現(xiàn)澆雙曲拱橋拆除施工技術

劉云飛

(天門市公路防汛救災搶險中心,天門 431700)

20世紀60、70年代,我國橋梁事業(yè)發(fā)展飛快,然而當時大跨度混凝土橋梁建設技術并不成熟,雙曲拱橋應運而生。因雙曲拱橋?qū)㈩A制裝配施工的優(yōu)點發(fā)揮充分,并且施工時可以不需要滿堂支架,且所耗工料不多等特點[1],在當時得到廣泛應用。然而受20世紀施工水平、建筑材料、施工規(guī)范等的限制,許多鋼筋混凝土拱橋拱圈、拱肋、橋臺、路面等結構出現(xiàn)了不同程度的開裂和混凝土剝落導致的鋼筋外露銹蝕、混凝土碳化嚴重等病害[2]。上述問題不僅對橋梁結構耐久性和使用安全性產(chǎn)生影響,而且很大程度地限制了橋梁的正常服役。當前相當一部分雙曲拱橋已有40年以上歷史,因為不能滿足當前因經(jīng)濟快速發(fā)展而導致交通量急劇增加及荷載等級不斷提高的要求,迫切需要對老橋進行相應的升級改建。

1 工程概況

原天門大橋于1970年5月建成通車,橋長105.9 m,橋面總寬11.5 m。上部結構為70 m現(xiàn)澆雙曲拱結構,拱上結構為空腹拱。下部結構為重力式橋臺,樁基礎。主拱為五肋五波拱結構,拱圈曲線為懸鏈線,拱肋寬30 cm、高40～69 cm,拱波內(nèi)弧半徑100 cm、厚25～54 cm。拱腹為空腹,腹拱立柱與橋同寬(為9.5 m)、厚70 cm,高度42～718 cm不等;腹拱圈為10塊半圓弧板拼裝而成,拱圈厚度有20 cm和30 cm兩種?；A為鉆孔灌注樁,樁徑1.25 m;承臺厚2.5 m,每個承臺布置4排14根樁。拱上填料為6%石灰+64%煤渣+30%粘土;橋面為10 cm厚瀝青混凝土+5 cm厚膠泥防水層;人行道板為預制安裝、高10 cm,橋面欄桿為鋼欄桿、高1.5 m。

2 橋梁病害情況分析

根據(jù)前期現(xiàn)場檢測情況,發(fā)現(xiàn)老橋主要存在以下病害,如圖1所示:1)橋面鋪裝出現(xiàn)多條裂縫,且表面風化、骨料外漏,伸縮縫被瀝青覆蓋已失效,人行道地磚缺失,無橋面泄水孔等。2)橋梁上部結構主要存在大面積滲水、涂層開裂,拱波出現(xiàn)大量裂縫,拱肋破損漏筋等。3)橋臺兩側受擠壓導致的順橋向通長開裂、外傾,并且局部伴有混凝土剝落。4)混凝土碳化較為嚴重,部分位置碳化深度較深。

依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》[3]和《公路橋梁技術狀況評定標準》[4]對老橋缺損狀況檢測評定,該橋評分為52,技術狀況等級評定為4類。老橋承載能力遠不能滿足目前實際通行荷載公路-Ⅱ級的安全使用要求,應立即停止使用,啟動拆除與新建工作。

3 橋梁拆除施工方案

3.1 雙曲拱橋拆除方法

雙曲拱橋目前常用的拆除方法主要有:爆破法、機鑿法、船舶浮運拆除法、吊移法[5,6]。

1)爆破法:針對雙曲拱結構使用爆破手段將拱圈分離破壞。具體爆破方法分為動態(tài)爆破法和靜態(tài)爆破法。動態(tài)爆破噪音大,可能造成爆破后碎石飛散的狀況。而靜態(tài)爆破施工快速簡單,對周邊擾動較小,但爆破時產(chǎn)生的化合物會對橋下河水的水質(zhì)污染嚴重。

2)機鑿法:利用挖掘機等拆除機械將拱肋機械破壞使其塌落,是最原始的拆除方法,也是應用最廣泛的拆除法。具有履帶式機具施工作業(yè)環(huán)境的雙曲拱橋可利用機鑿法拆除。

3)船舶浮運拆除法:將多條鋼舶船連成整體,在船上將支架搭設完成后用拖船拖至拱圈下,將主跨結構與橋臺分離后運到岸邊,然后分塊切割。此方法雖然對通航影響小,但是對河道通航能力及鋼舶船的穩(wěn)定性要求高。

4)吊移法:吊移法的選取依據(jù)橋位環(huán)境,施工方法分為橋上吊裝和橋下支架法。橋上吊裝是將拱肋切割分離利用貝雷梁將其吊離,橋下支架施工法則是將滿堂支架搭設在橋下支撐拱肋拆除。

老橋的拆除應根據(jù)施工方資質(zhì)、施工作業(yè)環(huán)境、對環(huán)境及周圍居民的影響等,綜合老橋自身的結構穩(wěn)定性,選擇合適的拆除方法,制定出安全可靠的施工方案。

3.2 老橋拆除施工方案

老橋的拆除施工必須與建造施工步驟相反,在拆橋時嚴格遵循從橋面、拱頂?shù)焦澳_,從兩側到拱軸的順序。1)結合基坑圍護工程和新建橋梁工程,合理架設鋼棧橋。設置既與新建橋梁保持合理距離的跨河鋼棧橋,又能兼顧拆除老橋的吊距和吊重要求。擬架設主棧橋為長99 m、寬6 m的鋼管樁、貝雷梁、工字梁和橋面鋼板結構,并架設伸入老橋下和新橋下的7 m寬支棧橋。2)組織拆橋準備工作:人員、機械設備、施工材料、技術工藝與施工流程等,創(chuàng)造施工必需的環(huán)境與條件。3)預備安全的運輸通道,封閉交通并安排專人防止市民進入工區(qū)。4)使用小型機械、切割機、小型運輸車拆除老橋人行道欄桿、人行道板及橋面系,挖除拱上填料和側墻;5)自中間向兩頭,分拆拼裝的預制腹拱塊,小件可使用挖機裝載,尺寸偏長的可使用起重機吊裝;6)繩鋸切割拱上立柱,炮機拆除承臺立柱;7)挖除橋臺和側墻臺背部分土體,拆除橋臺和側墻;如受場地限制導致拆除橋臺影響相鄰土體失穩(wěn),可預留部分橋臺和側墻,待基坑開挖后拆除。8)鑿除部分拱板和拱波(或采用人工鉆孔)并懸打鋼管樁、施工拱肋支架。拆除主拱圈必須按主拱圈的強度和整體性逐步分解,從拆除橋面一直到拆除拱肋,按拱板、拱波、拱肋的順序分批對稱切割拆除卸載,防止主拱圈因荷載不均衡而失穩(wěn)。9)自中間向兩側,對稱切割拆除拱板和預制拱波。10)切斷主拱拱肋中心,自中心向兩側切割拱肋、橫系梁,分段吊裝拆除,單件質(zhì)量控制在6.5 t以內(nèi)。11)采用小型炮機鑿除或繩鋸切割方式,拆除影響樁基施工的部分老橋承臺,施工過程中要保持邊坡穩(wěn)定,必要時采取加撐、鋼板樁等加固措施。拆除工序圖見圖2。

4 臨時支墩安全性驗算

在橋下順橋向布置5個臨時支墩,布置間距10 m+10 m+15 m+15 m+10 m+10 m。支墩立柱采用φ630×10 mm鋼管樁,中間3個支墩布置順橋向2排、橫橋向3根,兩側2根支墩布置為順橋向1排、橫橋向3根;全橋共計24根鋼管樁支撐。邊側單排鋼管樁與承臺之間通過設置3組6根φ20 mm鋼絲繩連接以提高鋼管樁抗推能力。鋼管樁縱、橫向之間采用16a型鋼設連接系;樁頂橫橋向布置2HN450 mm×200 mm×9 mm×14 mm型鋼作為分配梁。

根據(jù)拆除方案,拆除過程按照分割順序,驗算三個工況。工況1:跨中截斷后,節(jié)段A(拱頂段)+節(jié)段B(拱腳段)作用下臨時支墩受力;工況2:節(jié)段A、節(jié)段B分割后,在節(jié)段A、節(jié)段B作用下臨時支墩受力。工況3:拱腳分割后,在節(jié)段B作用下臨時支墩受力。MIDAS CIVIL計算取單拱肋。結構參數(shù)為:Q235B鋼參數(shù):容許彎曲應力[σ]=140 MPa,容許剪應力[τ]=80 MPa。Q345B鋼參數(shù):容許彎曲應力[σ]=210 MPa,容許剪應力[τ]=120 MPa。

4.1 鋼管墩支反力計算

鋼管墩支反力計算如圖3～圖5所示。

4.2 分配梁計算

分配梁采用HN450×200型鋼,最不利受力狀態(tài)發(fā)生在拱腳截斷后,最大反力為147.1 kN,橫向考慮中間3根拱肋同時截斷,共同作用在分配梁上。分配梁布置圖如圖6所示。

MIDAS CIVIL計算結果如圖7所示。

鋼管立柱頂分配梁最大正應力σ=93.6 MPa<[σ]=210 MPa ,滿足要求。

最大剪切應力τ=43.0 MPa<[τ]=120 MPa,滿足要求。

鋼管立柱頂分配梁最大絕對變形ν=7.4 mm

綜上可知,根據(jù)老橋拆除施工步驟,針對施工中關鍵工序進行了有限元模擬驗算,分析得出該橋的承載力和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求,證實了該拆除方案的安全性和可操作性。

5 結 語

現(xiàn)澆雙曲拱橋在我國已逐漸被新式橋梁設計所取代,此類橋梁結構受力復雜,而且橋梁拆除也需要考慮施工條件以及對環(huán)境的影響,技術要求較高。現(xiàn)有相當一部分雙曲拱橋受當時建設水平的影響已不能滿足現(xiàn)有交通需求,對其進行拆除與新建已成必然趨勢。在此背景下,橋梁拆除施工的安全性和可靠性將成為建設者們的一大熱題。通過對原天門大橋施工環(huán)境的考察以及進行有限元分析,結合橋梁拆除理論,拆除施工方案制定合理,保證了橋梁的安全拆除。