非對稱斜拉橋主梁拆除技術(shù)研究

張曉宏ZHANG Xiao-hong

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300000）

0 引言

相較于橋梁的建造過程，橋梁拆除過程所面臨的風險更甚，如結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、梁體開裂、預(yù)應(yīng)力釋放等一系列問題，加之施工隊伍對于結(jié)構(gòu)性能的掌握不全面，隨時有出現(xiàn)突然斷裂和坍塌等事故的風險[1，2]。

對于斜拉橋而言，在拆除過程中面臨著多結(jié)果結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換和斜拉索的張放作業(yè)，整個拆除過程極其復(fù)雜、危險。有一些學者展開了斜拉橋拆除施工的研究工作[3～7]，但是相較于其他橋梁還是相對較少。因此一個安全可靠的拆除方案具有重大的工程價值。

本文以跨鐵路線的非對稱混凝土斜拉橋為研究對象，對其拆除方案進行分析和介紹，采用有限元的方法對關(guān)鍵步驟進行了分析，以期為類似工程提供參考價值。

1 研究背景

1.1 工程概況

待拆除橋梁跨越津山鐵路和當時在建的津秦客專鐵路，屬預(yù)應(yīng)力混凝土獨塔雙跨鐵路斜拉橋。橋梁總跨度為90m（50m 主跨+40m 副跨），立面布置如圖1 所示。主梁采用的是槽型梁結(jié)構(gòu)，梁高度為1.8m，橋面的寬度為9.92m，梁體的混凝土強度等級為C50。橋墩采用矩形截面，長寬分別是3m 和8m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級為C30。

1.2 工程重難點

通過對該橋原設(shè)計、施工資料的整理和對現(xiàn)橋址周邊環(huán)境的調(diào)查，橋梁拆除工程面臨的施工重點和難點包括：

①結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

該橋是復(fù)合類橋的一種，并且在一些關(guān)鍵部位存在多次超靜定結(jié)構(gòu)。主要部位全部采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。另外主梁和副梁采用的是非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計。

②施工環(huán)境受限。

主梁下方是正在使用的鐵路和在建的津秦客專路基，距離橋梁底部2m 左右。副跨梁下方是正在建設(shè)中的鐵路路基，且周圍存在密集的民房和工業(yè)園區(qū)廠房。

2 常見橋梁拆除方案

2.1 對稱分塊切割法

橋梁基本結(jié)構(gòu)就是左右兩邊保持一個相對的平衡，對稱分塊切割法特點在于對平衡性的掌握，從橋梁的左右兩邊進行拆除。整個橋梁拆除過程中控制重點是需時刻確保橋梁左右兩邊的平衡性[8，9]。因本文所述橋梁屬非對稱結(jié)構(gòu)，故在拆除過程中時刻保持平衡是很難的，易發(fā)生傾斜等意外事故。

2.2 爆破法

雖然爆破法具有方便、快捷和縮短工期的特點，使整個主跨梁體傾倒之后再用機械設(shè)備破除廢棄橋體[10]。但是，爆破拆除對施工安全要求極高，不僅作業(yè)本身存在著巨大的危險，而且爆破過程中產(chǎn)生的飛石和震動波等還會對周圍的環(huán)境和建筑等產(chǎn)生不可忽視的影響[11，12]。

2.3 逆施工工序法

在上述兩種常規(guī)方法都不能滿足拆除需求的情況下，考慮是否可以逆工序拆除。通過對橋梁原建造資料的分析，發(fā)現(xiàn)為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，主橋墩的墩底的球鉸在施工完成后已經(jīng)固結(jié)，并且填充了鋼筋混凝土，目前沒有辦法把主橋墩還原到鉸支座的狀態(tài)，故逆施工工序拆除法不可用。

2.4 非對稱分段分區(qū)機械破碎拆除法拆除

綜合考慮待拆橋梁的周圍環(huán)境和施工工期，上述三種拆除方案都存在一定的問題。經(jīng)過討論決定采用“非對稱分段分區(qū)機械破碎拆除法”。該方法先將主跨梁分段拆除，并時刻關(guān)注副梁和橋塔的狀態(tài)情況，同時要控制從局部減少所受的約束力，讓整個橋梁順著橋向塌落，最后用簡單的機械方法將廢棄的橋體破碎移除。

3 施工方案比選

3.1 50m 跨主梁拆除方案I

運用三臺拆除設(shè)備對橋梁進行拆除。通過計算，將拆除的主跨梁體分為3 個號段、32 個區(qū)域，拆分示意如圖2、圖3 所示。

拆除過程主要包括以下幾個步驟：

步驟一：設(shè)備編號，拆除第1 號段

將拆梁設(shè)備分別編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，并將三臺設(shè)備安放在梁體相應(yīng)的位置，如圖3（a）所示。

在①號區(qū)域被設(shè)備Ⅰ完全拆除后，設(shè)備Ⅱ和設(shè)備Ⅲ同時開始實施拆除區(qū)域②③。按照上面區(qū)域的拆除順序從橋梁北面的邊墩開始向著長斜拉桿錨索方向進行，在距離長斜拉桿錨固1m 的位置結(jié)束，拆除的長度為13m。

步驟二：拆除第2 號段

步驟三：拆除第3 號段

第2 號段完全拆除完后，便可對剩余21m 長度的第3號段進行拆除。拆除的順序：→西側(cè)短斜拉桿→→東側(cè)短斜拉桿→。拆除的部位是從懸臂端開始，最后一直拆除到塔根處位置，這一號段的總長度在21m。

3.2 50m 跨主梁拆除方案II

將方案一中位于橋上的機械設(shè)備布置于橋下路基上或鐵路線路上，同時將3 臺機械設(shè)備改為使用2 臺機械設(shè)備進行拆除該橋梁，拆除順序及工況與方案一相同。

3.3 方案比選

從安全性、可行性、操作難度、施工工期等四個方面對兩種拆除方案進行對比分析，結(jié)果見表1。

表1 50m 跨主梁拆除方案比選

將上述的兩種方案進行對比，二者最大的不同點就在于機械設(shè)備數(shù)量的不同。雖然方案I 多布置了一臺設(shè)備，施工速度更快、效率更高，但將機械設(shè)備吊放在橋面上不僅降低了施工操作空間，還造成了人力和物力的浪費，更重要的是多一臺機械設(shè)備，相應(yīng)的安全風險也就提高。施工安全高于一切，施工方案的選擇應(yīng)將安全排在第一位。

綜上所述，方案II 為最優(yōu)施工方案。

4 拆除工況受力分析

4.1 分析工況

拆除過程主要包括以下5 個關(guān)鍵工況：①工況1：從主跨的北側(cè)開始進行拆除，從支座到長斜拉桿錨固點處總共長為13m，控制界面為長斜拉桿錨固處截面。②工況2：當一號段拆除完成后，對西邊的長斜拉桿進行拆除，控制截面為短斜拉桿錨固處截面；③工況3：當對2 號段8m 處的區(qū)域拆除完成之后，然后再對東邊的長斜拉桿進行拆除，控制截面同工況2。④工況4：當主跨2 號段部分拆除完后，再拆除西邊的短斜拉桿，控制截面為梁塔固結(jié)處截面。⑤工況5：拆除完主跨3 號段8m 處21○、2○區(qū)域部分，拆除東邊的短斜拉桿，控制截面同工況4。

4.2 有限元模型

通過Midas/civil 軟件模擬橋梁的拆除過程。主梁部分和橋塔采用梁單元模擬，塔梁和塔墩采用的是剛性節(jié)點來固定，橋墩墩底采用固定約束。限于篇幅，僅示意出部分工況的內(nèi)力云圖和位移圖。（圖4）

4.3 各關(guān)鍵工況靜力分析

各工況對比數(shù)據(jù)見表2。通過對各關(guān)鍵工況的分析發(fā)現(xiàn)，在整個拆除過程中橋梁所有的控制截面的承受能力都要大于估算的截面彎矩，說明本文所定方案的可行性，安全性也是可以保證的。

表2 控制參數(shù)計算結(jié)果

5 結(jié)論

橋梁拆除工作的重點和難點是如何讓主跨梁平穩(wěn)落地并將施工風險降到最低。這就要求技術(shù)人員解決好在橋梁拆除過程中鋼束本身預(yù)應(yīng)力的釋放問題，并確保橋梁在拆除過程中保持穩(wěn)定，從而減少安全隱患。本工程嚴格按照拆除方案，用時40 天完成作業(yè)，施工過程安全、高效，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，可為今后類似工程的施工提供參考。