài)，拆除過(guò)程體系不斷變化，內(nèi)力和位移變化十分劇烈。因鋼管混凝土拱肋整體斷面單位長(zhǎng)度重量大，纜索吊吊裝能力受限，單個(gè)拱肋節(jié)段長(zhǎng)度相對(duì)新建劃分長(zhǎng)度較短，節(jié)段個(gè)數(shù)多，施工步驟多，臨時(shí)索索力和拱肋受力在整個(gè)過(guò)程變化十分復(fù)雜。

(3)連拱拆除受力復(fù)雜，臨時(shí)索索力影響因素多。連拱拆除涉及斜拉扣索、水平索、纜風(fēng)索等，各臨時(shí)索索力除影響拱肋應(yīng)力、橋墩及基礎(chǔ)應(yīng)力、拱肋整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性外，本身自身索力也受到扣塔剛度、背索索力、溫度荷載、風(fēng)荷載等的影響，且雙連拱拆除過(guò)程還伴隨著結(jié)構(gòu)和荷載的橫橋向和縱橋向的不對(duì)稱性。施工控制綜合考慮因素多，難度很大。

(4)施工監(jiān)測(cè)工作量龐大，技術(shù)要求高。鋼管混凝土連拱橋斜拉扣掛拆除施工監(jiān)測(cè)不僅涉及橋梁結(jié)構(gòu)本身，還包括扣塔變形、扣索及風(fēng)纜索力、纜索吊索塔、錨錠位移等，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量大，采用常規(guī)方法及時(shí)性和準(zhǔn)確性很難得以保證。同時(shí)，主拱打開(kāi)、拱肋節(jié)段拆除、扣索卸載等關(guān)鍵步驟伴隨內(nèi)力的急劇釋放，安全風(fēng)險(xiǎn)高，必須制定相應(yīng)的控制措施，保證結(jié)構(gòu)平穩(wěn)過(guò)渡，施工控制要求高。

鑒于大跨徑鋼管混凝土連拱橋拱肋拆除在結(jié)構(gòu)計(jì)算、施工工序、大臨設(shè)施、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等多方面相比常規(guī)橋梁復(fù)雜，且存在多種不確定性因素，施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)高，因此，為能順利實(shí)現(xiàn)拱肋的安全拆除，需對(duì)該類橋梁施工控制技術(shù)展開(kāi)專門研究。

3 施工控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工控制基本原則

鋼管混凝土連拱橋拱肋拆除有限元計(jì)算是安全拆除的前提，在拱肋拆除過(guò)程中，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，影響因素多，涉及結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力、經(jīng)濟(jì)等方方面面，在遵循總體對(duì)稱、均衡的基礎(chǔ)上，針對(duì)背景項(xiàng)目這一實(shí)際工程，通過(guò)對(duì)拆除過(guò)程的控制條件進(jìn)行梳理，以控制拆除過(guò)程結(jié)構(gòu)安全性和人員安全為主要目標(biāo)，制定了詳細(xì)控制基本原則，見(jiàn)表2。

表2 控制基本原則

3.2 施工控制計(jì)算方法

綜合考慮斜拉扣掛施工特點(diǎn)、鋼管混凝土連拱拱肋拆除施工難點(diǎn)和本橋拆除的總體步驟，制定了施工控制計(jì)算方法和流程。如圖3所示，首先按照原橋竣工設(shè)計(jì)圖和實(shí)際施工流程，建立全橋模型，得到成橋理論狀態(tài)。然后結(jié)合橋面系拆除過(guò)程實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)，修正原橋理論模型，使有限元計(jì)算能夠更加真實(shí)反應(yīng)實(shí)橋狀態(tài)。拱肋拆除過(guò)程的仿真模擬采用迭代法進(jìn)行計(jì)算，即假定一組初始臨時(shí)索索力，按照拆除步驟進(jìn)行逐一模擬，若計(jì)算結(jié)果不滿足既定控制原則時(shí)調(diào)整臨時(shí)索力，重新進(jìn)行拆除過(guò)程有限元計(jì)算，不斷反復(fù)迭代，直到計(jì)算結(jié)果滿足基本原則，仿真計(jì)算結(jié)束，并提取相應(yīng)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)控制。

圖3 施工控制計(jì)算流程示意圖

3.3 施工控制關(guān)鍵參數(shù)研究

因影響拱肋內(nèi)力狀態(tài)的混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)沉降等因素為既定事實(shí)，難以準(zhǔn)確量化，不屬于主動(dòng)控制目標(biāo)，而溫度對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)影響敏感，為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，實(shí)施前對(duì)索力相關(guān)影響因素進(jìn)行分析，并根據(jù)敏感性程度制定不同的施工措施，以控制安全風(fēng)險(xiǎn)。

(1) 溫差效應(yīng)分析。拱肋打開(kāi)時(shí)環(huán)境溫度與原橋合龍溫度存在偏差，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)相應(yīng)存在差異，為控制拱肋打開(kāi)時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)，施工控制通過(guò)有限元對(duì)不同溫度偏差進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，溫度對(duì)拱肋合龍口和鋼管的應(yīng)力影響基本呈線性關(guān)系，二者溫度每相差10℃，合龍口相對(duì)變形相差34 mm，拱肋應(yīng)力最大相差約5 MPa。

懸臂節(jié)段拆除過(guò)程中，受晝夜溫度影響，臨時(shí)索索力和拱肋應(yīng)力存在較大變化，施工控制應(yīng)充分考慮極端溫差對(duì)結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)。有限元分析結(jié)果表明，懸臂階段每升溫10℃，邊拱懸臂端最大豎向變形-24 mm，拱腳上緣應(yīng)力+12 MPa，中拱懸臂端最大豎向變形+10 mm，拱腳上緣應(yīng)力+9 MPa。因此，拆除過(guò)程結(jié)構(gòu)安全系數(shù)應(yīng)留有一定的富余量，避免局部應(yīng)力超限失穩(wěn)。

(2) 臨時(shí)索索力控制分析。拱肋懸臂過(guò)程節(jié)段拆除過(guò)程為多點(diǎn)支撐的曲線梁橋，為便于后續(xù)施工控制，對(duì)單位最外側(cè)索力對(duì)懸臂端位移影響程度進(jìn)行分析，見(jiàn)表3。有限元分析表明，相對(duì)中跨水平索索力影響程度，邊拱扣索索力對(duì)懸臂端位移十分敏感，最外側(cè)扣索索力偏差10 kN(約1.3%)將導(dǎo)致懸臂端部11 mm位移偏差。因此，為提高施工控制精度，施工過(guò)程應(yīng)加強(qiáng)邊拱扣索索力的精確控制。

表3 索力變化10 kN對(duì)懸臂端位移影響 單位：mm

3.4 施工監(jiān)測(cè)與控制措施研究

為確保鋼管混凝土拱肋的安全拆除，作者根據(jù)拆除過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)展開(kāi)監(jiān)測(cè)措施研究，創(chuàng)新性的提出了拱肋剛度檢測(cè)技術(shù)、裸拱打開(kāi)拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)、索力快速檢測(cè)技術(shù)和關(guān)鍵部位自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)四大措施。

(1) 拱肋剛度檢測(cè)技術(shù)。根據(jù)《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》[15](GB 50923—2013)4.3.3條，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，壓縮剛度不考慮混凝土剛度的折減，彎曲剛度按照混凝土剛度折減系數(shù)為0.6考慮，這一規(guī)范取值綜合了相關(guān)國(guó)內(nèi)外規(guī)范取值和構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果。但對(duì)于危舊鋼管混凝土拱橋，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的自身病害程度參差不齊，采用規(guī)范剛度取值難以反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況，為能較為準(zhǔn)確的識(shí)別拱肋剛度，作者提出基于靜力和動(dòng)力實(shí)測(cè)參數(shù)的剛度識(shí)別方法。靜力方面主要通過(guò)對(duì)比橋面系拆除過(guò)程的應(yīng)力、變形的實(shí)測(cè)值和理論值，得到鋼管混凝土拱肋靜力剛度的修正系數(shù)。該階段需要采集的數(shù)據(jù)包括環(huán)境溫度、橋面系重力、拆除前后鋼管混凝土拱肋應(yīng)力、拱肋幾何線形等。動(dòng)力方面主要實(shí)測(cè)鋼管混凝土裸拱狀態(tài)的自振頻率，并與結(jié)構(gòu)的理論頻率進(jìn)行對(duì)比，得到拱肋的動(dòng)力剛度修正系數(shù)。綜合考慮拱肋的靜力剛度修正系數(shù)和動(dòng)力剛度修正系數(shù)，對(duì)理論計(jì)算模型的拱肋剛度進(jìn)行修正，可有效提高拱肋拆除的施工控制精度。

(2) 裸拱打開(kāi)拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)。為避免拱頂打開(kāi)過(guò)程內(nèi)力瞬間釋放引起安全風(fēng)險(xiǎn)，裸拱打開(kāi)前，本橋在拱頂處設(shè)置了臨時(shí)鋼支撐(鋼管混凝土拱肋上下緣焊接雙拼工字鋼)，如圖4所示，并布置應(yīng)力傳感器，切割過(guò)程中鋼管混凝土拱頂截面內(nèi)力將轉(zhuǎn)化到上下緣雙拼工字鋼承擔(dān)，根據(jù)傳感器實(shí)測(cè)應(yīng)力和拱肋變形推測(cè)當(dāng)前合龍段內(nèi)力狀態(tài)，若合龍段內(nèi)力與目標(biāo)值偏差較大，則微調(diào)扣索索力使之達(dá)到控制范圍。采用上述方法依次逐個(gè)打開(kāi)左幅、右幅四個(gè)拱肋拱頂，且將智能鋼支撐內(nèi)力調(diào)整至目標(biāo)范圍后，再對(duì)稱拆除各鋼支撐，降低了裸拱內(nèi)力不確定引起的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 臨時(shí)鋼支撐示意圖

(3) 多種索力檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合。鋼管混凝土拱橋拱肋拆除涉及的臨時(shí)索包括扣索、水平索及纜風(fēng)索，各臨時(shí)索均由多股鋼絞線形成，施工時(shí)各工況若全部對(duì)臨時(shí)索鋼絞線進(jìn)行逐一檢測(cè)，工作量十分龐大，采用常規(guī)方法難以快速、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。為解決這一問(wèn)題，本橋索力檢測(cè)充分利用毫米波雷達(dá)可多根拉索同時(shí)遠(yuǎn)程測(cè)試?yán)黝l率的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了快速的目標(biāo)[16]。為達(dá)到索力的準(zhǔn)確測(cè)量，作者提出了多種索力檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的具體辦法，即張拉時(shí)以千斤頂讀數(shù)為基礎(chǔ)，張力測(cè)試儀進(jìn)行校核，然后將校核后結(jié)果對(duì)毫米波雷達(dá)技術(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，后續(xù)各工況中直接通過(guò)毫米波雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多根索力同時(shí)檢測(cè)，在保證檢測(cè)結(jié)果精度的同時(shí)，也提高了工作效率。

(4) 關(guān)鍵項(xiàng)目實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)[17-19]。拱橋拆除的大型臨時(shí)設(shè)施為扣掛吊裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)的安全是拱肋成功拆除的前提。針對(duì)錨錠位移、扣塔偏位、扣塔關(guān)鍵截面應(yīng)力等項(xiàng)目，為滿足監(jiān)測(cè)的及時(shí)性和持續(xù)性要求，提出了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖5。該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、安全評(píng)價(jià)和預(yù)警子系統(tǒng)組成，通過(guò)各層相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化采集和自動(dòng)預(yù)警的功能。

4 工程應(yīng)用

依托工程以本文提出的施工控制計(jì)算方法、施工工藝和監(jiān)測(cè)措施為指導(dǎo)，按照總體對(duì)稱、均衡的拆除順序，以位移控制為主，兼顧扣索索力的施工控制原則予以實(shí)施(鋼管混凝土拱肋打開(kāi)前及節(jié)段拆除過(guò)程見(jiàn)圖6和圖7)，并控制扣掛系統(tǒng)等大型臨時(shí)設(shè)施在拆除過(guò)程中的位移及應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了拱肋的順利拆除。

圖5 自動(dòng)監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)

圖6 鋼管混凝土拱肋打開(kāi)前

圖7 鋼管混凝土拱肋節(jié)段拆除

本橋拱肋拆除前各臨時(shí)索初張索力見(jiàn)表4，拆除過(guò)程Ⅱ區(qū)右幅和Ⅳ區(qū)左幅主拱節(jié)點(diǎn)隨施工步驟的實(shí)測(cè)變形見(jiàn)圖8和圖9。全橋拱肋拆除過(guò)程拱肋節(jié)段變形及扣索索力與計(jì)算值接近，橋墩及拱座未出現(xiàn)拉應(yīng)力，未出現(xiàn)位移突變導(dǎo)致的人員安全和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故，施工控制達(dá)到了預(yù)期效果。

表4 拱肋拆除各臨時(shí)索初張索力 單位:t

圖8 拆除過(guò)程Ⅱ區(qū)右幅主拱節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)位移時(shí)程圖

圖9 拆除過(guò)程Ⅳ區(qū)左幅主拱節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)位移時(shí)程圖

5 結(jié) 論

(1) 以安全性為施工控制目標(biāo)，擬定了拱肋拆除施工控制的基本原則，并依照該原則提出了拱肋拆除施工控制計(jì)算方法，為拱肋的安全拆除提供了理論基礎(chǔ)。

(2) 敏感性參數(shù)分析表明，溫度對(duì)拱肋打開(kāi)和懸臂拆除階段的鋼管拱肋位移、應(yīng)力影響均較為敏感，施工過(guò)程可通過(guò)臨時(shí)索索力的精確調(diào)整進(jìn)行控制。

(3) 基于拱肋拆除的工藝特點(diǎn)和可能的風(fēng)險(xiǎn)因素，創(chuàng)新性的提出了基于實(shí)測(cè)動(dòng)力和靜力參數(shù)的拱肋剛度修正技術(shù)和裸拱打開(kāi)拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)與控制方法，并將索力張力儀檢測(cè)技術(shù)、毫米波雷達(dá)索力檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于本項(xiàng)目，進(jìn)一步保證了拆除過(guò)程的安全性。