懸挑支架法加寬舊石拱橋施工技術(shù)

陶 浩

(廣西桂通工程管理集團有限公司，廣西 南寧 530025)

0 引言

隨著我國交通運輸事業(yè)的快速發(fā)展，一些舊的干線公路由于標準低、通行能力差而亟須升級改造，特別是舊路上的一些石拱橋，在條件允許的情況下對其進行改造再利用，會產(chǎn)生更大的經(jīng)濟性、實用性和耐久性。因此，舊石拱橋的加寬已成為設(shè)計、施工的一項重要課題。在大化至巴馬公路第一期工程中，對公路中的舊石拱橋進行了懸挑支架法加寬施工，該施工技術(shù)能有效保護舊石拱橋結(jié)構(gòu)不受破壞，施工過程安全、環(huán)保、高效，施工質(zhì)量良好，影響交通時間短。該工法的成功運用，以較低的施工成本取得了很好的社會和經(jīng)濟效益，對于同類舊石拱橋改造加寬施工工程有較好的推廣意義，應(yīng)用前景廣闊。

1 新舊技術(shù)原理對比

1.1 傳統(tǒng)加寬方法

在傳統(tǒng)施工中對舊橋加寬段一般采用滿堂支架搭設(shè)施工或先預(yù)制懸挑板后現(xiàn)場安裝的施工方法，其中采用滿堂支架法施工需要良好的地基，適應(yīng)性不強；國內(nèi)同類施工中普遍采用的是先預(yù)制懸挑板后現(xiàn)場安裝的施工方法。但該方法的預(yù)制板板底與橋面結(jié)合不夠密實，通車后，在行車荷載的長期作用下，預(yù)制板逐漸松動，隨著時間的推移甚至出現(xiàn)板底“脫空”現(xiàn)象，存在質(zhì)量和安全隱患。

1.2 懸挑支架法

這一施工方法在不破壞舊橋結(jié)構(gòu)的前提下，對舊橋橋面系拆除后采用懸挑支架法加寬施工，在施工中遵循均衡對稱的原則，以保證舊橋拱圈受力均勻，保護舊橋結(jié)構(gòu)不受破壞，提高了舊橋改造的工程質(zhì)量，具有安全、高效、環(huán)保、工程綜合造價低的特點。

2 懸挑支架法應(yīng)用工程實例

作為大化至巴馬公路橋梁加寬重點的清水橋建于1985年，全長48.08 m，上部結(jié)構(gòu)為長18 m的石拱橋，石跨比為1/3，拱軸線為等截面懸鏈線，拱軸系數(shù)=3.5。經(jīng)檢測，該橋主拱圈等主要受力構(gòu)件工作狀態(tài)正常，經(jīng)過專家評估決定對該橋進行加寬利用。

3 懸挑支架設(shè)計及驗算

3.1 懸挑支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 懸挑支架橫斷面圖

3.2 懸挑支架結(jié)構(gòu)驗算

3.2.1 有限元模型建模計算

對懸挑支架結(jié)構(gòu)采用Midas Civil有限元軟件進行建模計算，有限元計算模型見下頁圖2。其中，橫向主梁、縱向分配梁、底模托架橫向分配梁、底模吊桿均采用梁單元模擬，共302個梁單元，6 mm厚鋼板底模采用板單元模擬，共48個板單元。邊界條件設(shè)置為：橫向主梁于舊拱橋支承處采用一般支承，約束3個方向的平動自由度及桿件本身軸向的轉(zhuǎn)動自由度；縱向分配梁與橫向主梁之間采用彈性連接；底模托架縱梁與底模托架橫向分配梁采用共節(jié)點連接。

初步運行分析計算模型，提取澆筑翼板混凝土最不利工況計算結(jié)果，可知最不利工況下結(jié)構(gòu)桿件最大的應(yīng)力為149.7 MPa(見下頁圖3)，最大應(yīng)力小于Q235鋼容許應(yīng)力(215 MPa)，應(yīng)力滿足要求；最大結(jié)構(gòu)變形為30.23 mm(見圖4)，結(jié)構(gòu)變形過大影響結(jié)構(gòu)的正常使用，需進一步優(yōu)化。

圖2 懸挑支架有限元模型云圖

圖3 懸挑支架應(yīng)力云圖

圖4 懸挑支架位移云圖

3.2.2 懸挑支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過分析懸挑支架的結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn)，支架位移過大的原因主要是橫向主梁變形過大引起的。橫向主梁受兩側(cè)翼板荷載作用，在每側(cè)翼板僅有一個橋面支點，橫向主梁中間部位無約束。因此改變約束條件，在橫向主梁中部設(shè)置一個抗豎向拉力的支點，支點下端錨固至舊橋橋面，以限制橫向主梁上拱。對有限元模型進行重新設(shè)計驗算，同樣提取澆筑翼板混凝土最不利工況計算結(jié)果，最不利工況下結(jié)構(gòu)桿件最大的應(yīng)力為158.3 MPa(見圖5)，小于Q235鋼容許應(yīng)力(215 MPa)，應(yīng)力滿足要求；最大結(jié)構(gòu)變形為9.62 mm(見圖6)，結(jié)構(gòu)位移變形大幅減少，最大位移9 mm位于底模托架跨中處，可通過調(diào)節(jié)豎向精軋螺紋鋼長度設(shè)置預(yù)拱度，以調(diào)整標高。

圖5 懸挑支架應(yīng)力云圖(優(yōu)化后)

圖6 懸挑支架位移云圖(優(yōu)化后)

綜上分析，設(shè)計的懸挑支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形均滿足要求，可按照設(shè)計圖加工懸挑支架結(jié)構(gòu)。

4 懸挑支架法施工技術(shù)

4.1 懸挑支架法工藝流程

懸挑支架法工藝加寬舊石拱橋施工工藝流程見圖7。

4.2 施工要點

4.2.1 現(xiàn)場勘查

在改造施工前，對舊石拱橋上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)再次進行觀測檢查，并做好觀測記錄。

4.2.2 拆除舊橋面結(jié)構(gòu)物

在拆除施工中按均衡對稱原則進行，先左右對稱同步拆除兩側(cè)護欄，然后挖除舊橋面鋪裝和拱頂填料。挖除順序是從橋梁中部往兩端橋臺同時進行，采用兩臺輕型設(shè)備從橋中心往橋臺方向同時挖除拱上填料，以保證舊橋主拱圈均衡對稱受力。

4.2.3 回填輕質(zhì)混凝土施工

從兩端橋臺同時往橋中心進行回填，以保證石拱橋主拱圈均衡對稱受力。

4.2.4 懸挑支架法施工

(1)懸挑支架架設(shè)。在回填輕質(zhì)混凝土完成后，進行懸挑支架安裝，按橋長平均分段進行施工(如清水橋全長48 m，分為4段進行施工)。施工順序為：從橋梁中部往兩端橋臺方向左右同步進行?，F(xiàn)澆支架經(jīng)驗算審核通過后方進行支架安裝，充分考慮了懸挑支架受力滿足規(guī)范要求的同時，盡量采用輕型材料以減輕舊橋面荷載，達到保護舊橋結(jié)構(gòu)的目的。

(2)懸挑模板安裝。在支架安裝完成后進行模板安裝，模板安裝左右對稱同時進行，以保證支架和舊橋結(jié)構(gòu)受力均衡。

(3)懸挑板鋼筋安裝及混凝土施工。鋼筋安裝左右對稱同時進行，以保證支架和舊橋結(jié)構(gòu)的受力均衡。在鋼筋驗收合格后進行懸挑板混凝土澆筑施工，同樣是左右對稱同步進行。

(4)橋面系附屬系統(tǒng)施工。橋面鋪裝及防撞墻施工同樣按左右對稱原則同步進行施工，以保證舊橋結(jié)構(gòu)的受力均衡。

5 質(zhì)量及安全控制要點

5.1 質(zhì)量控制

整個懸挑支架法施工過程必須遵循均衡對稱的原則，以保證石拱橋主拱圈均衡受力，確保舊橋和改造后的工程質(zhì)量。

5.2 安全控制

在施工時封閉橋面，進行交通管制。在全橋的加寬改造施工過程中，需進行施工監(jiān)控。在加寬施工進場之日起，必須由專人負責(zé)主拱圈L/2(拱頂)、3L/8、L/4、L/8處截面及拱腳、橋臺等處的豎向位移和水平位移的觀測，直至橋梁加寬施工竣工驗收為止。如發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即停工，并盡快分析原因并及時采取措施。

6 效益分析

舊石拱橋加寬改造施工完成后，橋梁外觀效果佳，行車舒適度好，故對懸挑支架法加寬舊石拱橋施工技術(shù)進行效益分析。

6.1 經(jīng)濟效益分析

關(guān)于滿堂支架與懸挑板現(xiàn)場安裝施工的各項比較如表1所示。由表1可見，采用懸挑現(xiàn)場安裝施工比傳統(tǒng)的滿堂支架鋪設(shè)施工節(jié)約了工料機各項的投入。以清水橋加寬施工為例，節(jié)約費用約2.5萬元，且在節(jié)約場地、節(jié)約工期方面更有優(yōu)勢，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益更明顯。

6.2 社會效益

懸挑支架法加寬舊石拱橋施工技術(shù)能高效安全地進行舊橋加寬施工，減少施工安全風(fēng)險、提高工程質(zhì)量、符合環(huán)保要求，社會效益和經(jīng)濟效益良好，且具有廣闊的市場發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

表1 滿堂支架法施工與懸挑支架法施工經(jīng)濟效益

7 結(jié)語

懸挑支架法成功應(yīng)用于清水橋，該橋改造加寬工程工期僅用時2.5個月，施工過程運用均衡對稱原則，從拆除舊橋結(jié)構(gòu)物到改造加寬施工完成，嚴格按工藝流程和設(shè)計規(guī)范進行施工，將原設(shè)計的預(yù)制懸挑板現(xiàn)場安裝工藝變?yōu)閼姨糁Ъ芊ㄊ┕?，該方法操作簡單，易于控制，施工緊湊，對交通影響小。在施工完成后，根據(jù)本項目對原橋的跟蹤檢測結(jié)果顯示，舊石拱橋主拱圈頂面僅沉降了1 mm，整橋無水平位移現(xiàn)象。該方法的成功運用可為今后同類型的舊橋改造加寬工程提供經(jīng)驗借鑒。