近接高速公路橋梁拆除關鍵技術及數(shù)值模擬研究*

陳 瑋,米 博,景銀超,趙曉龍

(1.中建一局集團建設發(fā)展有限公司,北京 100102; 2.中國建筑一局(集團)有限公司,北京 100161)

0 引 言

近年來,隨著經濟社會不斷發(fā)展,區(qū)域間的聯(lián)系越來越緊密,交通在區(qū)域經濟活動中所占地位也不斷提升[1]。為適應新經濟環(huán)境下人員出行與物貿交流,交通基礎設施的發(fā)展刻不容緩,交通擴容提效勢在必行。在此大背景下,舊橋拆除需求與日俱增。舊橋拆除工作是一項比新建橋梁具有更多未知因素、更具有挑戰(zhàn)性和更加危險的工作,特別是臨近既有建筑物或上跨運營線時,極易發(fā)生事故,導致慘痛的人員傷亡及巨大經濟損失[2]。所以,如何安全高效地拆除既有橋梁最為關鍵[3]。

目前,舊有橋梁拆除方法多樣,大致可分為爆破拆除和機械拆除[4]。爆破拆除在早期橋梁拆除中多有應用,其施工技術成熟,具有工期短、費用低的優(yōu)點,但爆破拆除弊端明顯,尚未達到“精細化”要求,安全事故時有發(fā)生[5]。此外,爆破拆除產生的噪聲、振動、污染等問題不容忽視[6],特別是在跨越既有建筑物時,安全風險極高。機械拆除又細分為“門洞+支架拆除法”[7]、大節(jié)段下放拆除法[8]、自行式模塊運輸車(SPMT)快速拆除方法[9-10]、反澆筑順序的節(jié)段切割法[11-12]、液壓系統(tǒng)平移法[13]和車載移動支撐式分段提吊下放快速移除方法[1]等。機械拆除是當前橋梁拆除中的主流方法,其對周邊環(huán)境及現(xiàn)有交通狀況影響小,適合在城市內部建筑物密集區(qū)或跨越既有運營線路等情況下使用。

橋梁拆除方法的選擇應因時制宜、因地制宜,兼顧造價、工期、環(huán)境、安全等因素綜合考慮。本文以通錫高速公路海門—通州段2座近接高速公路橋梁拆除工程為依托,采用“切割+汽吊”法與數(shù)值模擬相結合的方式,綜合探索近接高速公路橋梁拆除關鍵技術。

1 工程概況

通錫高速公路是江蘇省一條連接南通—無錫的省內高速公路,全長173.8km,其中海門—通州段長65.984km。為擴充運力、優(yōu)化布局,相關部門啟動了對通錫高速公路海門—通州段樞紐的改擴建工程。由于現(xiàn)有橋梁與新樞紐橋及道路的位置存在沖突,故需拆除現(xiàn)有橋梁4座,分別為原C匝道跨沈海高速公路大橋、原卞白路跨沈海高速公路大橋、原卞西河中橋、原D匝道中橋,具體位置分布如圖1所示。

圖1 橋梁拆除平面

由于此4座橋拆除方法不盡相同,本文以C匝道跨沈海高速公路大橋、卞西河中橋拆除為典型代表,重點研究“切割+汽吊”法在實際橋梁拆除工程中的應用。

2 C匝道跨沈海高速公路大橋拆除技術

2.1 C匝道橋參數(shù)

C匝道跨G15沈海高速公路大橋共3聯(lián),全長358.0m,與G15沈海高速公路交叉樁號為CK0+591.929,交叉角度為128.5°,位置如圖2所示。橋梁孔徑具體布置為:(34.92+35+34.92)m+(34.92+35+34.92)m+(34.92+35×2+34.9)m。上部結構采用裝配式部分預應力混凝土連續(xù)箱梁,梁高1.8m,如圖3所示。橋梁起、終點橋臺處采用D80型伸縮縫,相鄰2聯(lián)過渡墩處采用D160型伸縮縫。G15沈海高速公路現(xiàn)狀雙向6車道,路基寬35m,實際凈高按≥5.2m。

圖2 C匝道跨G15沈海高速公路位置示意

圖3 C匝道橋橫斷面(單位:cm)

2.2 上部結構拆除方案

C匝道橋單幅寬20.5m,由6片35m后張法預應力箱梁組成。因C匝道橋僅有5,6 2跨跨越G15沈海高速公路,其余跨均在G15沈海高速公路范圍外,故拆除方式也不盡相同。

2.2.1跨高速公路段拆除方案

為盡可能減小C匝道橋拆除對既有G15沈海高速公路的影響,C匝道橋跨高速公路部分采用雙機抬吊法進行拆除,具體流程為:施工準備→封閉C匝道橋→封閉高速公路半幅道路→設置起重機行駛和支腿硬化帶→在蓋梁與箱梁間墊木方→切割中橫梁和濕接縫分離為單獨梁→高速公路半幅道路上墊鋼板和枕木→雙機抬吊梁下放至已封半幅道路上→分段切割清運出場→施工完成。

C匝道橋在破除濕接縫后,吊裝最大質量為172t,故選用2臺300t級起重機開展吊裝工作,起重機配重45t,單臺起重機最大起重量為86t,起重機布置如圖4所示。

圖4 雙機抬吊法布置示意(單位:m)

此外,考慮到起重機起吊過程中支腿所承受荷載較大,故在高速公路兩側設置了支腿硬化帶,以保證起重機工作安全。同時,還建立了數(shù)值計算模型,分別就起重機支腿對高速公路路面、支腿硬化帶的影響展開分析。

本文利用ANSYS Workbench建立的雙擊抬吊法計算模型如圖5所示。其中,梁體材料、支腿硬化帶混凝土為C40混凝土,起重機材料為結構鋼。模擬時,分別在2臺起重機吊臂端部加載860kN的力,以模擬梁體荷載。

圖5 雙機抬吊法計算模型

計算完成后,分別提取支腿硬化帶20cm混凝土層和高速公路面層的變形與應力,如圖6,7所示。由圖6,7可知,采用雙機抬吊法拆除C匝道橋時,起重機支腿對支腿硬化帶及高速公路面層產生的位移和應力均較小,最大位移分別為3.466,5.347 9mm, 最大應力分別為4.628 7,2.735 6MPa。最大應力值遠小于C40混凝土的抗壓強度標準值(26.8MPa),故認為雙機抬吊法拆除C匝道橋時,起重機工作安全,也不會對高速公路路面產生不利影響,該方法可行。

圖6 支腿硬化帶20cm混凝土層變形及應力云圖

圖7 高速公路面層變形及應力云圖

2.2.2非跨高速公路段拆除方案

因非跨高速公路段橋梁拆除不會對G15沈海高速公路的安全運營產生影響,故從工期、造價等方面綜合考慮,采用鎬頭機直接破拆法拆除C匝道橋,具體流程為:施工準備→封閉C匝道橋→切割中橫梁使各跨變?yōu)楹喼Я骸懈盍洪g濕接縫分離為單獨梁→鎬頭機破拆梁并清運出場→破除下部結構清運出場→施工完成。C匝道橋下部結構采用鎬頭機直接破拆,其施工方法與上部結構非跨高速公路段銜接,在此不過多贅述。

3 卞西河中橋拆除技術

3.1 卞西河中橋參數(shù)

原卞西河中橋跨徑為3×20m,如圖8所示。上部結構為裝配式后張法預應力混凝土空心板梁,梁高100cm,橋面寬度2×12.25m。下部結構為墩柱+蓋梁,橋下為一條小河,現(xiàn)場調查時處于干涸狀態(tài),橋梁高約3m。

圖8 原卞西河中橋位置示意

原卞西河中橋總體運營情況良好,無結構裂縫,其橫斷面如圖9所示。

圖9 原卞西河中橋橫斷面(單位:cm)

卞西河中橋單幅寬14m,20m空心板梁橋最大邊梁重34.4t,采用1臺150t汽車式起重機,起重機配重45t,起重機先站位于邊跨起吊出運中跨,然后分別起吊出運邊跨,如圖10所示。

圖10 卞西河中橋起重機位置示意(單位:m)

3.2 上部結構拆除方案

因卞西河中橋不跨越G15高速公路,且考慮到拆除對河道的影響,故采用“切割+汽吊”法拆除。

為評估150t級汽車式起重機起吊中跨時對邊跨的影響,本文采用ANSYS Workbench建立橋上吊橋計算模型,開展數(shù)值計算分析,模型如圖11所示。

圖11 橋上吊橋法計算模型

建模時,板梁混凝土強度等級為C40,下部結構混凝土強度等級為C40、濕接縫材料為C50,起重機材料為結構鋼。模擬時,在起重機吊臂端部加載344kN的力,以模擬梁體荷載。

計算完成后,分別提取起重機支腿正下方2座梁體的變形和應力云圖,如圖12和13所示。

圖12 左支腿下板梁變形及應力云圖

圖13 右支腿下板梁變形及應力云圖

由圖12,13可知,起重機起吊時在支腿正下方板梁處產生的位移均較小,分別為5.758 1,6.036 6mm, 可忽略不計。

又根據卞西河中橋設計要求,其應力分別滿足以下條件。

左支腿正下方板梁:

右支腿正下方板梁:

應力均滿足要求,故認為此次采用橋上吊橋方式拆除卞西河中橋上部結構安全可靠。

3.3 下部結構拆除方案

經過對工期、造價等因素綜合考量,卞西河中橋下部結構擬采用繩鋸+汽車式起重機+就地破拆方式,分段、分塊切割起運破拆。拆除順序按先上后下、對稱平衡,留下部分能自穩(wěn)原則,如圖14所示(粗線為切割線、數(shù)字為切割起吊順序號)。

圖14 卞西河中橋下部結構切割順序

4 結語

本次研究以通錫高速公路海門—通州段2座近接高速公路橋梁拆除工程為依托,驗證了“切割+汽吊”法在近接高速公路橋梁拆除中的應用,并利用ANSYS Workbench開展了數(shù)值模擬研究,主要得出如下結論。

1)雙機抬吊法拆除橋梁時,起重機支腿對高速公路面層產生的位移和應力均較小,保證了高速公路路面不受破壞。

2)20cm混凝土層和40cm碎石基層構成的支腿硬化帶在雙機抬吊拆除橋梁時產生的變形及應力較小,起重機可安全吊運橋梁。

3)橋上吊橋方式拆除卞西河中橋時,支腿正下方板梁的變形較小,應力符合設計要求,是一種安全有效的橋梁拆除方式。